国内外矿井低浓度瓦斯利用技术的探讨

作者：杨扬，杨养龙

来源：《科技创新与生产力》 2014年第9期

杨 扬，杨养龙

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西 太原 030024）

摘 要：分析了煤矿瓦斯赋存基础参数和来源及涌出构成，提出了煤矿抽放瓦斯的必要性，总结了煤矿瓦斯基本分类及利用方法，研究了国内外低浓度瓦斯发电技术、煤矿乏风氧化装置及乏风瓦斯发电解决方案，指出矿井低浓度瓦斯利用技术将在促进煤层气利用的同时，推动煤矿瓦斯的全面综合利用，必将产生良好的经济效益和社会效益。

关键词：瓦斯；乏风浓度；发电

中图分类号：TD712 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2014.09.025

低浓度瓦斯是指甲烷浓度低于30%的煤层气，分为风排瓦斯（乏风）和抽放瓦斯两部分，其中“乏风”是指甲烷质量浓度低于0．75%的煤矿瓦斯。目前，质量浓度高于30%的瓦斯在利用上已没有技术瓶颈；质量浓度在9%~30%范围的瓦斯用于发电也已经获得广泛应用；而质量浓度低于9%以及乏风的利用则已成为实现矿井瓦斯综合利用的关键。

提高乏风质量浓度，将风排瓦斯浓度由目前的0.22%提升至0.35%以上甚至更高，将对矿井实现热量的充分回收利用，实现节能减排，减少外部天然气的利用非常关键。若乏风浓度能提升至0.5%以上，将能实现矿井热能的自身平衡而不需外供。

1 国内外瓦斯利用技术

1.1 煤层瓦斯主要参数

煤层瓦斯赋存基础参数是矿井瓦斯防治和瓦斯抽放设计的依据，进行瓦斯抽放设计所需的煤层瓦斯主要实测参数包括：煤层瓦斯压力、含量、煤中的残存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤层透气性系数以及钻孔瓦斯流量衰减系数等一些瓦斯的基础参数。对于基建矿井，如果没有开拓系统揭露煤层，则无法在采掘空间内各煤层瓦斯基础参数进行实测，只能借鉴地质勘探过程进行测定部分瓦斯基础参数。

1.2 矿井瓦斯来源及涌出构成

根据对龙泉煤矿瓦斯涌出量的预测，可以得出该矿井在达产时瓦斯来源由以下3个部分组成：回采工作面（包括围岩及邻近层）的瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区（包括围岩和邻近层）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占矿井瓦斯的涌出比例与矿井的开采深度和矿井的生产接续布局、采掘强度等有关。经对矿井各部分进行瓦斯涌出量预测，可以得出各涌出源所占该矿井瓦斯涌出量的百分比。在现有的通风条件下掘进面瓦斯经常超限，所以掘进工作面的瓦斯治理非常必要。在整个矿井瓦斯治理工作中，回采工作面和采空区瓦斯治理占重要地位。

1.3 抽放瓦斯的必要性

根据国家煤矿安全监察局部颁布的《煤矿安全规程》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，有下列情况之一者，矿井必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统。

第一，一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5 m3/min或一个掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3 m3/min，采用通风方法解决不合理的。

第二，矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：一是大于或等于40 m3/min；二是年产量1.6~1.5 Mt的矿井，大于30 m3/min；三是年产量0.6~1.0 Mt的矿井，大于25 m3/min；四是年产量0.4~0.6 Mt的矿井，大于20 m3/min；五是年产量小于或等于0.4 Mt的矿井，大于15 m3/min。

1.4 煤矿瓦斯基本分类及利用方法

煤矿瓦斯按体积分数分3类（参照胜动集团分类方法）：第一类是质量浓度大于30%的高浓度瓦斯；第二类是质量浓度在9％~30%的低浓度瓦斯；第三类是质量浓度在9%以下的低（超）浓度瓦斯 （含煤矿通风乏风）。其瓦斯利用技术大致如下：第一类：质量浓度大于30%的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯直接燃烧供发电机组发电；第二类：质量浓度在9%~30%的低浓度瓦斯，采用低浓度瓦斯内燃机组进行发电利用；第三类：质量浓度在9%以下的低浓度（超）瓦斯（含煤矿通风乏风），甲烷质量分数为0.25%~5%，采用煤矿乏风氧化装置直接或经过掺混、稀释后利用；超低浓度瓦斯（甲烷体积分数6%~9%）也可采用柴油引燃技术发电利用。

1.5 乏风利用不高的原因分析

煤炭开采中，瓦斯排出量的70%是通过乏风（风排瓦斯）排出的。由于煤矿乏风的甲烷含量极低，若进行提浓或提纯，不论是变压吸附，还是变温吸附分离，面对含量巨大的空气和稀少的甲烷，必须提供相对于甲烷产量更多的加压能耗或加温能耗。所耗的能量，远超过所获取甲烷的能量。因而无论从能源利用的角度，还是从经济利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏风中的甲烷含量远远超出了甲烷的空燃比范围，用直接燃烧的办法处理技术上也是行不通的。两种传统办法均不能解决乏风的有效利用问题。基于此，目前多数煤矿仍选择直接排放，造成了巨大的能源浪费和环境污染。

