煤矿瓦斯创新利用与实践

范文利，杨伟峰

(山西福山资源集团有限公司，山西 柳林 033000)

根据全国油气资源评价结果，我国煤层气资源十分丰富，占世界排名前12位国家资源总量的13%，埋深1 500 m以浅的适于开发的约占总资源量的60%，达到31.46 万亿m3，相当于450 亿t标煤，350 亿t标油[1]。瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)，是很好的清洁燃料，对瓦斯进行充分利用更具有重要意义。近几年，我国煤矿瓦斯市场呈现持续增长之势，根据国家能源局相关数据显示，2020年我国地面煤层气产量77.7 亿m3，利用率91.9%；煤矿瓦斯抽采量128 亿m3，利用率仅为44.8%，2020年全国煤矿抽采瓦斯利用率同比提高2.3个百分点，增幅较小[2]。受到多种因素的影响，瓦斯利用率有待进一步提升，现阶段煤矿瓦斯主要应用于民用、工业燃气、发电、汽车燃料、压缩与液化、化工原料等。

1 煤矿瓦斯开发利用问题

2020年9月，习总书记在第七十五届联合国大会上提到了“中国二氧化碳的排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[2]。在我国的能源性产业结构之中，煤炭、石油及天然气等化石能源产生的碳排放占据了能源消耗总量的84%，且煤炭作为我国的主导性能源，想要达到碳中和目标，在大力发展可再生资源的基础上，还要极力推动化石能源煤炭等高效、清洁利用。煤矿瓦斯的开发与高效利用在增加清洁能源、降低温室气体排放、提升煤矿安全等诸多方面都具有重要的现实意义，对于碳中和目标的实现具有较大的推动作用，但是受各种因素的影响，其开发利用过程中依旧存在一些问题。

1.1 低浓度瓦斯利用存在短板

受经济、技术等因素的制约，我国在低浓度煤矿瓦斯的利用上依旧存在较大的短板，尤其是低浓度瓦斯的直燃技术，依旧处于工业性试验阶段，尽管有关科技部门在低浓度瓦斯直燃技术上，通过安全燃烧装置实现了爆燃低浓度瓦斯的安全燃烧处理，并在晋城一些煤矿试验中获的成功，但是受到试验规模的限制，还未开展大规模推广。据相关统计，浓度3%～8%的低浓度瓦斯占煤矿瓦斯资源总量的36%左右，目前没有成熟的直接利用技术，通常采用2种间接利用方法：一是与高浓度瓦斯掺混至浓度大于9%后通过瓦斯发电机组发电；二是利用煤矿乏风或空气稀释至1.2%左右进行乏风氧化。前者受制于高浓度瓦斯源，后者综合热效率低(≤60%)，经济效益差，没有得到大面积推广。浓度3%～8%的低浓度瓦斯被大量排放，浪费了大量宝贵绿色能源，污染了大气，加剧了温室气体效应。

1.2 煤矿瓦斯排空问题突出

现阶段，很多以煤气层抽采作为主要业务的企业都存在煤矿瓦斯排空现象突出的问题，山西、贵州及新疆等一些煤炭主要产区，从井下抽取的煤矿瓦斯中甲烷的浓度相对较低，很多煤矿抽采出的瓦斯因缺乏利用空间、没有集输管道等被直接燃烧或者排空。加上国家近些年一直鼓励瓦斯抽采，抽采强度加大，空气进入概率提升，提高了低浓度瓦斯的占比，提升了利用难度，增加了排空量。但是主因或是其经济性不足，对于10%～30%的煤矿瓦斯多被应用于发电，但是发电效率却较低，经济性不高，而低于10%的瓦斯更是受利用技术成本的限制，很多企业不会选择在相关装备上投入巨大资金而获得不对等的产出。另外，一些地理位置相对偏远地区的煤矿受规模小、抽采瓦斯运输成本高、引入低浓度瓦斯利用装备成本大等影响，会直接进行排空。以山西福山资源集团有限公司为例，其在对高浓度和低浓度瓦斯充分利用并取得较好效益的同时，对于浓度介于3%～8%之间的瓦斯一直没有好的利用解决办法，多数进行排空处理，少量与乏风混合稀释进行氧化冬季采暖，每年排空的瓦斯量达到2 313 万m3，相当于11.57 万t标煤。

