低濃度煤層氣利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

陳春雷

阜礦集團(tuán)煤層氣公司 遼寧阜新 123000

煤層氣屬于一種非常規(guī)天然氣，是煤炭開采生產(chǎn)中的附加物，煤層氣成分為甲烷，是高效而清潔的優(yōu)質(zhì)能源，通過合理利用煤層氣，能夠起到優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保證生產(chǎn)安全、避免生態(tài)環(huán)境、節(jié)約社會(huì)能源的作用。低濃度煤層氣由于甲烷含量較低，通常情況下不能維持燃燒，甚至無法點(diǎn)燃，在煤炭生產(chǎn)中，低濃度煤層氣難以實(shí)現(xiàn)直接利用，主要通過直接排放到空氣中的方式處理，不利于環(huán)保和能源利用。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)針對(duì)低濃度煤層氣的有效利用進(jìn)行了大量嘗試，并且取得一定成果，對(duì)發(fā)揮煤層氣的環(huán)保和節(jié)能作用具有重要價(jià)值。

1 低濃度煤層氣主要利用技術(shù)

1.1 直接利用

低濃度煤層氣中的甲烷含量并不穩(wěn)定，對(duì)于濃度較高的煤層氣，可以通過建設(shè)管道的方式，直接提供給用戶，還能夠?qū)⑵渌偷揭呀?jīng)建成的天然氣管道中，與天然氣混合提供給用戶，可充當(dāng)化工原料、工業(yè)燃料以及發(fā)電原料等。高濃度甲烷氣體在經(jīng)過壓縮后，其能夠通過調(diào)壓計(jì)量、凈化液化的方式生產(chǎn)LNG 產(chǎn)品，便于運(yùn)輸和保存，可以充當(dāng)汽車燃料、工業(yè)燃料或者居民生活能源。

1.2 甲烷提純

甲烷提純的主要方法是利用深冷液化，將煤層氣中含有的甲烷氣體提煉分離出來。在甲烷提純中，原理為利用甲烷氣體的沸點(diǎn)與其他氣體存在差異，在低溫環(huán)境下通過蒸發(fā)精餾的方式，獲得高純度的甲烷氣體，其工藝關(guān)鍵點(diǎn)包括制冷循環(huán)、儲(chǔ)存、精餾、凈化、壓縮、輸送等。

1.3 瓦斯發(fā)電

現(xiàn)階段瓦斯發(fā)電已經(jīng)成為一項(xiàng)較為成熟的煤層氣利用技術(shù)，包括內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、輪機(jī)發(fā)電以及鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電。首先，內(nèi)燃機(jī)發(fā)展主要以瓦斯為燃料，推動(dòng)連桿持續(xù)做功，將機(jī)械能高效轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，該技術(shù)穩(wěn)定性好、啟停時(shí)間短、發(fā)電安全、運(yùn)行靈活，對(duì)瓦斯的濃度和流量沒有嚴(yán)格要求；其次，輪機(jī)發(fā)電，其主要裝置包括燃燒室、壓氣機(jī)以及汽輪機(jī)，生產(chǎn)原理為：空氣和瓦斯在燃燒室內(nèi)充分燃燒，產(chǎn)生的高壓高溫?zé)煔馀蛎浐蟠偈闺姍C(jī)運(yùn)行發(fā)電，該技術(shù)具有壽命較長(zhǎng)、成本低、體積小、功率大等優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)瓦斯壓力有嚴(yán)格要求，當(dāng)前尚未有完善的技術(shù)可以解決低濃度瓦斯的應(yīng)用問題；最后，鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電，該技術(shù)的主要原理為：通過直接燃燒瓦斯，產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，通過蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)行完成發(fā)電，該技術(shù)的有點(diǎn)為對(duì)瓦斯?jié)舛纫蟛桓?，缺點(diǎn)為利用率低、耗水量大、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，缺乏安全性。

