低浓度煤矿瓦斯的利用方法

郑顺朝

煤矿瓦斯是赋存在煤层中的一种与煤伴生的气体,通常是指煤矿井下以甲烷为主的有毒、有害气体的总称。水灾、火灾、瓦斯或煤尘爆炸、瓦斯突出以及冒顶是煤矿生产过程中的主要灾害,而瓦斯爆炸是矿井五大自然灾害之首。瓦斯气体的主要成分是甲烷,当空气中甲烷浓度在5.5%～16%之间时,有明火的情况下就能引起瓦斯爆炸。由于煤矿瓦斯突出以及瓦斯爆炸事故频发,严重影响了矿井的安全生产,对煤矿工人的身体健康也造成了极大的负面影响,限制了煤矿的生产进度。国家采取了坚决有力的瓦斯治理措施,在技术管理上提出了“先抽后采、以风定产、监测监控”十二字方针,以确保煤矿的安全生产。“先抽”(即包括井下抽采和地面抽采)是瓦斯防治的基础,也是从源头上治理瓦斯灾害的治本之策和关键之举。我国是世界上最大的煤炭生产国,中国煤矿井下抽放瓦斯虽然已有数十年的历史,但瓦斯抽出率很低,往往不足30%,而且由于抽上来的瓦斯80%的浓度低于5%,按目前的技术水平和相关的安全规程,只能排空难以利用[1]。瓦斯的直接排放,一方面造成了严重的空气污染,因为甲烷具有温室效应,其温室效应是二氧化碳的21倍,对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍;另一方面也造成了严重的资源浪费,纯瓦斯的热值与常规天然气相当,是一种洁净的能源。因此煤矿瓦斯的合理开发利用,尤其是低浓度瓦斯的利用不但可以有效减少温室气体的排放、改善并保护我们赖以生存的大气环境;同时也可以在一定程度上改善我国的能源结构,增加洁净的气体能源,弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足,对促进节能减排,推动低碳经济的发展具有重要意义。

1 低浓度瓦斯的利用现状

国家《煤矿安全规程》规定,甲烷含量低于30%的瓦斯为低浓度瓦斯(煤层气)。近些年,我国瓦斯抽采利用工作取得了重大进展,2005年全国煤矿抽采瓦斯23亿m3,利用 9亿m3,利用率42.6%;2006年全国煤矿抽采瓦斯32.4亿m3,利用11.5亿m3,利用率35.5%;2007年,全国瓦斯抽采47.35亿m3,利用14.46亿m3,利用率为30.5%[2]。2008年煤矿瓦斯抽采量已达到52亿m3。然而,约80%的瓦斯是采用卸压抽和采空区抽瓦斯的方法获得,抽出瓦斯的浓度较低,55%以上的抽采瓦斯浓度低于30%,从总体上看,煤层气抽采进展较快,但利用进度较慢,特别是低浓度煤层气利用率低,多数矿井瓦斯抽放浓度在25%左右,国家《煤矿安全规程》规定,抽放瓦斯利用时浓度不得低于30%,因此目前几乎所有的煤矿都将甲烷浓度低于30%的瓦斯直接放空排入大气。据不完全统计,我国每年在采煤的同时排放的纯瓦斯近200亿m3,与“西气东输”量相当[3]。究其原因一方面与矿井的瓦斯抽放规模有关,许多矿井主要依靠移动抽放泵抽放瓦斯,抽出的瓦斯浓度低[4];另一方面,许多煤矿企业存在“重煤轻气”的观念,煤矿瓦斯抽放仍基于保证煤矿安全生产的目的,观念有待更新,这也限制了抽放瓦斯利用率的提高;其次是技术上,尤其是针对低浓度瓦斯的利用,输送以及提纯的成熟技术较少,煤矿瓦斯的利用主要集中于瓦斯抽采量以及瓦斯抽采率较高的国有重点煤矿区,而且现有煤矿瓦斯利用以民用和工业燃气为主[5]。

2 低浓度瓦斯的利用途径与技术

瓦斯是一种热值高,无污染的宝贵能源,对煤矿瓦斯进行抽放并加以利用,不仅可以减少对环境的污染,还可以给煤矿带来较好的经济效益,因此合理开发和利用煤矿瓦斯具有节能和环保的双重意义。