2 提升低浓度煤矿瓦斯利用率的途径

针对上述问题，在对现阶段比较成熟的煤矿瓦斯利用技术进行简单分析的基础上，就解决低浓度瓦斯的利用问题提出一些有效的利用途径。

2.1 煤矿瓦斯利用技术

现阶段，主要受经济因素的影响，国内煤矿瓦斯利用率较低，很多瓦斯利用技术还不成熟，下面就现阶段煤矿瓦斯利用相对成熟的技术进行阐述。

2.1.1 高浓度瓦斯发电技术

现阶段，煤矿瓦斯发电技术主要有内燃机发电、燃气轮机发电等技术，因发电不用高浓度或压缩甲烷，燃气发动机需要焓达到205.2 MJ/m3。内燃机发电机组投资较少，灵活性高。热电联产技术对能源的利用率高。瓦斯发电是现阶段瓦斯利用的主要方式，瓦斯发电技术利用的瓦斯浓度需在30%以上，针对低浓度瓦斯发电技术依旧不成熟。以山西福山资源集团有限责任公司为例，公司所属山西柳林金家庄煤矿，位于柳林县城东南约10 km处的庄上镇梨树凹村境内，生产能力175 万t/a，矿井批准开采3～10煤层，开采标高为+880～+510 m，属于高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为90.34 m3/min，矿井相对瓦斯涌出量为22.87 m3/t，采用2BE3-720-2BY4水环式真空泵分源抽放瓦斯，配备9台JGS620GS-SL燃气发电机组，对瓦斯浓度大于25%的进行发电，装机功率32.18 MW，年综合利用标准纯瓦斯5 260 万m3，可发电2.4 亿kW·h。在高浓度瓦斯发电利用方面，公司积累了相当的成功经验，取得了较好的社会和经济效益。

2.1.2 高浓度瓦斯作为工业原料

在工业应用上，也主要是把高浓度的瓦斯进行净化处理与富集后作为原料气体生产甲醇、甲醛、炭黑等工业产品。

2.1.3 体积浓度30%以上瓦斯直燃技术

直燃技术具有成本低、效率高的特点，是煤矿瓦斯其它利用技术不可行时的备选，煤矿瓦斯抽采时一部分甲烷会通过排气机、井口鼓风机等直接排空，为减少排空对环境的影响，对此也可以通过控制火炬系统对这些瓦斯进行燃烧，但也需要瓦斯浓度30%以上，且尤其注意安全问题。

2.2 低浓度煤矿瓦斯有效利用的途径

2020年，生态环境部、发展改革委、能源局联合印发《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》(环环评〔2020〕63号)，明确提出应综合利用甲烷体积浓度≥8%的煤矿抽采瓦斯，鼓励综合利用体积浓度2%～8%的抽采与乏风瓦斯，通过参考国内外一些低浓度瓦斯利用技术，就低浓度煤矿瓦斯有效利用途径展开分析。

2.2.1 低浓度煤矿瓦斯发电

发电是煤矿低浓度瓦斯利用的最佳路径，现阶段主要有大功率燃气轮机发电、蒸汽轮机发电和往复活塞式内燃机组发电3种模式，前2种模式需要较高的一次性资金投入，建站周期较长，对于燃气流量有较高的要求，适合抽采量较大、气体成分相对稳定的大型煤矿。第3种往复活塞式内燃机组发电模式则具备一次性投入成本小、建站周期较短，内燃机的组台数、功率范围等都可依据瓦斯气量大小进行调整，电站移动也比较便捷，适合任何类型的煤矿，所以，第3种是现阶段煤矿瓦斯利用的最佳路径。但是由于低浓度瓦斯甲烷含量低，气体成本的随机性较大，常规的燃气发动机是难以进行发电的。因此，山东胜利动力机械厂以煤矿抽采的低浓度瓦斯特点为依据，研发了一种低浓度瓦斯发电机组，可以依据瓦斯浓度变化进行混合气的空燃比的自动化调节，同时也有效解决了发动机熄火、爆燃、进气管回火等安全性问题。

