低濃度煤層氣利用技術研究現狀及應用展望

陳春雷

阜礦集團煤層氣公司 遼寧阜新 123000

煤層氣屬于一種非常規天然氣，是煤炭開采生產中的附加物，煤層氣成分為甲烷，是高效而清潔的優質能源，通過合理利用煤層氣，能夠起到優化能源結構、保證生產安全、避免生態環境、節約社會能源的作用。低濃度煤層氣由于甲烷含量較低，通常情況下不能維持燃燒，甚至無法點燃，在煤炭生產中，低濃度煤層氣難以實現直接利用，主要通過直接排放到空氣中的方式處理，不利于環保和能源利用。當前我國已經針對低濃度煤層氣的有效利用進行了大量嘗試，并且取得一定成果，對發揮煤層氣的環保和節能作用具有重要價值。

1 低濃度煤層氣主要利用技術

1.1 直接利用

低濃度煤層氣中的甲烷含量并不穩定，對于濃度較高的煤層氣，可以通過建設管道的方式，直接提供給用戶，還能夠將其送到已經建成的天然氣管道中，與天然氣混合提供給用戶，可充當化工原料、工業燃料以及發電原料等。高濃度甲烷氣體在經過壓縮后，其能夠通過調壓計量、凈化液化的方式生產LNG 產品，便于運輸和保存，可以充當汽車燃料、工業燃料或者居民生活能源。

1.2 甲烷提純

甲烷提純的主要方法是利用深冷液化，將煤層氣中含有的甲烷氣體提煉分離出來。在甲烷提純中，原理為利用甲烷氣體的沸點與其他氣體存在差異，在低溫環境下通過蒸發精餾的方式，獲得高純度的甲烷氣體，其工藝關鍵點包括制冷循環、儲存、精餾、凈化、壓縮、輸送等。

1.3 瓦斯發電

現階段瓦斯發電已經成為一項較為成熟的煤層氣利用技術，包括內燃機發電、輪機發電以及鍋爐汽輪機發電。首先，內燃機發展主要以瓦斯為燃料，推動連桿持續做功，將機械能高效轉變為電能，該技術穩定性好、啟停時間短、發電安全、運行靈活，對瓦斯的濃度和流量沒有嚴格要求；其次，輪機發電，其主要裝置包括燃燒室、壓氣機以及汽輪機，生產原理為：空氣和瓦斯在燃燒室內充分燃燒，產生的高壓高溫煙氣膨脹后促使電機運行發電，該技術具有壽命較長、成本低、體積小、功率大等優勢，但是對瓦斯壓力有嚴格要求，當前尚未有完善的技術可以解決低濃度瓦斯的應用問題；最后，鍋爐汽輪機發電，該技術的主要原理為：通過直接燃燒瓦斯，產生的熱能轉化為蒸汽，通過蒸汽帶動汽輪機運行完成發電，該技術的有點為對瓦斯濃度要求不高，缺點為利用率低、耗水量大、建設時間長、工藝復雜，缺乏安全性。

1.4 蓄熱氧化利用

該技術的主要原理為：在啟動系統后，通過燃燒燃料或者電加熱器等方式，預熱蓄熱填料，對溫度進行科學控制，根據甲烷濃度設計點火溫度；在完成預熱工作后，瓦斯從蓄熱室一側通入，經過氧化反應變為煙氣，從蓄熱室另一側排出，通過不斷的氧化反應可以維持床層溫度，保證氧化反應處于平衡狀態。該技術需要使用催化劑，其主要為金屬催化劑，價格昂貴，因此運行成本較高。

2 低濃度煤層氣利用技術研究現狀以及發展前景

2.1 直接利用

煤層氣直接利用對甲烷濃度具有一定要求，含甲烷30%以上的瓦斯才能直接利用，當前該技術已經在我國大部分地區獲得廣泛推廣，例如在重慶地區，截至到2019 年底，已經有超過300 萬的用戶直接利用煤層氣獲得能源，全國煤層氣民用量已經達到了15億m3，隨著我國經濟和技術的發展，直接利用技術的發展前景必將更為廣闊。

2.2 甲烷提純

甲烷提純技術起源于上世紀七十年代，在美國煤炭開采中獲得廣泛應用，后期傳入澳大利亞、德國、英國以及日本等國家。美國在提純甲烷中，主要通過脫氧、液化、分離等工藝，并且取得顯著的研究成果。近些年隨著澳大利亞煤礦行業的發展，甲烷提純技術也獲得快速發展，其在應用深冷液化技術的同時，還加大了對LN G制取項目的建設，但是受到環境治理、廢水污染、經驗不足以及資源開發等因素的制約，項目建設規模較小。

2.3 瓦斯發電

目前瓦斯發電技術已經在我國獲得廣泛應用，其技術相對成熟，尤其隨著近些年瓦斯發電裝備的發展，能夠實現瓦斯能源的高效利用，對推動技術進步和革新起到了關鍵作用。例如貴州五輪山煤礦，其利用先進的瓦斯發電設備月產電量已經突破了2054 萬kWh，利潤可達百萬以上；又例如淮南礦業，其已經建設了12座瓦斯發電站，用于企業生產和居民供電。隨著瓦斯發電行業的快速發展，我國大部分地區都要積極探索和建設瓦斯發展新模式，成為了煤礦企業增效的關鍵途徑，具有顯著的社會效益、經濟效益以及生態效益。

2.4 蓄熱氧化利用

該技術屬于瓦斯能源化利用的新技術，目前尚未在全世界進行普及，但是該技術能夠實現能源的高效利用，具有廣闊的發展前景。當前在蓄熱氧化利用中，僅有的德國、美國和中國幾家企業進行工程實踐，從目前取得的成果分析，我國與德國、美國企業在技術能力方面依然存在一定差異，在2013 年勝利集團在山西建立了蓄熱氧化系統，已經投入運營取得了顯著成果。

3 結語

總而言之，隨著節能減排政策的深入，加速低濃度煤層氣利用，可以避免對環境造成污染，提升能源利用效率，增加企業收入，實現煤層氣的社會效益和生態效益，對促進社會發展具有重大意義。