煤層氣綜合利用現狀與實踐

＊周營振 張小寧 王李平 楊飛 劉樂

（陜西彬長大佛寺礦業有限公司 陜西 713500）

煤層氣綜合利用是一個包含社會效益、經濟效益、環境效益和安全效益的綜合項目，是煤礦多元化發展的重要途徑。通過總結分析煤層氣相關文獻可知，羅申國[1]分析我國煤層氣利用現狀，探討不同濃度瓦斯的利用方法和存在問題，并提出整改意見。徐云飛[2]研究了李陽煤業瓦斯抽采以及綜合開發利用途徑，分析利用瓦斯帶來的各方面效益并提出有效意見。閆亮[3]研究了馬蘭煤礦瓦斯涌出情況，分析抽采方式以及礦井發電利用情況。崔中桐[4]以新田煤礦為背景，以節能減排為目標開發智能礦山、瓦斯高效綜合利用發電以及回收利用燃氣通過余熱鍋爐供暖。張麗民[5]研究與余吾煤業瓦斯綜合利用現狀，通過乏風氧化、瓦斯發電、瓦斯抽采等利用方式每年創造巨大的環境和經濟效益。曹帥[6]研究了彬長礦區文家坡煤礦的瓦斯綜合利用現狀，分析了工作面邊抽邊采、鄰近層、定向鉆孔和采空區瓦斯抽采結合，瓦斯綜合利用包括地面預抽、低濃度瓦斯發電和乏風發電的方法，多種利用方式在彬長成功實行。煤層氣利用現狀是體積分數30%以上的高瓦斯用于提純供應民用和工業用氣，體積分數8%～30%用于內燃機發電，且技術比較成熟，8%以下瓦斯與空氣混合至1%～1.2%通過乏風氧化蓄熱。

目前煤層氣利用存在問題有瓦斯抽采效率不高，商業化利用率低，僅應用于供應燃氣、瓦斯發電、汽車燃料等，化工主要用于合成氨、合成油等。開發期望過高，一次性投資成本大，煤礦瓦斯量持續減少，且低濃度瓦斯利用率較低。本文通過研究彬長大佛寺礦瓦斯抽采和綜合利用方式，分析現狀總結經驗，為進一步擴大瓦斯綜合利用事業提供經驗。

1.實驗分析

(1)地質分析

彬長煤田瓦斯賦存量高，根據鉆孔瓦斯含量統計及實際揭露情況：地下水活動滯怠，延安組裂隙承壓含水巖組賦水性弱，所以地下水活動對該處煤層瓦斯的影響較小；煤層頂板多為泥巖，炭質泥巖，底板多為鋁土泥巖，厚度較大且整體性好，對瓦斯保存有利；煤層穩定，結構簡單，煤質呈黑色，塊狀，半暗型，玻璃光澤，階梯狀斷口，視密度為1.39t/m3，局部含有1～2層夾矸，厚度0.1～0.3m；整個煤田所在區域斷層、褶曲等構造相對較少，整體地質環境對煤層瓦斯的保存有利；煤層瓦斯含量與煤層厚度、埋深具有一定的正相關性，即隨著煤層厚度、埋深的增大，煤層瓦斯含量緩慢增大，彬長煤田埋深在600～900m左右，屬埋深較深煤層。經煤質化驗，煤層瓦斯賦存量較高，具備開采價值。

(2)煤質分析

大佛寺主采煤層4#煤層都是低熱變質煙煤層，為不粘煤層31號，煤質分析見表1。

表1 煤質分析

(3)瓦斯吸附解吸

①瓦斯吸附

圖1 4#煤等溫吸附曲線

結合表1可知煤中水分越高，可能占據的有效吸附點位就越多，相對留給甲烷分子有效點位就會減少，煤的飽和吸附量就會降低。因而隨著煤基質水分的增加，蘭氏體積呈減小趨勢，而灰分對甲烷氣體沒有吸附效應，因此灰分含量的增加，必然會導致蘭氏體積的減少。

②瓦斯解吸

由圖2可知殘余氣含量為零或者非常低，甲烷氣體幾乎得到解吸，損失氣體含量較大，用直接法計算的損失氣含量明顯偏低。根據排采數據分析，實際損失氣量最高可達30%以上。

圖2 4#煤樣解吸速率

(4)煤層滲透性

①裂隙特征

表2 裂隙特征

表3 滲透率特征

4#煤層裂隙寬度較大，平均10～38μm，密度一般3～5條/10cm，滲透性較好。

②滲透率

可知4#煤層滲透率為3.06～5.73mD，主煤層滲透率較大，滲透性較好。

2.煤層氣抽采

(1)我國煤層氣抽采

由圖3可知我國煤層氣抽采量波動范圍較小，整體利用率有小幅度上升，但是相比于發達國家利用率較低，抽采量較高但是利用量和利用率有待提高。

圖3 2010—2018年煤層氣抽采、利用統計

(2)大佛寺煤層氣抽采

表4 煤層氣抽采

大佛寺煤礦含煤層氣資源面積75.42km2，總資源量25.23×108m3，可采資源量為18.92×108m3，資源豐富度為0.33×108m3/km2。2022年23口井目前以直井為主，輔以多分支水平井和U型分支水平井，其中多分支水平井產量最高，結合采前預抽、區域預抽、掘前預抽、高位定向鉆孔、和頂板釋放孔，2022年煤層氣抽采大約為4563萬m3，通過與天然氣公司和發電廠合作，滿足民用燃料的同時實現經濟價值。

