瓦斯利用：张志刚、霍春秀丨煤层气利用技术研究进展

本期看点

煤层气是近20余年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料，全球煤层气资源量超过260万亿m³。煤层气的开发与利用既是保障我国基础能源煤炭安全生产的关键，也能够有效助力“碳达峰、碳中和”目标的实现，对煤炭和煤层气两种资源的健康可持续发展起到积极的促进作用。

本期瓦斯利用分享《矿业安全与环保》刊载的张志刚、霍春秀的学术成果《煤矿区煤层气利用技术研究进展》，与大家一起学习和探讨“十三五”以来煤矿区煤层气利用技术成果、分析推广应用存在的问题以及未来煤层气利用技术优化与发展方向。

01 煤层气利用技术研究进展

随着国家加强煤矿瓦斯抽采管理及煤炭产能的提升,煤矿瓦斯抽采目的已从最初的保障煤矿安全生产转变为采气采煤一体化的综合开发;瓦斯抽采技术也由本煤层抽采和采空区抽采的单一技术逐步发展为井上下立体抽采、井下各种抽采技术组合应用的综合抽采技术。在“十三五”期间,我国加快关闭资源枯竭、灾害严重、与生态环境敏感区重叠的煤矿；推动煤矿向资源富集地区集中；部分高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井关闭或进入收缩性开采，全国煤矿瓦斯抽采量趋于稳定,进入平台期，煤矿瓦斯抽采量每年维持在130亿m³左右。

受煤层气开发方式及开发阶段差异的影响，煤矿区煤层气浓度分布范围广(0.8%~90.0%)，分段利用成为了必然需求。当前初步形成了浓度大于30%的煤层气采用深冷液化提纯技术、浓度为8%~30%的采用煤层气发电技术、浓度小于8%的采用煤层气蓄热氧化技术的全浓度利用技术体系，如图1所示。

液化煤层气具有储存效率高、运输灵活方便的优点，对储气调峰具有重要的意义。煤矿区煤层气(φ(CH4 )>30%)含氧深冷液化技术研究取得了重大进展，形成了以低能耗控制和精馏塔安全保障为核心的成套工艺技术。其技术原理是利用煤层气中不同气体组分在操作压力下的沸点差，在低温低压状态下通过精馏直接分离甲烷和氧、氮成分，工艺系统主要包括原料气过滤与计量、原料气压缩与净化、制冷与液化、LNG 储运等环节。将气柜输送来的煤层气脱水除尘后，加压送至净化装置，脱除二氧化碳等酸性气体；压缩净化后的原料气，送入冷箱，依次经过多级板翅式换热器组与返流冷流体进行热交换，使气体温度逐级降低，降温后原料气进入精馏塔，在精馏塔顶部原料气被部分冷凝为液体，液体在精馏塔中由上向下流动，从精馏塔底部引出的液体即为 LNG。

该技术采用氮循环与混合冷剂循环耦合制冷的方式，对冷箱内部各制冷温区进行合理的冷量分配在低温低压下同时液化分离甲烷与氧、氮组分，同规模能耗可降低 18%以上；精馏塔采用防雷击、防静电、防火源等特殊结构设计确保无火源；开发出具有特殊抑爆性能的规整填料和先进的装填工艺，实现了含氧煤层气直接液化的压缩、净化、液化与分离各流程的安全运行。

变压吸附浓缩技术具有能耗低、操作灵活方便、常温下可连续运行等优势，已广泛应用于钢铁、冶金、石油化工领域。该技术的关键是选取性能优良的吸附剂，不同吸附剂对甲烷和氮、氧等组分的吸附特性不同,决定了低浓度煤层气不同的浓缩工艺。

近年来，科研人员对低浓度煤层气(φ(CH4 ) =20%~30%)的短流程变压浓缩吸附技术进行了大量研究。依托煤基质高性能碳分子筛开发了原料气适用范围较宽的低压短流程提质利用工艺技术，可将φ(CH4 )为20%~30%的煤层气，经过二级或者三级变压吸附浓缩至 90%以上。浓缩产品气中O₂含量控制在1%以下，较常规技术降低能耗15%~20%。其工艺流程如图2所示。