1.4 蓄熱氧化利用

該技術(shù)的主要原理為：在啟動(dòng)系統(tǒng)后，通過燃燒燃料或者電加熱器等方式，預(yù)熱蓄熱填料，對(duì)溫度進(jìn)行科學(xué)控制，根據(jù)甲烷濃度設(shè)計(jì)點(diǎn)火溫度；在完成預(yù)熱工作后，瓦斯從蓄熱室一側(cè)通入，經(jīng)過氧化反應(yīng)變?yōu)闊煔猓瑥男顭崾伊硪粋?cè)排出，通過不斷的氧化反應(yīng)可以維持床層溫度，保證氧化反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。該技術(shù)需要使用催化劑，其主要為金屬催化劑，價(jià)格昂貴，因此運(yùn)行成本較高。

2 低濃度煤層氣利用技術(shù)研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景

2.1 直接利用

煤層氣直接利用對(duì)甲烷濃度具有一定要求，含甲烷30%以上的瓦斯才能直接利用，當(dāng)前該技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)大部分地區(qū)獲得廣泛推廣，例如在重慶地區(qū)，截至到2019 年底，已經(jīng)有超過300 萬的用戶直接利用煤層氣獲得能源，全國(guó)煤層氣民用量已經(jīng)達(dá)到了15億m3，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，直接利用技術(shù)的發(fā)展前景必將更為廣闊。

2.2 甲烷提純

甲烷提純技術(shù)起源于上世紀(jì)七十年代，在美國(guó)煤炭開采中獲得廣泛應(yīng)用，后期傳入澳大利亞、德國(guó)、英國(guó)以及日本等國(guó)家。美國(guó)在提純甲烷中，主要通過脫氧、液化、分離等工藝，并且取得顯著的研究成果。近些年隨著澳大利亞煤礦行業(yè)的發(fā)展，甲烷提純技術(shù)也獲得快速發(fā)展，其在應(yīng)用深冷液化技術(shù)的同時(shí)，還加大了對(duì)LN G制取項(xiàng)目的建設(shè)，但是受到環(huán)境治理、廢水污染、經(jīng)驗(yàn)不足以及資源開發(fā)等因素的制約，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模較小。

2.3 瓦斯發(fā)電

目前瓦斯發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)獲得廣泛應(yīng)用，其技術(shù)相對(duì)成熟，尤其隨著近些年瓦斯發(fā)電裝備的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯能源的高效利用，對(duì)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和革新起到了關(guān)鍵作用。例如貴州五輪山煤礦，其利用先進(jìn)的瓦斯發(fā)電設(shè)備月產(chǎn)電量已經(jīng)突破了2054 萬kWh，利潤(rùn)可達(dá)百萬以上；又例如淮南礦業(yè)，其已經(jīng)建設(shè)了12座瓦斯發(fā)電站，用于企業(yè)生產(chǎn)和居民供電。隨著瓦斯發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)大部分地區(qū)都要積極探索和建設(shè)瓦斯發(fā)展新模式，成為了煤礦企業(yè)增效的關(guān)鍵途徑，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及生態(tài)效益。

2.4 蓄熱氧化利用

該技術(shù)屬于瓦斯能源化利用的新技術(shù)，目前尚未在全世界進(jìn)行普及，但是該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)能源的高效利用，具有廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前在蓄熱氧化利用中，僅有的德國(guó)、美國(guó)和中國(guó)幾家企業(yè)進(jìn)行工程實(shí)踐，從目前取得的成果分析，我國(guó)與德國(guó)、美國(guó)企業(yè)在技術(shù)能力方面依然存在一定差異，在2013 年勝利集團(tuán)在山西建立了蓄熱氧化系統(tǒng)，已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)取得了顯著成果。

3 結(jié)語

總而言之，隨著節(jié)能減排政策的深入，加速低濃度煤層氣利用，可以避免對(duì)環(huán)境造成污染，提升能源利用效率，增加企業(yè)收入，實(shí)現(xiàn)煤層氣的社會(huì)效益和生態(tài)效益，對(duì)促進(jìn)社會(huì)發(fā)展具有重大意義。