瓦斯利用方式简介

瓦斯利用方式简介

甘海龙

（ 1、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2、中煤科工集团重庆研究院有限公司　瓦斯研究分院，重庆 400037）

摘要：瓦斯作为煤矿开采的副产物，既是一种很强的温室气体，同时也是一种清洁的能源，为了减少瓦斯的排放，可以根据瓦斯不同的浓度选择合理的利用方式。甲烷浓度在90%以上的瓦斯气，相当于常规天然气；瓦斯气浓度在30%~90%时，可以用于民用燃烧，工业发电，以及进一步提纯制取CNG/LNG等；瓦斯气浓度在8%~30%时，一般用于瓦斯发电；瓦斯气浓度小于8%时，用于蓄热氧化。

关键词：瓦斯；天然气；发电；蓄热氧化；梯级利用

1.瓦斯气利用的主要方法概述

瓦斯气中的有效成分为甲烷，其余主要是氧气和氮气。根据甲烷含量的高低，将瓦斯气分为不同品位的瓦斯气，其利用方式也不同。甲烷浓度在90%以上的瓦斯气，相当于常规天然气；瓦斯气浓度在30%~90%时，可以用于民用燃烧，工业发电，以及进一步提纯制取CNG/LNG等；瓦斯气浓度在8%~30%时，一般用于瓦斯发电；瓦斯气浓度小于8%时，用于蓄热氧化。

2.作为常规天然气利用

含甲烷90%以上的高浓度瓦斯相当于常规天然气^[3]，其利用技术与常规天然气的利用技术完全一样，无论加工成管道输送天然气、压缩天然气还是液化天然气，在国内外其利用技术都是成熟的，对于能够形成较大集输规模（日处理量几十万到几百万立方米）的高浓度煤层气也已建成许多工程案例，如美国就建有日处理200万m³的高浓度煤层气液化工厂，每年可生产46万t的LNG；中国在山西建有多个高浓度煤层气液化工厂，目前最大规模的工厂日处理煤层气量达100万m³。现在，国家逐步放开了地面开发煤层气特许经营的范围，越来越多的煤矿将有资格开发地面煤层气。

由于中国大多数煤矿地质结构复杂，以低中煤阶为主，煤层较薄，除沁水煤田等少数矿区外，大部分煤矿高浓度煤层气日抽采规模在几千到几万立方米，一般情况下难以达到可利用的经济规模，造成部分高浓度煤层气只能燃烧放空。这种开发方式形成的集输规模较小，而市场需要的是1万~5万m³/d的撬装化液化装置。因此，在技术层面上需要开发小型化、撬装化甚至机动化的高浓度煤层气回收装置，在经营层面上可以采取设备租赁或成立专业回收公司的经营模式，在政府管理层面上需要加强节能减排的管理措施。

3.甲烷浓度在30%~90%的高浓度瓦斯利用

含甲烷30%~90%的高浓度瓦斯气主要由甲烷和空气组成，其利用技术主要有：以直接燃烧利用而形成的发电、民用和工业燃料技术，以及以提纯甲烷而形成的高浓度瓦斯制取管道输送天然气、CNG和LNG的加工技术。

（1）高浓度瓦斯发电、民用和工业燃料利用技术

该利用技术相对简单，是国内外目前普遍采用的高浓度瓦斯利用方式，如目前世界最大的寺河矿高浓度瓦斯发电项目，是首批获得国家批准的“清洁发展机制（CDM）”煤层气项目之一，该项目为联合循环发电，采用了60台单机容量为1.8MW的燃气发动机发电机组，配12台合国产余热锅炉和4台3MW蒸汽轮机，电厂设计年运行时间为7000h，年发电量为8.4亿kW•h，年耗气量折合成纯瓦斯1.84亿m3，发电热效率47%，资源利用率87%；阳泉高浓度瓦斯氧化铝焙烧项目，年利用瓦斯1.26亿m3，甲烷体积分数为35%；铁法高浓度瓦斯陶瓷城项目，年利用瓦斯3500万m3，甲烷体积分数为41%。根据国家“十二五”煤层气规划显示，2015年全国瓦斯发电装机容量超过285万kW，民用超过320万户。对于原料气中甲烷体积分数为35%的高浓度瓦斯发电，可根据供气量配置4MW的发电装置，一般投资回收期约2.7a。该技术主要面临的是安全输送和发电效率的问题。不过虽然高浓度瓦斯可以长距离输送，发电、民用和工业燃料的利用技术也容易实现，但受到产品终端市场价格和需求量的影响较大，导致实际利用率依然较低。