图 2 短流程变压吸附浓缩工艺流程

低浓度煤层气发电技术是将甲烷浓度为8%~ 30%的煤层气稳浓脱水处理后送入发电机组通过燃烧发电进行利用，低浓度煤层气的温度、甲烷浓度稳定性差和液态水含量较高是导致低浓度煤层气发电机组发电效率低、故障率高及增压器等关键部件寿命短的主要原因。近年来针对低浓度煤层气气源稳浓、除尘及深度脱水的技术研究取得了重大突破，该技术以高精度智能混配控制和原料气深度脱水提质两项技术为核心，低浓度煤层气发电提效工艺流程如图 3 所示。

图 3 低浓度煤层气发电提效工艺流程

低浓度瓦斯燃烧技术是将浓度大于 6%的瓦斯气体直接燃烧进行利用，根据不同下游用户使用场景可制备生活用热水或发电用高温蒸汽，烟气余热可通过烟气换热器或溴化锂制冷设备进行回收利用。

低浓度瓦斯燃烧器主要基于金属纤维燃烧和多孔介质稳燃2种原理进行设计。基于金属纤维燃烧技术研究了低浓度瓦斯直接安全燃烧技术，对金属纤维燃烧器和阻火器的阻火阻爆机理进行了研究和试验，研究表明在合理的设计参数下，金属纤维燃烧器能够有效阻火、隔热，阻断瓦斯爆炸火焰和冲击波的传播，将瓦斯爆炸转变为安全燃烧。安徽理工大学与北京君发公司合作研究了多孔介质稳燃技术，研制的单向燃烧器采用迷宫式温度场，解决了点火困难、点火爆炸、回火爆炸、熄火及点火延迟等技术难题，增加了点火、熄火、回火、尾气可燃物含量超限、阀门泄漏、停电保护,快速切断气源等多重保护功能。

（a）单向燃烧器

（b）迷宫式温度场

图 4 多孔介质瓦斯稳燃技术原理

低浓度煤层气蓄热氧化技术是将甲烷浓度小于8%的煤层气通过混配稳浓等技术处理后送入蓄热氧化装置氧化产生的热能加以利用的技术，是目前唯一能较好地利用极低甲烷浓度煤层气的技术。

该技术以低浓度煤层气输送保障技术、不同浓度煤层气智能混配技术、综合安全控制技术、多床式低浓度煤层气蓄热氧化装备等为核心，通过智能混配技术实现了瓦斯气体自动、均匀混配，解决了瓦斯浓度波动大的难题；通过多床式低浓度煤层气蓄热氧化装备解决了蓄热氧化装置换向时憋气、串气和氧化床内煤层气浓度波动大的难题，提高了蓄热氧化装置运行的稳定性，平均甲烷氧化率可达 98%以上，单位处理量能耗降低了10.67%；通过综合安全控制技术实现了瓦斯浓度超限、炉膛超温、抽采泵站憋压等异常状况的紧急处置，保证了蓄热氧化系统及抽采泵站的安全；通过远程监控及故障专家诊断提升了系统自动化运行水平，实现了减人提效。基于 Internet 的远程监控系统功能如图5所示。

图 5 基于 Internet 的远程监控系统功能框架图

02 煤层气利用技术应用现状

“十三五”期间，煤矿井下抽采煤层气利用率稳步提升，2018 年首次突破了40%，2020年达到了44.83%，利用量达57.37亿m³，其中山西省和贵州省是瓦斯利用的主力省份，两省瓦斯利用量约占全国瓦斯利用量的72.2%。2010-2020年煤矿井下煤层气抽采利用情况如图6所示。

图 6 2010-2020年井下煤层气抽采利用量变化

发电仍是目前煤矿抽采瓦斯利用的主要技术途径。截至2019年底，全国煤矿瓦斯发电总装机容量突破了200万kW。2018年，山西省利用瓦斯量27.6亿m³，利用率为42.8%，其中瓦斯发电利用瓦斯量18.7亿m³，占比为67. 8%；煤矿瓦斯民用30.4万户，民用瓦斯量5. 2亿m³，占比为18.7%；矿井瓦斯锅炉等其他瓦斯用量3.7亿m³，占比为13.5%。甲烷浓度大于30%的高浓度瓦斯利用量为16.9亿m³，利用率为63.2%，主要用于瓦斯发电、居民生活、瓦斯锅炉、氧化铝焙烧等；低浓度瓦斯利用量为10.7亿m³，利用率为29.2%，全部用于瓦斯发电。

