低濃度煤礦瓦斯的利用方法

鄭順朝

煤礦瓦斯是賦存在煤層中的一種與煤伴生的氣體,通常是指煤礦井下以甲烷為主的有毒、有害氣體的總稱。水災、火災、瓦斯或煤塵爆炸、瓦斯突出以及冒頂是煤礦生產過程中的主要災害,而瓦斯爆炸是礦井五大自然災害之首。瓦斯氣體的主要成分是甲烷,當空氣中甲烷濃度在5.5%～16%之間時,有明火的情況下就能引起瓦斯爆炸。由于煤礦瓦斯突出以及瓦斯爆炸事故頻發,嚴重影響了礦井的安全生產,對煤礦工人的身體健康也造成了極大的負面影響,限制了煤礦的生產進度。國家采取了堅決有力的瓦斯治理措施,在技術管理上提出了“先抽后采、以風定產、監測監控”十二字方針,以確保煤礦的安全生產。“先抽”(即包括井下抽采和地面抽采)是瓦斯防治的基礎,也是從源頭上治理瓦斯災害的治本之策和關鍵之舉。我國是世界上最大的煤炭生產國,中國煤礦井下抽放瓦斯雖然已有數十年的歷史,但瓦斯抽出率很低,往往不足30%,而且由于抽上來的瓦斯80%的濃度低于5%,按目前的技術水平和相關的安全規程,只能排空難以利用[1]。瓦斯的直接排放,一方面造成了嚴重的空氣污染,因為甲烷具有溫室效應,其溫室效應是二氧化碳的21倍,對臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍;另一方面也造成了嚴重的資源浪費,純瓦斯的熱值與常規天然氣相當,是一種潔凈的能源。因此煤礦瓦斯的合理開發利用,尤其是低濃度瓦斯的利用不但可以有效減少溫室氣體的排放、改善并保護我們賴以生存的大氣環境;同時也可以在一定程度上改善我國的能源結構,增加潔凈的氣體能源,彌補我國常規天然氣在地域分布和供給量上的不足,對促進節能減排,推動低碳經濟的發展具有重要意義。

1 低濃度瓦斯的利用現狀

國家《煤礦安全規程》規定,甲烷含量低于30%的瓦斯為低濃度瓦斯(煤層氣)。近些年,我國瓦斯抽采利用工作取得了重大進展,2005年全國煤礦抽采瓦斯23億m3,利用 9億m3,利用率42.6%;2006年全國煤礦抽采瓦斯32.4億m3,利用11.5億m3,利用率35.5%;2007年,全國瓦斯抽采47.35億m3,利用14.46億m3,利用率為30.5%[2]。2008年煤礦瓦斯抽采量已達到52億m3。然而,約80%的瓦斯是采用卸壓抽和采空區抽瓦斯的方法獲得,抽出瓦斯的濃度較低,55%以上的抽采瓦斯濃度低于30%,從總體上看,煤層氣抽采進展較快,但利用進度較慢,特別是低濃度煤層氣利用率低,多數礦井瓦斯抽放濃度在25%左右,國家《煤礦安全規程》規定,抽放瓦斯利用時濃度不得低于30%,因此目前幾乎所有的煤礦都將甲烷濃度低于30%的瓦斯直接放空排入大氣。據不完全統計,我國每年在采煤的同時排放的純瓦斯近200億m3,與“西氣東輸”量相當[3]。究其原因一方面與礦井的瓦斯抽放規模有關,許多礦井主要依靠移動抽放泵抽放瓦斯,抽出的瓦斯濃度低[4];另一方面,許多煤礦企業存在“重煤輕氣”的觀念,煤礦瓦斯抽放仍基于保證煤礦安全生產的目的,觀念有待更新,這也限制了抽放瓦斯利用率的提高;其次是技術上,尤其是針對低濃度瓦斯的利用,輸送以及提純的成熟技術較少,煤礦瓦斯的利用主要集中于瓦斯抽采量以及瓦斯抽采率較高的國有重點煤礦區,而且現有煤礦瓦斯利用以民用和工業燃氣為主[5]。

2 低濃度瓦斯的利用途徑與技術

瓦斯是一種熱值高,無污染的寶貴能源,對煤礦瓦斯進行抽放并加以利用,不僅可以減少對環境的污染,還可以給煤礦帶來較好的經濟效益,因此合理開發和利用煤礦瓦斯具有節能和環保的雙重意義。