2.2.2 煤矿低浓度瓦斯浓缩技术

国内很多科研机构、高等院校在开展煤矿低浓度瓦斯提纯技术和装备的研发，主要技术有变压吸附浓缩技术和低温液化分离技术。

变压吸附浓缩技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。但是受低浓度煤矿瓦斯提纯工序较复杂、经济成本高等限制，在低浓度瓦斯提纯领域应用不足。

对于低温液化分离技术，西方一些发达国家已经根据煤矿瓦斯特点，研发了小型液化分离系统，对煤矿低浓度瓦斯开展综合性开发利用，但是国内的该项技术依旧处于试验性阶段。

2.2.3 低浓度瓦斯掺混燃烧

针对低浓度的煤矿瓦斯，因其大部分甲烷浓度处于爆炸的界限，对其直接燃烧存在技术性障碍，因此，为降低瓦斯直接排空量，低浓度瓦斯一般用来作工业锅炉的辅助性燃料或者与煤炭进行掺混燃烧。

2.2.4 氧化利用

可以采用热氧化法及催化氧化法利用低浓度瓦斯中的甲烷，原理是利用瓦斯通过高温时燃烧降解或催化分解成CO2和水回收热，减少瓦斯危害。公司所属山西柳林金家庄煤矿和兴无煤矿，同步建设了超低浓度瓦斯氧化热电联产项目，对浓度介于1.2%～1.5%的瓦斯进行氧化利用，消耗纯瓦斯290万m3/a，替代38 t燃煤锅炉，满足矿井冬季采暖，实现了煤矿产煤不烧煤。但是，低浓度瓦斯氧化处理的初始资金投入较大，定期需要进行维护[4]。

3 煤矿低浓度瓦斯利用实践

现阶段，山西福山资源集团对于低浓度煤矿瓦斯利用技术主要有相对成熟的蓄热氧化技术和低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术，下面就这2种低浓度瓦斯利用技术进行对比分析。

3.1 蓄热氧化技术

蓄热氧化技术是一种相对成熟的废气处理技术，在其他行业也有较多应用。在乏风氧化方面，如果是单纯的氧化乏风，由于实际乏风浓度极低，大部分煤矿都将乏风浓度控制在0.2%以下(标准不超过0.75%)，单纯的氧化乏风是无法维持氧化温度的，需要向乏风氧化装置补充能量。目前，几乎所有的乏风氧化装置氧化的都是抽采瓦斯，当乏风掺入抽采瓦斯时，需要将瓦斯浓度严格控制在1.2%以下。在煤矿乏风氧化处理瓦斯的应用过程中，国内发生过多起相关的爆炸事故，主要是由于掺混后的瓦斯浓度超限所造成的。

低浓度瓦斯进行蓄热氧化时，浓度必须严格按照标准控制在1.2%以下，为此需要掺入大量空气或乏风，因此增大了尾气排放量，将大量热量排入大气中，造成很大的热量浪费，综合热效率低。按照寨崖底煤矿混合流量2.17 万m3/h，折纯总量25 m3/min，平均混合浓度6.9%的瓦斯气源，按照蓄热氧化运行控制浓度1.2%，需要掺入的空气量超过10万m3/h，混合总量为12.50 万m3/h，进出口温差40～60 ℃，能量损失相当于4～5 t/h蒸汽。超过12.5 万m3/h的混合流量，主风机运行率超过400 kW。用该方法氧化低浓度瓦斯，热损失大，发电量少，用电量大，综合效率低。

3.2 低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术

针对以往直接排空的煤矿低浓度瓦斯，山西福山资源集团与北京君发可燃气体技术开发有限公司科研团队合作，自主研发了低浓度瓦斯安全稳定燃烧的系列专利，将低浓度瓦斯安全点燃，稳定燃烧，安全稳定运行，技术上取得了重大突破，实践应用取得了重大进展，为低浓度瓦斯利用提供一种直接有效的技术途径。低浓度瓦斯安全燃烧技术核心是：科学地解决了点火困难、点火爆炸、回火爆炸、熄火以及点火延迟等技术难题，增加了点火保护、熄火保护、回火保护、尾气可燃物含量超限保护、阀门泄露保护、停电保护，快速切断气源等多种保护功能，确保系统安全稳定可靠，颠覆了“低浓度瓦斯遇到明火就会发生爆炸”的传统理念。

