2010年 8月
矿业安全与环保
第 37卷第 4期
我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究
现状及前景展望
龙伍见
(煤炭科学研究总院重庆研究院, 重庆 400037)
摘 要: 介绍了我国煤矿抽采瓦斯利用存在的问题和煤矿低浓度瓦斯利用的主要技术途径, 详细分 析了煤矿低浓度瓦斯利用技术的研究现状, 并对今后的利用前景进行了客观展望。
关键词: 低浓度瓦斯; 利用; 现状; 前景 中图分类号: TD712 . 67
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文献标志码: A 文章编号: 1008- 4495( 2010) 04- 0074- 04
作。 E- m a i: LW MKY@ 163 com。
1 煤矿瓦斯利用现状
我国是一个产煤大国, 矿井瓦斯是煤矿安全生 产的最大隐患。国家对 煤矿瓦斯 抽采工作 非常重 视, 将其作为治理瓦斯的根本措施, 提出了 先抽后 采、能抽尽抽、以用促抽 !的 12字方针, 并制订了 ?煤 矿瓦斯抽采基本指标 #等一系列标准和法规, 加大了 瓦斯抽采工作的力度, 煤矿瓦斯抽采量逐年大幅度 增加。 2006 年全国煤矿瓦斯抽采量为 32 4亿 m ; 2007年全国瓦斯抽采量为 47 35亿 m , 其中井下瓦 斯抽采量为 44亿 m ; 2008 年全国瓦斯抽采量达到 55亿 m , 其中淮南、阳泉、松藻、水城和宁煤等 10家 重点煤矿瓦斯抽采量超过 1亿 m 。
我国煤矿瓦斯利用起步较早, 从 20世纪 50年代 就开始利用, 但瓦斯利用率非常低, 目前只占瓦斯抽 采量的 1/3左右。 2006年瓦斯利用量为 11 5亿 m , 利 用 率 为 35 49% ; 2007 年 瓦 斯 利 用 量 为
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14 46亿 m , 占 30 54% (其中井下抽出瓦斯利用量为 13亿 m , 占 30 2% ); 2008年瓦斯利用量为 16亿 m , 占 29 09% , 瓦斯利用率还略有下降。
另 据统 计 资 料 分 析, 2006 年 全 国 重 点 煤 矿 抽 出的瓦 斯累计 利用量 为 6. 15 亿 m , 利 用率 为 23. 53% , 其中民用瓦斯 4 74亿 m , 占 77 07% ; 发 电用瓦斯 1 41亿 m , 占 22 93% 。我国瓦斯利用仍 以民用为主。
收稿日期: 2009- 08- 10; 2010- 04- 25修订
基金项目: 国家科技重大专项 ( 2008ZX05041- 009)
作者简介: 龙伍见 ( 1954 ), 男 , 重 庆梁 平人, 研究 员, 主 要从事煤矿瓦斯灾害 防治技术和煤层气开发利用技术研究工
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造成我国煤矿瓦斯利用率低的主要原因: 一是 大部分煤矿远离城镇, 民用瓦斯规模难以扩大; 二是 煤矿抽采瓦斯浓度普遍较低 ( ( CH4 ) < 30% , 称为 低浓度瓦斯 ), 且浓度不稳定, 难以满足工业利用和 化工产品的要求。
我国煤矿瓦斯排放量居世界首位, 大量的低浓 度瓦斯排放不仅浪费了宝贵的清洁能源, 同时也加 重了全球温室效应的影响。因此, 结合我国煤矿低 浓度瓦斯的排放特点, 从技术及经济角度研究适宜 的瓦斯利用技术, 对加强我国煤矿抽放瓦斯和风排 瓦斯的资源化利用, 具有十分的重要意义。
2 煤矿低浓度瓦斯利用的技术途径
1)瓦斯发电。采用煤矿低浓度瓦斯发电机组和 输送安全保障技术, 实现低浓度瓦斯发电, 目前在技 术是可行的, 以后将成为低浓度瓦斯利用的主要技 术途径。
2)瓦斯浓缩。采用变压吸附技术和低温液化分 离技术, 将煤矿低浓度瓦斯浓缩成高浓度瓦斯, 作为 民用燃料和化工原料等。
3)掺混燃烧。将煤矿低浓度瓦斯作为工业锅炉 的辅助燃料, 与煤炭掺混燃烧, 进行发电或其他热能 . 利用。
. 4)瓦斯氧化利用。将抽排的低浓度瓦斯, 与煤
矿乏风瓦斯混合后, 进行氧化反应, 利用氧化反应产 生的热能, 进行发电、制冷和制热, 进行热量的阶梯 利用。
3 煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状
. 目前, 我国在煤矿低浓度瓦斯利用技术的研究. . . . .