1)低濃度瓦斯的分離提純。低濃度瓦斯的提純技術有變壓吸附、膜分離技術以及低溫液化技術[6]。提純后的氣體相對于井下抽采的原料氣甲烷含量可以達到90%以上,而且氧含量大幅度減少,這樣就可以解決低濃度瓦斯氣體直接用于民用燃料不能進行長距離輸送的問題,擴大了低濃度礦井瓦斯的利用范圍,產生規模效益。同時低濃度瓦斯提純分離也面臨設備復雜,投資大,功耗高,市場推廣價值低等問題。2)低濃度瓦斯發電。低濃度瓦斯中甲烷濃度在5.5%～16%時具有爆炸危險,甲烷濃度在7%～8%時最易爆炸,當甲烷濃度在9.5%時爆炸威力最強,其速度可達2000m/s～3000m/s,同時產生巨大的能量,低濃度瓦斯發電也正是利用了甲烷的這一特性。低濃度瓦斯發電機組與高濃度瓦斯發電機組工作原理基本一致,都是采用瓦斯爆炸做功發電,不同之處是為保證低濃度瓦斯的安全輸送,采用了細水霧輸送技術,輸送管路上設置濕式水位自控阻火器和金屬波紋帶瓦斯管道專用阻火器[3]。由我國勝利油田勝利動力機械集團有限公司自主開發的“低濃度瓦斯的細水霧輸送技術以及安全利用技術”成功解決了低濃度瓦斯的利用難題,并在安徽淮南煤礦建設了世界首座低濃度瓦斯發電站,于2005年12月25日開機運營,該技術將瓦斯的利用范圍擴大到6%以上。截至2010年該項技術推廣年瓦斯利用量將達到20億m3,相當于節省195萬 t標準煤,同時減排2500萬t CO2。3)乏風瓦斯氧化技術。乏風瓦斯,指煤礦通常采用大量通風來排放的煤礦瓦斯。煤礦乏風有流量大、瓦斯濃度低、濃度波動大的特點,我國每年通過乏風排入大氣的甲烷約為 100億 m3～150億m3,礦井乏風中的甲烷濃度非常低,一般在0.2%～0.75%之間。由于煤礦乏風中甲烷含量極低,如果進行分離提純,耗能要遠遠超過獲取甲烷的能量,同時該濃度范圍的甲烷不能直接燃燒,目前采取的措施是直接排空[3],造成了巨大的能源浪費和環境污染。因此,如何治理和利用礦井乏風瓦斯,也是目前我國在瓦斯治理及利用方面面臨的緊迫任務。我國勝利油田勝利動力機械集團有限公司開發的煤礦乏風甲烷氧化技術是目前國內唯一通過現場工業性試驗的技術成果。2007年8月,國內首臺乏風瓦斯氧化裝置順利通過國家發改委組織的專家團評議。2007年12月,成功研制60000Nm3/h氧化裝置。乏風瓦斯熱逆流氧化裝置主要由固定式逆流蜂窩陶瓷氧化床和控制系統兩部分構成。礦井乏風中的甲烷發生氧化反應,生成二氧化碳并產生熱量,反應產生的熱量可以用來取暖或發電。不僅減少了溫室氣體的排放,同時也帶來較好的經濟效益。

3 結語

中國是目前世界上最大的煤炭生產國和消費國,低濃度瓦斯利用技術的開發和創新不但提高了煤礦瓦斯的利用率,使煤礦瓦斯的零排放成為可能,同時也為瓦斯資源的合理利用開辟了嶄新的天地。2009年12月召開的哥本哈根聯合國氣候變化會議上,中國高調提出溫室氣體的減排目標:到2020年我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%,目前我國正處在經濟高速發展階段,節能減排面臨的形勢依然嚴峻。其中煤礦瓦斯的抽采以及合理利用,尤其是低濃度瓦斯的合理利用對控制溫室氣體的排放,發展低碳經濟、促進我國能源的綜合利用,實現煤炭企業的可持續發展都有重要的現實意義。

[1]劉 平,胡 敏.淺談煤礦瓦斯的綜合利用[J].中州煤炭,2009(7):41-43.

[2]郭 東.低濃度煤層氣資源利用現狀及效益分析[J].中國煤層氣,2008(3):42-48.

[3]李 洪.中國煤礦企業低濃度瓦斯的安全利用[J].中國煤炭,2009(1):14-16.

[4]寧成浩,陳貴鋒.我國煤礦低濃度瓦斯排放及利用現狀分析[J].能源環境保護,2005(4):1-5.

[5]張新華.對我國煤礦瓦斯利用技術研究及探討[J].科技信息,2008(23):309-340.

[6]孫 恒,朱鴻梅,舒 丹.一種低濃度煤層氣低溫液化分餾工藝的模擬與分析[J].低溫技術,2009(8):21-23.