3.煤層氣瓦斯發電

(1)瓦斯利用途徑

由圖4可知高濃度瓦斯≥80%占比最少，其可直接應用于汽車、工業、民用燃料；中高濃度瓦斯（30%≤CH4體積分數＜80%）應用范圍廣，可以發電或者提純后壓縮作為汽車燃料；低濃度瓦斯（8%≤CH4體積分數＜30%）可應用于發電利用；超低濃度瓦斯（CH4體積分數＜8%）通過乏風蓄熱氧化發電技術、瓦斯直燃技術進行利用。

圖4 瓦斯體積分數占比

(2)低濃度瓦斯發電

①大佛寺煤礦一期、二期瓦斯發電

瓦斯發電至今累計發電7.5億度，銷毀利用瓦斯純量3.6億Nm3，累計減排CO2當量360萬噸，節約標煤20萬噸，有效減少了環境污染，降低溫室氣體排放。在2022年低濃度一期發電總量為3400萬度，低濃度二期年發電總量1587萬度，低濃度黃陵發電廠全年累計發電量為3900萬度。

②大佛寺煤礦通風瓦斯（乏風）氧化發電

發電公司將1#、2#風井0.2%～0.75%和抽采體積分數低于8%的瓦斯混合氣體輸送到氧化裝置摻混點，自動混合為0.9%～1.0%，供氧化裝置氧化反應，產生蒸汽推動汽輪發電機發電，實現低濃度瓦斯回收利用，項目年發電3200萬度，年減排CO2當量約56萬噸。

③大佛寺煤礦低濃度瓦斯直燃技術發電

計劃將瓦斯直燃項目7%～8%瓦斯直接輸送至直燃裝置進行燃燒，燃燒均勻且強度高達2500kW/m2。該技術設計了獨特的點火和燃燒器，迷宮式的溫度場，保障低濃度瓦斯安全點燃、穩定燃燒，確保系統安全穩定運行。該項目建設規模為4MW，每年實際銷毀低濃度瓦斯73.6萬m3，減排CO2當量約1.45萬噸，每天供應熱水145t滿足員工洗浴。

(3)低濃度瓦斯發電煙氣余熱利用

煙氣開發項目通過24臺燃氣機組產生的煙氣余熱 建設4×2.4t/h+3×2t/h余熱鍋爐，將產生2.45MPa、400°、15.6t/h過熱蒸汽，送至4.5MW汽輪發電機組用于發電，同時利用煙氣余熱可為大佛寺煤礦4000余職工提供生活和洗浴用水，每年節省標煤5363t，為節能減排做出貢獻。

4.煤層氣開采利用存在問題及建議措施

(1)存在問題

①煤層氣開發期望過高，注意力集中于工程實踐，資金投入與產出不成正比。

②低濃度瓦斯利用技術有待提高，特別是瓦斯直燃技術和乏風瓦斯發電技術不成熟，目前發電和供熱成本較高。

③高濃度瓦斯打井開采和發電成本高，政府補貼不穩定，且煤層氣提純主要用于民用和發電，工業利用途徑少。

④項目立項與審批手續復雜，周期較長，極大延誤了煤層氣開發與利用項目進度。

(2)措施建議

①對煤層氣開采保持清醒認識，注重實驗研究與工程實踐結合，避免無效投入。

②堅持煤層氣開發“四個統一”原則，由國家企業統一標準化開采建設，嚴格執行“先抽后采”政策方針，將采煤采氣一體化、井下和地面抽采充分結合。

③針對煤層氣“三低現象”，堅持理論與技術創新，將低濃度瓦斯應用技術進一步推進，加大科研投入與關鍵技術研發力度。

④加強政府的扶持力度，穩定發電和抽采補貼，促進企業發展，擴寬煤層氣利用渠道，簡化項目的行政審批手續，加快項目建設。

5.結論

彬長礦業煤層氣綜合利用應因地適宜，地面開采就地利用、余氣外輸，實現高濃度煤層氣商業化。低濃度通過發電利用，鼓勵煤礦自產自用，余電并網銷售，自給自足的前途下創造效益，將超低濃度瓦斯進行回收利用，選擇氧化后再供熱、瓦斯直燃技術等方式利用。煤層氣綜合利用不僅符合當下清潔能源的政策，而且提高煤礦安全生產的同時為企業帶來新的經濟增長點，實現資源、環境和社會效益最大化。