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第 37卷第 4期
主要有: % 煤矿低浓度瓦斯发电技术; & 煤矿低浓 度瓦斯浓缩技 术; ? 煤矿低浓度 瓦斯燃 (焚 )烧技 术; ( 矿井乏风瓦斯利用技术。 3 1 煤矿低浓度瓦斯发电技术
瓦斯发电是煤矿低浓度瓦斯利用的最佳途径, 目前瓦斯发电主要有 3种方式: 大功率燃气轮机发 电、蒸汽轮机发电和往复活塞式内燃机组发电。
炸和传播特性及阻爆机理, 开发了瓦斯输送管道安 全保障系统监测监控技术及装备、管道泄爆阻爆技 术及装备、管道瓦斯自动快速切断技术及装备和管 道瓦斯爆炸传播喷粉抑制技术及装备。采用 多级 防护、可靠性优先 !的原则, 对相应的安全装备进行 优化组合, 形成绝对可靠的安全保障系统。并在此 基础上制订了以下相关标准:
利用燃气轮机和蒸汽轮机发电一次性投入大, 建站周期长, 要求燃气流量充足, 只适合瓦斯抽采量 大且气体成分较稳定的大型矿井。燃气轮机的热效 率不超过 30% , 蒸汽轮机的热 效率更低, 仅为 10% 左右。
利用内燃机 组发电, 一次性 投入低, 建 站周期 短, 内燃机组台数和功率范围可根据瓦斯气量的大 小进行确定, 电站移动方便, 非常适合大、中、小型煤矿。因此, 内燃机组发电是目前解决瓦斯利用最佳 途径。
由于低浓度瓦斯中的主要 可燃成分 CH 4 含量 低, 成分随机性变化较大, 难以采用常规的燃气发动 机进行发电。
山东胜利动力机械厂根据煤矿抽出的低浓度瓦 斯的特点, 专门研制了一种低浓度瓦斯发电机组, 功 率为 500 kW。该发电机组在进气方式上采用了具 有自主知识产权的微电子控制技术, 能根据瓦斯浓 度的变化自动调节混合气的空燃比, 较好地解决了 传统燃气机因可燃 气体浓度变化 而造成发 动机熄 火、爆燃、排气管放炮、进气管回火等安全问题。
但是, 由于我国现行 ?煤矿安全规程 #第 148条 规定: 利用瓦斯时, 瓦斯浓度不得低于 30% 。因此, 煤矿低浓度瓦斯发电技术在我国推广应用还存在一 定的政策限制。
胜利动力 机械集团 有限公司 采取多级 阻火装 置, 较好地解决了低浓度瓦斯发电机组本身的安全 问题, 但主要安全隐患存在于低浓度瓦斯输送管道 系统。低浓度瓦斯利用时, 利用端可能产生的火源 会使整个输送管路系统中的低浓度瓦斯处于非常危 险的状态, 一旦发生爆炸, 将造成重大损失。因此, 低浓度瓦斯利用必须具有能够确保瓦斯输送安全的 技术和设备设施。为此, 煤炭科学研究总院重庆研 究院与山东胜利动力机械集团共同承担了国家发改 委的重点科研项目 低浓度瓦斯安全输送成套技
术与装备研制。
煤炭科学研究总院重庆研究院建立了低浓度瓦 斯输送管道爆炸试验系统, 管道直径分别为 500 mm
1) 煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障 系统设 计规范;
2) 瓦斯管道输送水封阻火泄爆装置技术条件; 3) 瓦斯管道输送自动阻爆装置技术条件; 4) 瓦斯管道输送自动喷粉自动阻爆装 置通用 技术条件;
5) 煤矿低浓度瓦斯与细水雾混合安全 输送装 置技术规范;
6) 煤矿 瓦斯 输 送管 道 干式 阻火 器 通用 技 术条件;