（2）高浓度瓦斯提纯制LNG或CNG技术

煤矿瓦斯经过计量后进行压缩、净化，并在低温下提纯分离，将氧气及其他杂质脱除，可生产甲烷纯度大于99%的LNG产品，也可以利用该工艺直接生产CNG产品。对于日处理量10万m的煤层气液化制LNG装置，原料气甲烷体积分数30%，如果采用撬装化设备，一般投资回收期约3.6a。高浓度瓦斯提纯的核心是将瓦斯中的甲烷与氮气、氧气、二氧化碳等杂质进行安全、经济地分离，这些技术虽然在化工和常规天然气净化方面有许多可以借鉴或引用的，但作为一个整体的应用技术，要同时保证其安全性和经济性的难度还是很大，所以在国内外少有类似的工程应用。

4.甲烷浓度在8%~30%的低浓度瓦斯利用

低浓度瓦斯利用技术（甲烷体积分数30%以下），目前，国家并未强制性要求甲烷体积分数低于30%的煤层气必须利用，且甲烷的爆炸界限为5%-16%，致使绝大多数矿区采取排空方式处理低浓度煤层气，大大降低了井下抽采煤层气的利用率，造成资源浪费，同时加剧了对环境形成的温室气体效应。因此，开发一种高效安全可靠的低浓度瓦斯利用技术十分必要目前的低浓度瓦斯利用技术主要是发电。瓦斯发电具有机组配置和运行灵活的特点，所产电力可供煤矿自用和上网，具有较好的经济性。对于含甲烷15%的低浓度瓦斯发电装置，配置4MW的发电机组，投资回收期约3.8a。

国内也有一些机构和企业正在研究将甲烷体积分数低于30%的瓦斯提浓到30%以上再加以利用的技术，比如低温溶液吸收法、膜分离提浓法叫等，目前还处于研究阶段，由于其经济性及安全性尚有待深入研究，还未见工业化应用。

5.甲烷浓度在8%以下的低浓度瓦斯利用

由于甲烷浓度在8%的浓度以下时，瓦斯难以直接燃烧，目前主要采用蓄热氧化技术^[4]：甲烷体积分数8%以下的低浓度瓦斯经过安全保障和预处理后，送至掺混装置，与乏风瓦斯进行掺混，混合后被风机抽送至蓄热氧化装置，发生氧化反应释放热量；产生的热量除维持系统的自身热平衡外，多余的热量通过导热盐带出，送至锅炉，产生过热蒸汽，送至汽轮机冲转，带动发电机工.目前已建的乏风瓦斯蓄热氧化发电机组有山西高河矿的30MW机组和陕西彬长大佛寺煤矿的4.5MW机组。

中煤科工集团重庆研究院有限公司研发形成了多床式低（超低）浓度瓦斯蓄热氧化、高低浓度瓦斯精准混配、低浓度瓦斯蓄热氧化综合安全监控等技术及装备，显著提高了蓄热氧化系统运行的安全性、稳定性和经济性。一套规模为60万m/h的低浓度瓦斯蓄热氧化发电装置，配置9MW的发电机，投资回收期约6a。重庆松藻打通一矿低浓度瓦斯蓄热氧化示范系统，可以实现风排瓦斯和低浓度瓦斯的综合利用，能够有效减少煤矿瓦斯排放量。

4.结论

本文对瓦斯气梯级利用方式进行了总结，实现瓦斯气的“全谱”利用；合理的配置瓦斯气资源，减少瓦斯气资源的浪费。高浓度瓦斯的利用：煤矿抽采瓦斯中对与甲烷体积分数高于90%的部分可直接作为燃料用于发电、取暖也可用于化工等领域；对于甲烷体积分数在30%-90%的瓦斯可用于发电、燃气锅炉、提纯制LNG和CNG等用途，该浓度范围的瓦斯约占煤矿瓦斯总量的5%左右；低浓度瓦斯的利用：对于甲烷浓度在8%-30%的瓦斯可通过变压吸附提纯的方法将甲烷浓度提升至90%来制取LNG和CNG；甲烷含量大于10%的瓦斯用于低浓度瓦斯发电；超低浓度瓦斯利用：对于甲烷含量小于8%的瓦斯，以及矿井乏风，可用于低浓度瓦斯发电以及掺混蓄热氧化发电。实现瓦斯的全产业梯级利用，减少瓦斯的排放。

参考文献:

[1] 田涛, 秦雅霖. 积极开发利用煤层气提高环境质量[J]. 大科技, 2013(9):2.

[2] 张滨, 李乃鹏. 加快能源结构转型,提高煤层气(煤矿瓦斯)综合开发利用[J]. 2020.