1)低浓度瓦斯的分离提纯。低浓度瓦斯的提纯技术有变压吸附、膜分离技术以及低温液化技术[6]。提纯后的气体相对于井下抽采的原料气甲烷含量可以达到90%以上,而且氧含量大幅度减少,这样就可以解决低浓度瓦斯气体直接用于民用燃料不能进行长距离输送的问题,扩大了低浓度矿井瓦斯的利用范围,产生规模效益。同时低浓度瓦斯提纯分离也面临设备复杂,投资大,功耗高,市场推广价值低等问题。2)低浓度瓦斯发电。低浓度瓦斯中甲烷浓度在5.5%～16%时具有爆炸危险,甲烷浓度在7%～8%时最易爆炸,当甲烷浓度在9.5%时爆炸威力最强,其速度可达2000m/s～3000m/s,同时产生巨大的能量,低浓度瓦斯发电也正是利用了甲烷的这一特性。低浓度瓦斯发电机组与高浓度瓦斯发电机组工作原理基本一致,都是采用瓦斯爆炸做功发电,不同之处是为保证低浓度瓦斯的安全输送,采用了细水雾输送技术,输送管路上设置湿式水位自控阻火器和金属波纹带瓦斯管道专用阻火器[3]。由我国胜利油田胜利动力机械集团有限公司自主开发的“低浓度瓦斯的细水雾输送技术以及安全利用技术”成功解决了低浓度瓦斯的利用难题,并在安徽淮南煤矿建设了世界首座低浓度瓦斯发电站,于2005年12月25日开机运营,该技术将瓦斯的利用范围扩大到6%以上。截至2010年该项技术推广年瓦斯利用量将达到20亿m3,相当于节省195万 t标准煤,同时减排2500万t CO2。3)乏风瓦斯氧化技术。乏风瓦斯,指煤矿通常采用大量通风来排放的煤矿瓦斯。煤矿乏风有流量大、瓦斯浓度低、浓度波动大的特点,我国每年通过乏风排入大气的甲烷约为 100亿 m3～150亿m3,矿井乏风中的甲烷浓度非常低,一般在0.2%～0.75%之间。由于煤矿乏风中甲烷含量极低,如果进行分离提纯,耗能要远远超过获取甲烷的能量,同时该浓度范围的甲烷不能直接燃烧,目前采取的措施是直接排空[3],造成了巨大的能源浪费和环境污染。因此,如何治理和利用矿井乏风瓦斯,也是目前我国在瓦斯治理及利用方面面临的紧迫任务。我国胜利油田胜利动力机械集团有限公司开发的煤矿乏风甲烷氧化技术是目前国内唯一通过现场工业性试验的技术成果。2007年8月,国内首台乏风瓦斯氧化装置顺利通过国家发改委组织的专家团评议。2007年12月,成功研制60000Nm3/h氧化装置。乏风瓦斯热逆流氧化装置主要由固定式逆流蜂窝陶瓷氧化床和控制系统两部分构成。矿井乏风中的甲烷发生氧化反应,生成二氧化碳并产生热量,反应产生的热量可以用来取暖或发电。不仅减少了温室气体的排放,同时也带来较好的经济效益。

3 结语

中国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国,低浓度瓦斯利用技术的开发和创新不但提高了煤矿瓦斯的利用率,使煤矿瓦斯的零排放成为可能,同时也为瓦斯资源的合理利用开辟了崭新的天地。2009年12月召开的哥本哈根联合国气候变化会议上,中国高调提出温室气体的减排目标:到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%,目前我国正处在经济高速发展阶段,节能减排面临的形势依然严峻。其中煤矿瓦斯的抽采以及合理利用,尤其是低浓度瓦斯的合理利用对控制温室气体的排放,发展低碳经济、促进我国能源的综合利用,实现煤炭企业的可持续发展都有重要的现实意义。

[1]刘 平,胡 敏.浅谈煤矿瓦斯的综合利用[J].中州煤炭,2009(7):41-43.

[2]郭 东.低浓度煤层气资源利用现状及效益分析[J].中国煤层气,2008(3):42-48.

[3]李 洪.中国煤矿企业低浓度瓦斯的安全利用[J].中国煤炭,2009(1):14-16.

[4]宁成浩,陈贵锋.我国煤矿低浓度瓦斯排放及利用现状分析[J].能源环境保护,2005(4):1-5.

[5]张新华.对我国煤矿瓦斯利用技术研究及探讨[J].科技信息,2008(23):309-340.

[6]孙 恒,朱鸿梅,舒 丹.一种低浓度煤层气低温液化分馏工艺的模拟与分析[J].低温技术,2009(8):21-23.