7) 瓦斯输送管道安全监控系统通用技术要求。 低浓度瓦斯安全输送成套技术开发与装备研 制 !项目已于 2009 年 7 月进行了鉴定, 相关标准的 报批稿也已上报国家安全生产监督管理总局等待审 批。一旦这些标准获得国家安全生产监督管理总局 的批准并发布执行, 下一步 将对现行 ?煤矿安 全规 程 #中关于瓦斯利用的相关条款进行修改, 消除煤矿 低浓度瓦斯发电技术的政策限制, 从而将大力促进 低浓度瓦斯发电技术在我国的推广应用。 3 2 煤矿低浓度瓦斯浓缩技术
我国有多家科研单位和大专院校一直在进行矿 井低浓度瓦斯浓缩提纯技术及装备的研究, 主要采 用两方面的技术途径: % 变压吸附浓缩技术; & 低 温液化分离技术。 3 2 1 变压吸附浓缩技术
变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组 分分压升高而增 加的特 性, 进行 加压吸附、减压 脱 附。变压吸附技术目前被认为是比较成熟的技术, 在天然气领域有系列的装置可供选择。将该技术用 在瓦斯提纯领域里, 主要取决于其经济合理性和安 全可靠性。低浓度瓦斯气体的提纯工序复杂, 经济 性成本较高。根据煤炭科学研究总院抚顺分院的实 验, 制取体积分数 80% 的瓦斯, 原始气体积分 数为 30% 时, 回流比为 0 43 原始气体积分数为 20% 时, 和 700 mm。通过研究输送管道低浓度瓦斯燃烧爆
则回流比为 0 72 效率降低 2 /3。此外, 低浓度瓦斯 中含有 O2, 在变压吸附过程存在一定安全隐患。
我国最先从事煤矿低浓度瓦斯变压吸附浓缩技 . 术研究的是西南化工设计研究院。早在 20世纪 80
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年代, 西南化工设计研究院就已开发成功变压吸附 法 ( PSA)浓缩煤层气中 CH 4 的技术, 并为河南焦作 矿务局提供了瓦斯处理量为 500 m /h(标准 状态 ) 的第 1套瓦斯浓缩装置, 于 1987年试车成功。该装 置可以 将瓦 斯气 中 CH 4 体 积分 数 从 20% 提 高到 50% ~ 95% , 浓缩后的富 CH4 气热值相当于城市煤 气的热值水平。近年来西南化工设计研究院又在开 3
此外, 煤炭科学研究总院重庆研究院正与中科 院理化技术研究所合作, 拟在原来研究的基础上, 针 对存在的问题, 开展进一步的技术攻关, 争取在技术 上取得新的突破。
3 3 低浓度瓦斯燃 (焚 )烧技术
煤矿抽出的低浓度瓦斯由于不能利用而直接排 空, 对煤矿排空瓦斯进行焚烧有利于实现减排目标, 展低浓度煤层气脱氧技术的研究, 通过消耗部分瓦 斯与 O2 发生氧化反应而脱出 O2, 从而保证变压吸 附过程中的安全问题。
此外, 太原理工大学、北京科技大学也在开展变 压吸附浓缩技术的研究。太原理工大学拟将变压吸 附浓缩技术用于煤矿井下, 采用井下移动制氮技术 进行抽出瓦斯的浓缩分离。北京科技大学拟采用真 空变压吸附技术对煤矿乏风瓦斯进行浓缩分离。 3 2 2 低温液化分离技术
2000年以 来, 随着 低温 深冷 技术 的 成熟 和发 展, 美国等西方发达国家针对煤层气的特点, 相继开 发了小型液化分离系统, 综合开发和利用煤矿低浓 度瓦斯。
中科院理化技术研究所是我国从事低温技术研 究与大型低温系统开发的主要单位, 最早在国内建 成两套小型天然气液化装置。针对我国煤层气资源 的特点, 中科院理化技术研究所的科技人员开展了 含氧煤层气液化分离试验研究。
