廢棄煤礦低濃度瓦斯資源化利用方式探究

趙 彥 于志軍 陳廣生 汪 偉

(1.中節能寧夏新能源股份有限公司，寧夏 750002；2.中節能工業節能有限公司，北京 100044)

1 前言

自2015年以來國家實施的煤炭去產能政策，促進了能源供給側結構的改革，因此資源枯竭和淘汰過剩產能關閉的煤礦數量也相應大幅增加。煤礦關閉后，其殘存煤中賦存很大瓦斯資源，總量約在1132.7～2187.2億m3之間，專家學者普遍認為，目前廢棄煤礦瓦斯資源量極具開發價值，前景廣闊。

我國煤礦瓦斯的排放位于世界第一，但因瓦斯濃度低，產量不穩定等因素難以滿足工業和民用的要求，但從保護生態環境、新能源開發及廢棄煤礦安全隱患治理等方面考量，廢棄煤礦低濃度瓦斯資源的開發已受到各方面高度的重視。早在多年前，國家已開展了廢棄煤礦低濃度瓦斯資源方面的開發利用，也取得了顯著得成效，在開發廢棄煤礦低濃度瓦斯資源一舉三得(安全、環保、經濟)的效應下帶動了開發和利用技術的不斷完善和發展。

2 廢棄煤礦低濃度瓦斯資源利用的三種方式

2.1 低濃度瓦斯乏風氧化利用

“乏風”是礦井通過排風系統將瓦斯排出，通常瓦斯中的甲烷濃度低于0.75%，乏風甲烷是國內煤礦瓦斯主要利用方式，據相關統計，中國的乏風排放量超過150億m3/年，等同于西氣東輸的一年輸氣總量，溫室氣體效應相當于排放2億t CO2。解決廢棄煤礦乏風排放造成的資源浪費以及生態環境污染的問題，對增加經濟效益和社會效益等各方面來講，低濃度瓦斯乏風氧化技術處理顯得尤為必要。

熱逆流再生氧化技術、氣體廢氣催化氧化技術是乏風氧化的兩種主要方式。廢棄礦井乏風氧化利用原理是將廢棄礦井的低濃度瓦斯與礦井乏風混合，進行氧化反應，利用氧化反應產生的熱能，可用于熱交換、發電、制冷、采暖等資源。

熱逆流蓄熱氧化技術：通過外部高溫熱源將組合式陶瓷蓄熱體氧化床中心區域溫度加熱到甲烷發生氧化反應所需溫度，然后通入摻混后的將低溫(10℃～30℃)的礦井乏風，乏風發生氧化反應并放熱。通過不斷改變氧化床內的氣流方向，使氧化床中心區域始終保持高溫。通過內部換熱器將自身反應多余的熱量除去，并加以利用。該技術主要通過雙向流動反應器實現，該反應器允許氣體(乏風)和固體(高效地存儲在傳熱換熱裝置)之間的再生熱交換。熱逆流蓄熱氧化技術在乏風氧化技術中的應用已經十分成熟，可靠性高，缺點就是初期投資較大，對氧化床內的溫度進行實時監測，整個系統監控點多，需控制設備多，控制系統復雜，對用戶水平要求較高，用戶很難在短時間內掌握。

乏風催化氧化技術采用電加熱啟動法。加熱開始后，利用催化反應室中的乏風瓦斯氧化產生的高溫煙氣將預熱器內的空氣預熱到可反應的溫度。然后進入催化氧化反應室進行催化氧化。從而達到降低C-H化合物、CO、NOx等污染物的排放，甚至實現零排放，同時，提取瓦斯催化氧化產生的部分熱量，促成能源的有效利用。乏風催化氧化技術是通過改變反應流向來實現，該方式結構簡單、啟動快、投資小，缺點是催化劑的持續時間有限，需要定期更換氧化劑和維護工作。

2.2 低濃度瓦斯發電

我國廢棄煤礦排采的瓦斯濃度大部分比較低且不均勻，而地面卸壓鉆孔瓦斯濃度相對較高(CH4>30%)，需要保證低濃度瓦斯發電機組在氣體遠距離安全輸送的重要保障前提下，采用廢棄煤礦瓦斯負壓抽采技術，通過低濃度瓦斯氣體內燃機進行發電，這也是廢棄煤礦低濃度瓦斯資源利用的最廣泛的方式。

低濃度瓦斯中CH4含量低，成分不穩定，根據執行器控制燃料供給系統進行瓦斯氣體和空氣的空燃比的精準控制(CH4濃度控制在9%左右最佳)，通過控氣配比系統和空燃比配比系統自動調節混合器控制閥開度使廢棄煤礦的低濃度瓦斯(CH4<30%)或超低濃度瓦斯(CH4≈1%)和地面卸壓鉆孔較高濃度瓦斯(CH4>30%)進行負壓自動配比，充分混合后達到低濃度瓦斯內燃機爆炸做功條件(甲烷濃度5%～16%)和流量穩定的組分，經過配比后的瓦斯在氣缸內充分爆炸做功，并形成能量轉化，帶動聯軸器使發電機發電。通過燃料混合配比，同時解決了低濃度和超低濃度瓦斯CH4含量低、流量大得不到充分利用和地面卸壓鉆孔濃度瓦斯的問題，這樣既降低了低濃度瓦斯機組熱負荷和回火率，保障了機組安全平穩運行，又提高了廢棄煤礦低濃度瓦斯資源利用率。燃氣發電機組具有燃料氣體適用性強、安裝便捷、維護簡單、熱效率高(36%～40%)等優點。使用低濃度瓦斯氣體內燃機組發電，具有建設周期短、投入少、電站移動方便(集裝箱式機組)，對燃料濃度變化適應性強等優勢。