3.2.1 安全点火

首先点火器点燃液化气，低浓度瓦斯经预处理器处理达到点燃条件后，进入辅助燃烧器，被液化气火焰点燃，液化气关闭，低浓度瓦斯燃烧将燃烧室温度加热至900 ℃，再通过主燃烧器输入低浓度瓦斯至燃烧室点燃燃烧。

3.2.2 稳定燃烧

燃烧自动控制系统调节燃烧的火焰温度和炉膛温度，燃烧的火焰和整个炉膛温度达到900 ℃以上，正常控制1 000±50 ℃，确保足够的反应温度。为杜绝回火爆炸和燃烧过程的熄火爆炸，系统增设了回火保护和熄火保护两大自动控制功能以及防回火和稳定燃烧的硬件设施。系统运行稳定，不易熄火，运行过程不会因瓦斯抽采泵站的气量、浓度以及压力设计范围内的波动造成停运，只会因瓦斯气量、浓度、压力的波动而产生燃烧负荷的线性变化。

3.2.3 充分燃烧

炉膛设计的烟气迂回扰动迷宫式温度场极大地延长了瓦斯气及可燃成分在炉膛内的氧化反应时间，实现了瓦斯的完全燃烧，氧化率达到99.9%。

3.2.4 热能利用

由于设备体积小，相应的系统散热损失也少，从燃烧室出来的高温烟气进入余热锅炉再经过省煤器，大部分能量被水蒸汽带走做功，尾部低温烟气热能载移装置将低温烟气热能传递给低浓度瓦斯气，提高进入热能岛的瓦斯气的初始温度，系统排烟温度80 ℃，提高了热效率，系统综合热效率≥90%。与蓄热氧化技术相比，表现出较大的优势，具体见表1。

通过表1对比分析，根据寨崖底目前的瓦斯纯量25 m3/min计算，选择低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术，可以产生中温中压蒸汽15.8 t/h，发电功率可达3 000 kW，自用电小于250 kW，供电功率为2 750 kW。而如果采用蓄热氧化工艺，则只能产生中温中压蒸汽10.5 t/h，发电功率2 000 kW，自用电大于500 kW，供电功率小于1 500 kW。

在煤矿瓦斯燃烧范围、对瓦斯浓度和压力变化适应性、瓦斯综合利用率、设备体积及运行功率、瓦斯氧化率、热电联供、系统安全性等各个方面，低浓度瓦斯热能岛都表现出较大的优势。采用低浓度瓦斯热能岛产生蒸汽，将抽采的瓦斯全部燃烧并充分利用燃烧释放的热能，具有明显的二氧化碳减排效果。瓦斯热能岛3.0 MW发电项目2021年9月在公司所属寨崖底煤矿建成投入运行，每年可减排二氧化碳量21.2 万t，全年汽轮机发电量为2.374×107kW·h，按照自用价格0.35元/(kW·h)计算，产生效益830.9万元/a。山西福山资源集团有限公司瓦斯综合创新利用是瓦斯利用的新探索新实践，尤其是对浓度介于3%～8%的瓦斯高效利用，具有极大的现实意义和价值。

表1 低浓度瓦斯热能岛与蓄热氧化装置对比

4 结 语

从低浓度瓦斯发展热能岛应用的实践分析可以看出，针对不同煤矿瓦斯浓度状况，应用适宜匹配的煤矿瓦斯资源化技术，一方面，可以解决煤矿瓦斯直接对空排放造成的温室气体排放规模大、企业未来碳减排压力大的问题；另一方面，还可以有效回收煤矿瓦斯中蕴含的能量，部分替代燃煤或是电力等其他能源消费，经济效益和环境效益显著。煤炭生产企业要实现碳达峰、碳中和的目标，进一步提升煤矿瓦斯综合利用率，尤其是低浓度瓦斯的利用规模，削减煤矿瓦斯直接对空排放量，是其中重要的温室气体和碳减排手段之一。我国煤矿分布范围广，不同矿井的煤矿瓦斯抽采排放情况差异显著，面对煤矿低浓度瓦斯利用过程中存在的各类问题，建议国家相关主管部门进一步完善瓦斯抽采利用的政策支持力度，加大科技创新和技术应用激励和保障长效机制，进一步促进低浓度和超低浓度煤矿瓦斯利用技术的研发、推广和应用，有效提升煤矿瓦斯利用率。