2002年中科院理化技 术研究所开始 研发含氧 煤层气液化分离技术, 在计算机上仿真实际液化分 离过程, 积累了大量的与实际相吻合的数据。采用 氮气膨胀制冷循环和低温精馏的方法完成了含氧煤 层气 的 分 离 与 液 化 工 业 试 验 装 置 的 设 计 工 作。2005年, 中科院理化技术研究所与山西晋城煤业集 团合作, 开展含氧煤层气液化分离试验, 计划在寺河 矿建设日处理量为 50 000 m 3
的工业试验装置 (后于 2006年在寺河矿建成日处理量 4 300 m 的工业试3
验装置 )。同年又与北京赞成国际投资有限公司合 作, 采用不同于晋城煤业集团的流程方案, 在阳煤五 矿建成了日处理量为 4 300 m 的工业试验装置。3
哈尔滨 工 业 大 学 低 温 与 超 导 技术 研 究 所 于 2007年 8月新建一个天然气液化技术试验中心
大庆肇州液化天然气试验中心。该中心拥
有 1套日产 20 m LNG 3
油田伴生气液化装置和日产 5 m 3 的煤层气液化装置。其中 3
日产 5 m LNG 液化 装置是针对低浓度煤层气设计的, 包括煤层气净化、 液化、精馏和贮存 4个部分, 全部采用可移动的橇装
改善大气环境。据相关研究成果表明, CH 4 的温室 效应是 CO3
2 的 21 倍, 1 亿 m CH 4 相 当于 150 万 t CO2。由此可见, 当瓦斯无法利用、瓦斯利用装置停 止运行、瓦斯需求量减小或瓦斯品质过低, 而使大量 煤矿抽放瓦斯排入大气时, 利用瓦斯燃烧设备将排 空瓦斯进行焚烧, 最大限度地减排 CH4, 减少温室效 应, 将取得较好的环境效益。
为了控制煤层气 (煤矿瓦斯 )排放, 促进煤层气 利用, 国家环境保护部、国家质量监督检验检疫总局 于 2008年 4月颁布了 ?煤层气 (煤矿瓦斯 )排放标准 (暂行 ) #, 对高浓度 瓦斯 ( ( CH4 ) ) 30% )禁止 排 模块式结构, 可在不同气源地重复安装使用。 ? 76?
放。因此, 对无法利用的高浓度瓦斯只有采用焚烧 技术进行销毁处理。
目前的火炬焚烧技术, 从燃烧安全的角度考虑, 都要求可燃气体的浓度必须高于其爆炸上限。对于 煤矿排放的低浓度瓦斯, 大部分瓦斯的 CH4 浓度处 于爆炸界限内, 低浓 度瓦斯焚 烧还存在 技术障碍。 所以, 瓦斯 排放 标准 暂未 对低 浓度 瓦斯 排 放进 行 限制。
多孔介质预混燃烧是近 10 几年来发展 起来的 新型燃烧技术, 采用了新的燃烧理论, 是一种新颖独 特的燃烧方式, 可以提高燃烧效率, 降低污染, 扩展 贫燃极限, 甚至可以燃烧极低浓度可燃性气体。目 前在国内外 引起了燃烧和工 程热物理 界的高度 重 视, 该项技术将为低浓度瓦斯焚烧提供可行的技术 途径。
. . 煤炭科学研究总院重庆研究院目前正在从事低 浓度瓦斯焚烧技术的研究, 拟采用多孔介质预混燃 烧技术, 并研制阻火型燃烧器和与之配套的输送安 全保障技术, 保证煤矿排放的低浓度瓦斯能够安全 焚烧。
3 4 矿井乏风瓦斯利用技术
矿井乏风瓦斯, 是指在煤矿生产过程中随矿井 通风排入大气中的瓦斯, 简称 VAM。由于 CH4 浓度 低 ( ( CH4 ) < 0. 75% ), 采用传统技术无法利用。我 国煤矿乏风瓦斯排放量巨大, 目前每年排放量大约 在 100亿 ~ 150亿 m 。
煤矿 VAM 排放量巨大, 既是未被利用的能源资
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. . 哈工大
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