2 国内外乏风利用现状

在低浓度瓦斯利用方面，目前全球范围研究较多，而乏风直接工业化应用的仅有国内的胜动集团乏风发电、澳大利亚的BHP公司的乏风发电、德国杜尔集团的乏风发电技术。

2.1 乏风发电项目应用技术

乏风及低浓度瓦斯氧化发电的原理是把泵站的抽放瓦斯掺混到乏风里，导入蓄热式高温氧化装置，低浓度甲烷在高温反应腔里瞬间氧化为水和二氧化碳，并释放出巨大氧化热，热能的一小部分用于维持反应温度，大部分热能被导出到余热锅炉和水进行热交换，产出过热高压水蒸气，驱动汽轮机发电。该技术的推广，不仅能提高经济效益，也有助于增加煤炭生产过程中的安全系数。

1）胜动集团乏风发电项目介绍。目前胜动集团60 000 m3/h乏风发电装置已经运行超过2年时间（见表1、第27页图1）。胜动集团积累了多年低浓度瓦斯发电经验，但是由于超低浓度瓦斯利用火花塞点火困难，该公司开发了利用微量柴油（柴油消耗量为10~20 g/kW·h）引燃来代替火花塞点火，促进低热值瓦斯在缸内快速燃烧带动活塞做功输出电能的柴油点火的超低浓度瓦斯发电机组，目前已试验成功并投入市场。

2）澳大利亚的BHP公司的乏风发电项目介绍。澳大利亚BHP公司的250 000 m3/h乏风发电装置在必和必拓的煤矿运行也已超过8年。但是，详细的项目运行情况报道较少。

3）德国杜尔集团的乏风发电项目介绍。德国杜尔90 000 m3/h乏风发电技术即将于2014年6月在潞安集团高河煤矿投产。该项目总投资3.2亿元，安装12台90 000 m3/h的双塔模块单元（简称RTO），可处理108万m3/h，向乏风（0.3%）中掺入低抽放瓦斯11%，进入RTO氧化装置的乏风质量浓度维持在1.2%以下，进行氧化，释放出的氧化热用于驱动30 MW余热汽轮发电机组，实现年发电量2亿kW·h，年温室气体减排140万t。项目设计蒸汽压力为9.0 MPa，预计发电效率2.78 kW·h/m3。具体效率数据有待投产验证。

2.2 煤矿乏风氧化装置及技术介绍

通风瓦斯氧化装置由固定式逆流氧化床和控制系统两部分构成。排气蓄热，进气预热，进排气交换逆循环，实现通风瓦斯周期性自然氧化反应。

氧化床先用外部能源（如电能）加热，创造一个甲烷氧化反应的环境（1 000 ℃），通风瓦斯由引风机引入氧化床，氧化产热，排气侧固体蓄热，进气测气体预热，由换向阀实现通风瓦斯逆流换向。通风瓦斯中的甲烷在氧化床氧化后，一部热量维持氧化反应的环境，多余部分的热量排出氧化床。氧化反应自动维持后，停掉外加热。

目前胜动集团与德国杜尔公司均采用了自热氧化装置，区别在取热方式上：胜动集团采用了简单可靠的一体化连续移热技术，德国杜尔公司则采取了先进的分离式移热技术，因而杜尔公司所生产的蒸汽压力高（9.0 MPa），更适合大型化装置。

2.3 低浓度瓦斯发电技术解决方案

1）对于甲烷质量浓度在16%~30%的低浓度煤矿瓦斯，可选用500GF1-2RW。

2）对于甲烷质量浓度在6%~25%的低浓度煤矿瓦斯，可选用500GF1-3RW。

2.4 低浓度瓦斯发电机组电站配套特殊要求

第一，对于质量浓度16％以上瓦斯的瓦斯电站配套设施，主要要求有2点：一是不能设储气柜；二是瓦斯输送管路采取安全阻火措施，在管线上设置雷达水位自控式水封阻火器和干式瓦斯专用阻火器。

第二，对于质量浓度16％以下的瓦斯电站配套，主要有3点要求：一是不能设储气柜；二是瓦斯输送管线要设置阻火器，雷达水位自控式水封阻火器和干式瓦斯专用阻火器；三是瓦斯输送采用水雾输送，管路上设置水雾阻火点。瓦斯气流经水雾阻火点后水分增加，瓦斯气超出爆炸范围，使瓦斯输送变得安全，即使出现火焰，也会在经过水雾阻火点被强水雾所猝熄。

3 结束语

低浓度瓦斯的利用对矿井实现热量的充分回收利用，实现节能减排，减少外部天然气的利用非常关键。该项工作的推进，将在促进煤层气利用的同时，推动煤矿瓦斯的全面综合利用，必将产生良好的经济效益和社会效益。

（责任编辑 高 腾）