煤层气综合利用现状及趋势研究

2020-03-08黄宇

工程技术研究 2020年19期

黄宇

（新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队，新疆乌鲁木齐 830001）

煤层气是一种洁净且优质的能源，具备广阔的应用前景。然而，从其现状来看，国内煤层气的利用效率不高，主要是因为国内煤层透气性不理想，且抽采率和抽采浓度偏低，这对煤层气的高效利用不利。此外，国内煤层气利用技术及途径单一化也影响了煤层气的利用率[1]。从煤层气综合利用效率提升的角度考虑，文章主要围绕煤层气综合利用现状及趋势进行分析与研究，具备一定的价值意义。

1 煤层气综合利用现状

煤层气主要成分为甲烷，属于洁净且优质的能源，作为一类非常规天然气，其具备广阔的应用前景。国务院办公厅于2013年颁布的《关于进一步加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的意见》明确指出：需通过提高煤层气利用补贴、税费政策支持以及科学技术创新等方式，使煤层气的利用率提高。目前，我国煤层气综合利用效率仍然较低。下面主要从煤层气的抽采、利用两方面对其现状进行分析。

1.1 抽采现状

从早期《煤矿安全规程》中相关规范标准可知：煤层气的使用，需保证其浓度≥30%，不达标则采取直接排空处理。因国内煤层透气性不理想，大多数抽采煤层气浓度＜30%，从而导致煤层抽采率偏低。相关数据调查显示，我国2005年大多数矿井抽采率＜50%，大约50%的矿井抽采率＜30%。《煤矿安全规程》（2010年）中取消了针对浓度在30%以下的煤层气，明确在内燃机发电中需通过低浓度煤层浓缩处理后才可以投入应用这一条规范；进一步对煤层气抽采与利用范围给予适当放宽，甲烷浓度处于6%～30%的煤层气得到了广泛的推广与利用[2]。然而，对于浓度＜5%的煤层气，称之为超低浓度煤层气，因缺乏成熟的技术作为有效支持，导致利用难度显著增加，针对超低浓度煤层气则通过直接排空的方式处置。目前，国内煤层气抽采率还有待进一步提升。此外，从我国煤层气抽采率来看，2019年年底全国煤层气抽采规模超过了200亿m2，未来仍有上升的趋势，采取有效措施及创新技术，对显著提升煤层气的综合利用效率尤为重要[3]。

1.2 利用现状

结合相关数据调查可知，我国的抽采煤层气利用量虽呈现持续增长的趋势，然而在利用率方面则仍旧呈现＜50%的局面。相关数据调查显示，在2011—2013年，抽采煤层气利用率分别为46.1%、41.1%、42.30%，不升反降趋势明显；其中，井下抽采煤层气利用率不足40%，其浪费状况明显；而地面抽采煤层气，因甲烷的浓度比较高，所以具备较高的利用率，大概可达到80%。然而，国内大多数煤层透气性不够好，导致地面抽采成本偏高，且效率偏低，推广性不强。从现状来看，国内抽采煤层气中，地面抽采率在总抽采量中所占比重大约只有20%。研究表明，要想提升地面抽采煤层气量，就需增加煤层的透气性[4]。为此，有必要掌握先进的科学技术，以促进煤层透气性的增加，从而提高国内抽采煤层气的利用率。

2 煤层气综合利用趋势

煤层气综合利用，即针对不同浓度的煤层气综合利用，使其资源价值得到最大程度的展现，使浪费率明显降低。就煤层气综合利用趋势层面而言，在诸多领域都具备广阔的应用前景，具体如下。

2.1 煤层气民用

虽然煤层气民用是一种传统的煤气层利用方式，但是其利用量高，仅排在煤层气发电之后，可见其利用前景广阔。煤层气民用主要对甲烷浓度在35%～40%的煤层气加以应用。由于煤层气含氧，不可进行高压输送，因此需以就近利用为原则，保证当地的居民及煤矿员工日常用气需求得到有效满足[5]。与此同时，由于煤层气燃烧不会产生污染空气的杂质，且煤层气价格相较于天然气更具优势，因此可以起到节省成本的作用，可在有条件的居民及企业中推广应用。此外，煤层气民用也存在一定的局限性：其一，煤层气民用要求浓度偏高；其二，因为煤矿开采区域大多数偏僻，区域内居民不多，且居民分布呈现分散状态，煤层气民用的推广存在很大的困难性，进而导致利用量偏低，所以必须采取技术方法、现代化运输手段，提升煤层气民用效率。