极低浓度煤层气蓄热氧化利用产业发展迅速。随着国家《“十三五”控制温室气体排放工作方案》《国家应对气候变化规划(2014—2020 年)》的实施，山西潞安、阳泉和安徽淮南等矿区先后建设运行了20余个瓦斯蓄热氧化利用项目，年处理煤矿乏风瓦斯及抽采低浓度瓦斯总量超过3亿m³，氧化产热被应用于蒸汽轮机发电、供热、冷热电联供及煤泥烘干等，在有效减少低品位煤层气直接排放的同时，缓解了煤矿清洁能源紧张的局面。

低浓度瓦斯安全燃烧技术的应用近年来也在快速实施。2020年7月，山西铭石煤层气利用股份有限公司采用金属纤维燃烧器，在晋煤集团成庄矿白沙风井建设了1MW 低浓度瓦斯直燃制热一体化系统，替代原来的燃气锅炉，为白沙风井工区建筑物供暖、风井保温及职工洗浴等服务，该系统采用甲烷浓度为6%~30%的瓦斯作为燃料直接燃烧利用。航天科工山西科技发展集团有限公司采用多孔介质稳燃技术在吕梁市柳林金家庄煤矿建设了瓦斯直接燃烧供热示范项目，截至2022年6月已运行2年。煤层气提纯制LNG/CNG技术的推广则比较缓慢。一方面，煤层气利用产业经过10余年的高速发展，气量和甲烷浓度同时满足提纯项目规模化需求条件的气源较少；另一方面，煤层气提纯项目受LNG/CNG 销售价格影响大，影响了提纯技术的推广。

03 煤层气利用技术发展方向

随着我国煤炭生产集中度日益提高，千万吨级矿井将成为煤炭供应的主体。同时，现有煤矿大多位于偏远地区，煤层气开发规模小、利用率低等问题依然存在。煤矿区煤层气甲烷浓度低、气源不稳定、集中度低、经济性差等难题短期内无法根本解决，同时“碳达峰、碳中和” 目标下煤矿瓦斯“零排放” 是对煤层气利用提出的新要求。未来煤层气利用技术优化与发展的方向应集中在以下方面：

（一）基于风排瓦斯低能耗经济氧化利用技术。我国煤矿乏风瓦斯年排放量约200亿m³，乏风瓦斯利用潜力(减排压力)巨大。针对矿井乏风瓦斯甲烷浓度低但相对稳定的特点，结合智能化矿山建设，优化蓄热氧化装置结构、简化控制系统等附属设施，以实现风排瓦斯智能化低能耗氧化利用或销毁。

（二）分布式煤层气经济利用成套技术。研究撬装式煤层气浓缩液化成套技术，研制小规模瓦斯抽采发电一体化装备，满足废弃矿井煤层气开发输送的需求；研究低浓度煤层气安全燃烧热能利用工业化应用技术，重点解决因瓦斯流速、浓度变化等引起的燃烧器脱火问题，以及脱火瓦斯积聚产生的安全隐患、燃烧器损坏或回火准确监测等问题，从而解决甲烷浓度大于5%的小规模分散煤层气的经济利用难题。

（三）低浓度煤层气规模化提质利用工艺技术。随着低阶煤集约化、高强度开采，煤矿区低浓度煤层气产量将会大幅提升，优化煤层气提纯制 LNG/ CNG工艺，提高技术的经济性，解决低浓度煤层气规模化经济利用的难题。

“十三五”以来，煤矿区煤层气利用技术发展迅速，含氧煤层气深冷液化技术、低浓度煤层气变压浓缩吸附技术、低浓度煤层气发电提效技术和极低浓度煤层气蓄热氧化利用技术为提高煤矿区煤层气利用率提供了强有力的技术支撑。但煤矿区煤层气利用技术及产业发展总体上处于起步阶段，随着煤矿集约化高强度开采快速推进、智能化矿山建设快速实施，应加大风排瓦斯低能耗经济氧化利用技术、分布式煤层气经济利用成套技术、低浓度煤层气规模

化提质利用工艺技术的研究力度，为煤矿瓦斯“零排放”提供技术及装备支撑，助力“碳达峰、碳中和”目标的如期顺利实现。