鄭順朝

煤礦瓦斯是賦存在煤層中的一種與煤伴生的氣體,通常是指煤礦井下以甲烷為主的有毒、有害氣體的總稱。水災(zāi)、火災(zāi)、瓦斯或煤塵爆炸、瓦斯突出以及冒頂是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的主要災(zāi)害,而瓦斯爆炸是礦井五大自然災(zāi)害之首。瓦斯氣體的主要成分是甲烷,當(dāng)空氣中甲烷濃度在5.5%～16%之間時(shí),有明火的情況下就能引起瓦斯爆炸。由于煤礦瓦斯突出以及瓦斯爆炸事故頻發(fā),嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn),對(duì)煤礦工人的身體健康也造成了極大的負(fù)面影響,限制了煤礦的生產(chǎn)進(jìn)度。國(guó)家采取了堅(jiān)決有力的瓦斯治理措施,在技術(shù)管理上提出了“先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控”十二字方針,以確保煤礦的安全生產(chǎn)?！跋瘸椤?即包括井下抽采和地面抽采)是瓦斯防治的基礎(chǔ),也是從源頭上治理瓦斯災(zāi)害的治本之策和關(guān)鍵之舉。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó),中國(guó)煤礦井下抽放瓦斯雖然已有數(shù)十年的歷史,但瓦斯抽出率很低,往往不足30%,而且由于抽上來(lái)的瓦斯80%的濃度低于5%,按目前的技術(shù)水平和相關(guān)的安全規(guī)程,只能排空難以利用[1]。瓦斯的直接排放,一方面造成了嚴(yán)重的空氣污染,因?yàn)榧淄榫哂袦厥倚?yīng),其溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍,對(duì)臭氧層的破壞能力是二氧化碳的7倍;另一方面也造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi),純瓦斯的熱值與常規(guī)天然氣相當(dāng),是一種潔凈的能源。因此煤礦瓦斯的合理開(kāi)發(fā)利用,尤其是低濃度瓦斯的利用不但可以有效減少溫室氣體的排放、改善并保護(hù)我們賴以生存的大氣環(huán)境;同時(shí)也可以在一定程度上改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu),增加潔凈的氣體能源,彌補(bǔ)我國(guó)常規(guī)天然氣在地域分布和供給量上的不足,對(duì)促進(jìn)節(jié)能減排,推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

1 低濃度瓦斯的利用現(xiàn)狀

國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,甲烷含量低于30%的瓦斯為低濃度瓦斯(煤層氣)。近些年,我國(guó)瓦斯抽采利用工作取得了重大進(jìn)展,2005年全國(guó)煤礦抽采瓦斯23億m3,利用 9億m3,利用率42.6%;2006年全國(guó)煤礦抽采瓦斯32.4億m3,利用11.5億m3,利用率35.5%;2007年,全國(guó)瓦斯抽采47.35億m3,利用14.46億m3,利用率為30.5%[2]。2008年煤礦瓦斯抽采量已達(dá)到52億m3。然而,約80%的瓦斯是采用卸壓抽和采空區(qū)抽瓦斯的方法獲得,抽出瓦斯的濃度較低,55%以上的抽采瓦斯?jié)舛鹊陀?0%,從總體上看,煤層氣抽采進(jìn)展較快,但利用進(jìn)度較慢,特別是低濃度煤層氣利用率低,多數(shù)礦井瓦斯抽放濃度在25%左右,國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,抽放瓦斯利用時(shí)濃度不得低于30%,因此目前幾乎所有的煤礦都將甲烷濃度低于30%的瓦斯直接放空排入大氣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年在采煤的同時(shí)排放的純瓦斯近200億m3,與“西氣東輸”量相當(dāng)[3]。究其原因一方面與礦井的瓦斯抽放規(guī)模有關(guān),許多礦井主要依靠移動(dòng)抽放泵抽放瓦斯,抽出的瓦斯?jié)舛鹊蚚4];另一方面,許多煤礦企業(yè)存在“重煤輕氣”的觀念,煤礦瓦斯抽放仍基于保證煤礦安全生產(chǎn)的目的,觀念有待更新,這也限制了抽放瓦斯利用率的提高;其次是技術(shù)上,尤其是針對(duì)低濃度瓦斯的利用,輸送以及提純的成熟技術(shù)較少,煤礦瓦斯的利用主要集中于瓦斯抽采量以及瓦斯抽采率較高的國(guó)有重點(diǎn)煤礦區(qū),而且現(xiàn)有煤礦瓦斯利用以民用和工業(yè)燃?xì)鉃橹鱗5]。

2 低濃度瓦斯的利用途徑與技術(shù)