2.3 低濃度瓦斯提純

低濃度瓦斯提純目前的方法主要有三種：變壓吸附濃縮法、低溫液化分離法、滲透分離法。

變壓吸附濃縮法(PSA)是通過常壓吸附和真空脫附的原理，利用吸附劑的平衡吸附，隨著組分特性的壓力增大，用這種方法從低濃度的甲烷氣體中分離出來，主要通過增壓風機引入低濃度氣體吸附塔，吸附劑選擇性吸附低濃度甲烷氣體，但它們都不是吸附低濃度氣體的吸附塔，而是通過真空泵將甲烷吸附在吸附劑上汽提，以獲得豐富的甲烷氣富集。該方法可使低濃度氣體中CH4含量由15%提高到95%以上，達到CNG/LNG的熱值水平。

低溫液化分離法是按照每一種組分各自蒸發溫度的差別，將低濃度瓦斯進行冷凝為液體，從而達到分離目的。隨著低溫深冷技術的不斷發展，許多國家相繼開發了低溫液化分離瓦斯氣體的技術并應用，采取低溫精餾法、氮膨脹制冷循環法等，實現含氧低濃度瓦斯的分離合液化，主要工藝是將低濃度瓦斯通過壓縮后提高氣壓，進入分子篩的同時將二氧化碳和水脫離，然后干燥并進入冷卻系統降溫，再經過分餾塔蒸餾、冷凝處理，將塔內的氣體和液體餾分，進行充分的質熱交換，在分餾塔頂部得到氮氣，塔底部得到的液態甲烷。

滲透分離法是將低濃度瓦斯氣體通過裝有隔膜的滲透裝置，達到篩離效果，同時收集隔膜兩側氣體，實現低濃度瓦斯的提純。

采用上述幾種提純低濃度瓦斯技術，經過一級或多單元處理，可加工成常規天然氣的標準的產品或其他工業級的產品，不但可以減少大量的碳排放，還可以調節我國能源結構，減輕天然氣緊缺的壓力。

3 效益前景分析

由于我國煤礦地質情況復雜，礦井在關閉廢棄后沒有得到妥善規劃，而廢棄煤礦低濃度瓦斯資源有效的再利用，不僅可以有效防止環境污染，還緩解了國內氣體能源緊缺的問題，解決了煤礦關閉報廢后遺留的重大安全隱患和生態環境污染問題。

本文對廢棄煤礦低濃度瓦斯資源化利用的三種應用方式進行了探索和研究，并對這三種應用方式總結如下：

(1)低濃度乏風氧化方式的應用。在我國正處于起步階段，現有乏風氧化技術水平和關鍵技術還存在一定問題，同時煤礦乏風氧化利用項目的經濟效益差也是影響其規?；l展的重要因素之一。如果國家碳排放交易市場制度完善，啟動CCER機制后，預計會有效地提高乏風瓦斯利用項目經濟性，在符合經濟性條件的廢棄煤礦可進行推廣應用。

(2)低濃度瓦斯發電方式的應用。在瓦斯抽采過程中，氣量、濃度、壓力不斷變化，而通過廢棄煤礦地面卸壓鉆孔和抽放泵站負壓抽采的瓦斯，經與空氣配比成低濃度瓦斯發電機組所需的燃料進行發電的方式，極大的促進了資源化再利用的發展，并且瓦斯通過內燃機的充分燃燒，解決了廢棄煤礦重大安全隱患，實現了溫室氣體的減排，增加清潔能源電力供應。由于該技術成熟、安全輔助系統完善可靠、相關政策支持，在國內應用較為普遍，是目前解決廢棄煤礦低濃度瓦斯資源利用最好的方式。

(3)低濃度瓦斯提純方式的應用。將低濃度瓦斯利用由單一發電的方式拓展了更多的用途，豐富了我國清潔能源產業結構還減少了環境污染。通過便捷提純或分離裝置將低濃度瓦斯濃縮、提純、液化后應用在工業或民用領域，目前低濃度瓦斯提純技術正從初級研究階段走向產業化，通過提純脫氧后制成CNG和LNG會有廣闊的市場，雖然現在許多科研機構和院所進行了大量的研究，但是在提純工藝和裝置上仍存在很多問題，相關材料制作過程復雜且成本過高，所以目前來講，低濃度瓦斯提純的效果不佳，維護和輔材成本較大，整體經濟效益不佳。