2.2 煤层气发电利用

从国内现状来看，煤层气发电为煤层气利用的主要途径。早在19世纪80年代，煤层气发电利用燃气轮机设备，所采取的是甲烷体积分数＞40%的高浓度煤层气。国内煤层气中＞70%的甲烷体积分数在30%以下，由于受到气源的限制，使得高浓度煤层气发电很难得到进一步的发展，因此煤层气发电的主流趋势倾向于低浓度的煤层气。低浓度煤层气主要借助内燃机设备实现有效发电，通常对甲烷体积分数在5%～25%的低浓度煤层气加以利用。在自动调节设备装置的基础上，使甲烷体积分数控制在6%，然后送入内燃机中带动发电。当然，低浓度煤层气发电也存在一些技术难题，具体表现为：（1）需有针对性地研发相关技术，并在煤层气输送管道加设阻火装置，从而有效避免煤层气回火的发生。另外，金属阻火网阻火技术、细水雾输送技术以及水封阻火技术等，均能够解决此类问题。（2）对于发电设备，有必要使其与煤层气的浓度及压力变化相适应。在发电设备前端位置安装自动控制混合装置及增压器等设备，在保证煤层气送入发电系统后，煤层气能够保持稳定性，使发电设备与煤层气的浓度及压力变化充分适宜，避免煤层气利用不充分的情况出现。

2.3 煤层气浓缩利用

煤层气浓缩利用是煤层气综合利用未来发展趋势之一，指利用变压吸附浓缩、深冷液化分离以及溶液吸收法等技术方法，脱除煤层气中的氧和氮，将煤层气制作成压缩天然气（CNG）或者LNG（液化天然气）产品，进而提升煤层气的运输便利及利用效率。具体技术方法如下：

（1）变压吸附浓缩技术。该技术方法的优势突出，操作灵活，且分离能耗低。在煤层气分离过程中，变压吸附分离技术的应用主要对可选择吸附甲烷、氮气及氧气的吸附剂进行制备。例如，国内有学者利用高效吸附专用煤基碳分子筛对煤层气进行浓缩处理；还有研究者通过使用专用吸附剂，使其在煤层气甲烷富集及脱氧中发挥作用。此外，因为受到含氧煤层气只能实行低压操作的限制，设备体积庞大，且设备成本偏高，所以在大规模应用方面的推广力度不足。对此，有必要进一步改进变压吸附浓缩技术，使其在煤层气浓缩的推广价值得到有效提高。

（2）深冷液化分离技术。该项技术主要基于低温条件下对低浓度煤层气进行液化处理，进一步将煤层气的甲烷分离出来，使其生成LNG，此类产品的附加值很高，具备广阔的发展空间。在相同的情况下，LNG体积与甲烷气体体积的比值为0.0016∶1，其运输成本更低，且运输更加便利、灵活[6]。因此，可以利用深冷液化分离技术，液化处理浓度煤层气，然后投入应用，提升煤层气综合利用效率。

（3）溶液吸收技术。通过此项技术的应用，可以实现对含氮天然气的提纯处理。例如，美国AET公司研发了一种基于低温条件下采取溶液吸收法对含氮天然气进行分离的技术，该技术以相似相溶原理为依据，采用烃类溶积吸收混合气体中的甲烷，然后通过闪蒸的处理方法获取高纯度的甲烷。

2.4 通风煤层气利用

通风煤层气有很广阔的利用前景，有必要重视通风煤层气的利用。而从煤矿通风煤层气的利用方式来看，主要体现在两方面：（1）作为主燃料。由于通过逆流热氧化法或催化氧化法，其不需要其他燃料辅助，能够作为主燃料，因此可带动设备持续正常稳定作业。值得注意的是，通风煤层气甲烷含量比较低，不能用于燃烧，对此可应用热力双向流化反应器或者催化媒双向流化反应器，对低浓度甲烷气体进行利用。（2）作为辅助燃料。比如将通风煤层气通过技术处理后，用于电厂辅助燃烧空气。例如，在煤矿坑口电站、煤矿煤层气发电站等与煤矿较近的场合中，可以将通风煤层气当作空气源，从而使煤矿通风煤层气得到有效利用。总之，通风煤层气利用也具备一定的前景，不过从现状来看其推广局限性较大，需重视技术的提升，使通风煤层气的利用效率得到有效提高。