瓦斯是一種熱值高,無(wú)污染的寶貴能源,對(duì)煤礦瓦斯進(jìn)行抽放并加以利用,不僅可以減少對(duì)環(huán)境的污染,還可以給煤礦帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益,因此合理開(kāi)發(fā)和利用煤礦瓦斯具有節(jié)能和環(huán)保的雙重意義。

1)低濃度瓦斯的分離提純。低濃度瓦斯的提純技術(shù)有變壓吸附、膜分離技術(shù)以及低溫液化技術(shù)[6]。提純后的氣體相對(duì)于井下抽采的原料氣甲烷含量可以達(dá)到90%以上,而且氧含量大幅度減少,這樣就可以解決低濃度瓦斯氣體直接用于民用燃料不能進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送的問(wèn)題,擴(kuò)大了低濃度礦井瓦斯的利用范圍,產(chǎn)生規(guī)模效益。同時(shí)低濃度瓦斯提純分離也面臨設(shè)備復(fù)雜,投資大,功耗高,市場(chǎng)推廣價(jià)值低等問(wèn)題。2)低濃度瓦斯發(fā)電。低濃度瓦斯中甲烷濃度在5.5%～16%時(shí)具有爆炸危險(xiǎn),甲烷濃度在7%～8%時(shí)最易爆炸,當(dāng)甲烷濃度在9.5%時(shí)爆炸威力最強(qiáng),其速度可達(dá)2000m/s～3000m/s,同時(shí)產(chǎn)生巨大的能量,低濃度瓦斯發(fā)電也正是利用了甲烷的這一特性。低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組與高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組工作原理基本一致,都是采用瓦斯爆炸做功發(fā)電,不同之處是為保證低濃度瓦斯的安全輸送,采用了細(xì)水霧輸送技術(shù),輸送管路上設(shè)置濕式水位自控阻火器和金屬波紋帶瓦斯管道專用阻火器[3]。由我國(guó)勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司自主開(kāi)發(fā)的“低濃度瓦斯的細(xì)水霧輸送技術(shù)以及安全利用技術(shù)”成功解決了低濃度瓦斯的利用難題,并在安徽淮南煤礦建設(shè)了世界首座低濃度瓦斯發(fā)電站,于2005年12月25日開(kāi)機(jī)運(yùn)營(yíng),該技術(shù)將瓦斯的利用范圍擴(kuò)大到6%以上。截至2010年該項(xiàng)技術(shù)推廣年瓦斯利用量將達(dá)到20億m3,相當(dāng)于節(jié)省195萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)減排2500萬(wàn)t CO2。3)乏風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)。乏風(fēng)瓦斯,指煤礦通常采用大量通風(fēng)來(lái)排放的煤礦瓦斯。煤礦乏風(fēng)有流量大、瓦斯?jié)舛鹊?、濃度波?dòng)大的特點(diǎn),我國(guó)每年通過(guò)乏風(fēng)排入大氣的甲烷約為 100億 m3～150億m3,礦井乏風(fēng)中的甲烷濃度非常低,一般在0.2%～0.75%之間。由于煤礦乏風(fēng)中甲烷含量極低,如果進(jìn)行分離提純,耗能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)獲取甲烷的能量,同時(shí)該濃度范圍的甲烷不能直接燃燒,目前采取的措施是直接排空[3],造成了巨大的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此,如何治理和利用礦井乏風(fēng)瓦斯,也是目前我國(guó)在瓦斯治理及利用方面面臨的緊迫任務(wù)。我國(guó)勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的煤礦乏風(fēng)甲烷氧化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)唯一通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)的技術(shù)成果。2007年8月,國(guó)內(nèi)首臺(tái)乏風(fēng)瓦斯氧化裝置順利通過(guò)國(guó)家發(fā)改委組織的專家團(tuán)評(píng)議。2007年12月,成功研制60000Nm3/h氧化裝置。乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化裝置主要由固定式逆流蜂窩陶瓷氧化床和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。礦井乏風(fēng)中的甲烷發(fā)生氧化反應(yīng),生成二氧化碳并產(chǎn)生熱量,反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可以用來(lái)取暖或發(fā)電。不僅減少了溫室氣體的排放,同時(shí)也帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)是目前世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),低濃度瓦斯利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新不但提高了煤礦瓦斯的利用率,使煤礦瓦斯的零排放成為可能,同時(shí)也為瓦斯資源的合理利用開(kāi)辟了嶄新的天地。2009年12月召開(kāi)的哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候變化會(huì)議上,中國(guó)高調(diào)提出溫室氣體的減排目標(biāo):到2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%,目前我國(guó)正處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展階段,節(jié)能減排面臨的形勢(shì)依然嚴(yán)峻。其中煤礦瓦斯的抽采以及合理利用,尤其是低濃度瓦斯的合理利用對(duì)控制溫室氣體的排放,發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)我國(guó)能源的綜合利用,實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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