低浓度煤层气利用技术研究现状及应用展望

2021-11-23陈春雷

商品与质量 2021年4期

陈春雷

阜矿集团煤层气公司辽宁阜新 123000

煤层气属于一种非常规天然气，是煤炭开采生产中的附加物，煤层气成分为甲烷，是高效而清洁的优质能源，通过合理利用煤层气，能够起到优化能源结构、保证生产安全、避免生态环境、节约社会能源的作用。低浓度煤层气由于甲烷含量较低，通常情况下不能维持燃烧，甚至无法点燃，在煤炭生产中，低浓度煤层气难以实现直接利用，主要通过直接排放到空气中的方式处理，不利于环保和能源利用。当前我国已经针对低浓度煤层气的有效利用进行了大量尝试，并且取得一定成果，对发挥煤层气的环保和节能作用具有重要价值。

1 低浓度煤层气主要利用技术

1.1 直接利用

低浓度煤层气中的甲烷含量并不稳定，对于浓度较高的煤层气，可以通过建设管道的方式，直接提供给用户，还能够将其送到已经建成的天然气管道中，与天然气混合提供给用户，可充当化工原料、工业燃料以及发电原料等。高浓度甲烷气体在经过压缩后，其能够通过调压计量、净化液化的方式生产LNG 产品，便于运输和保存，可以充当汽车燃料、工业燃料或者居民生活能源。

1.2 甲烷提纯

甲烷提纯的主要方法是利用深冷液化，将煤层气中含有的甲烷气体提炼分离出来。在甲烷提纯中，原理为利用甲烷气体的沸点与其他气体存在差异，在低温环境下通过蒸发精馏的方式，获得高纯度的甲烷气体，其工艺关键点包括制冷循环、储存、精馏、净化、压缩、输送等。

1.3 瓦斯发电

现阶段瓦斯发电已经成为一项较为成熟的煤层气利用技术，包括内燃机发电、轮机发电以及锅炉汽轮机发电。首先，内燃机发展主要以瓦斯为燃料，推动连杆持续做功，将机械能高效转变为电能，该技术稳定性好、启停时间短、发电安全、运行灵活，对瓦斯的浓度和流量没有严格要求；其次，轮机发电，其主要装置包括燃烧室、压气机以及汽轮机，生产原理为：空气和瓦斯在燃烧室内充分燃烧，产生的高压高温烟气膨胀后促使电机运行发电，该技术具有寿命较长、成本低、体积小、功率大等优势，但是对瓦斯压力有严格要求，当前尚未有完善的技术可以解决低浓度瓦斯的应用问题；最后，锅炉汽轮机发电，该技术的主要原理为：通过直接燃烧瓦斯，产生的热能转化为蒸汽，通过蒸汽带动汽轮机运行完成发电，该技术的有点为对瓦斯浓度要求不高，缺点为利用率低、耗水量大、建设时间长、工艺复杂，缺乏安全性。

1.4 蓄热氧化利用

该技术的主要原理为：在启动系统后，通过燃烧燃料或者电加热器等方式，预热蓄热填料，对温度进行科学控制，根据甲烷浓度设计点火温度；在完成预热工作后，瓦斯从蓄热室一侧通入，经过氧化反应变为烟气，从蓄热室另一侧排出，通过不断的氧化反应可以维持床层温度，保证氧化反应处于平衡状态。该技术需要使用催化剂，其主要为金属催化剂，价格昂贵，因此运行成本较高。

2 低浓度煤层气利用技术研究现状以及发展前景

2.1 直接利用

煤层气直接利用对甲烷浓度具有一定要求，含甲烷30%以上的瓦斯才能直接利用，当前该技术已经在我国大部分地区获得广泛推广，例如在重庆地区，截至到2019 年底，已经有超过300 万的用户直接利用煤层气获得能源，全国煤层气民用量已经达到了15亿m3，随着我国经济和技术的发展，直接利用技术的发展前景必将更为广阔。

2.2 甲烷提纯

甲烷提纯技术起源于上世纪七十年代，在美国煤炭开采中获得广泛应用，后期传入澳大利亚、德国、英国以及日本等国家。美国在提纯甲烷中，主要通过脱氧、液化、分离等工艺，并且取得显著的研究成果。近些年随着澳大利亚煤矿行业的发展，甲烷提纯技术也获得快速发展，其在应用深冷液化技术的同时，还加大了对LN G制取项目的建设，但是受到环境治理、废水污染、经验不足以及资源开发等因素的制约，项目建设规模较小。

2.3 瓦斯发电

目前瓦斯发电技术已经在我国获得广泛应用，其技术相对成熟，尤其随着近些年瓦斯发电装备的发展，能够实现瓦斯能源的高效利用，对推动技术进步和革新起到了关键作用。例如贵州五轮山煤矿，其利用先进的瓦斯发电设备月产电量已经突破了2054 万kWh，利润可达百万以上；又例如淮南矿业，其已经建设了12座瓦斯发电站，用于企业生产和居民供电。随着瓦斯发电行业的快速发展，我国大部分地区都要积极探索和建设瓦斯发展新模式，成为了煤矿企业增效的关键途径，具有显著的社会效益、经济效益以及生态效益。

2.4 蓄热氧化利用

该技术属于瓦斯能源化利用的新技术，目前尚未在全世界进行普及，但是该技术能够实现能源的高效利用，具有广阔的发展前景。当前在蓄热氧化利用中，仅有的德国、美国和中国几家企业进行工程实践，从目前取得的成果分析，我国与德国、美国企业在技术能力方面依然存在一定差异，在2013 年胜利集团在山西建立了蓄热氧化系统，已经投入运营取得了显著成果。