山西重點(diǎn)煤礦區(qū)瓦斯梯級(jí)利用關(guān)鍵技術(shù)與工程示范

李國(guó)富，李 超，霍春秀，閆志銘，張典坤，王朝帥，王 爭(zhēng)

(1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉城 048012；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030032；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400050；4.華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045008)

與世界能源消費(fèi)平均水平對(duì)比，我國(guó)是以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，2020 年全國(guó)煤炭消費(fèi)在一次能源消費(fèi)的占比約57%[1]。瓦斯是煤炭開采過程中從煤層及圍巖涌入采掘空間的混合氣體，其主要成分是甲烷。煤礦瓦斯既是一種清潔能源，又是地下礦井生產(chǎn)的主要危險(xiǎn)源之一，同時(shí)，排放到大氣中又是一種溫室氣體，其溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的21 倍[2]。為保證礦井安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，2006 年以來，國(guó)家在瓦斯開發(fā)利用技術(shù)領(lǐng)域已投入科技引導(dǎo)資金達(dá)數(shù)百億元[3]，極大地推動(dòng)了瓦斯抽采與利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

高濃度瓦斯(甲烷體積分?jǐn)?shù)30%及以上)已經(jīng)成為民用、燃料、化工等不同利用方向的清潔能源。低濃度瓦斯(甲烷體積分?jǐn)?shù)30%以下)由于接近5%～16%的瓦斯爆炸濃度，鑒于安全原因，《煤礦安全規(guī)程》(2022版)第184 條規(guī)定“抽采的瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于30%時(shí)，不得作為燃?xì)庵苯尤紵?。進(jìn)行管道輸送、瓦斯利用或者排空時(shí)，必須按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行，并制定安全技術(shù)措施。”

長(zhǎng)期以來，由于利用途徑單一、經(jīng)濟(jì)效益差、存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)等，甲烷體積分?jǐn)?shù)小于30%的瓦斯除少量用于發(fā)電外，其余大部分直接排放到大氣中，不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。在全球氣候變暖的背景下，國(guó)家近年來陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，鼓勵(lì)低濃度瓦斯利用技術(shù)的推廣應(yīng)用[4-7]，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。根據(jù)甲烷濃度含量將瓦斯分為三級(jí)，即高濃度瓦斯、低濃度瓦斯、乏風(fēng)[8-10]，山西重點(diǎn)煤礦區(qū)煤礦瓦斯梯級(jí)利用實(shí)踐中，按照效益最大化原則，一般選用甲烷體積分?jǐn)?shù)30%以上的高濃度瓦斯直接管輸利用、16%～30%變壓吸附提純、9%～16%井口發(fā)電、6%～9%井口直燃、1%～6%蓄熱氧化與摻混的梯級(jí)利用方式進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，1%以下的乏風(fēng)需要摻混后再利用。筆者重點(diǎn)分析了山西重點(diǎn)煤礦區(qū)變壓吸附提純、瓦斯發(fā)電、直燃、蓄熱氧化等技術(shù)與裝備現(xiàn)狀和主要難題，為科學(xué)利用低濃度瓦斯提供參考。

1 山西煤礦區(qū)低濃度瓦斯抽采排放特征

2020 年，全國(guó)煤礦瓦斯抽采量為128 億m3，利用量為57.4 億m3，其中，山西煤礦瓦斯抽采量為64 億m3，利用量為28.9 億m3，總體利用規(guī)模偏小，特別是低濃度瓦斯利用率極低，與瓦斯抽采量不匹配。圖1 為2018 年山西省煤礦瓦斯抽采數(shù)據(jù)。全年抽采折純總量為62.3 億m3，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)30%以上的26.2億m3，利用量16.9 億m3，利用率64.5%；甲烷體積分?jǐn)?shù)8%～30%的為28.6 億m3，利用量10.6 億m3，利用率37.1%；甲烷體積分?jǐn)?shù)8%以下的7.5 億m3，利用量?jī)H975 萬m3，利用率僅為1.3%。

圖1 2018 年山西省瓦斯抽采利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of gas drainage and utilization in Shanxi Province in 2018

山西重點(diǎn)煤礦區(qū)包括晉城、陽泉、西山、汾西、潞安等礦區(qū)，是“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“山西重點(diǎn)煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)示范工程”的主要實(shí)施地點(diǎn)。示范工程產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，研發(fā)了煤礦瓦斯梯級(jí)利用系列技術(shù)與裝備，綜合運(yùn)用管輸、變壓吸附、發(fā)電、直燃、蓄熱氧化等技術(shù)開展了甲烷體積分?jǐn)?shù)1%以上瓦斯的“全濃度”梯級(jí)利用工程示范，為山西重點(diǎn)煤礦區(qū)煤礦瓦斯抽采量與利用量由2015 年的60.2 億m3和22.3 億m3提高至2020 年的64.03 億m3和28.94 億m3，利用率由37%提升至45%起到了重要的技術(shù)支撐作用?！笆濉逼陂g，示范區(qū)共利用煤層氣141.26 億m3，相當(dāng)于減排二氧化碳2.12 億t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 836 萬t，環(huán)保效益顯著，在保障煤礦安全開采的前提下極大地助力了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 山西重點(diǎn)煤礦區(qū)低濃度瓦斯梯級(jí)利用技術(shù)現(xiàn)狀

不同濃度的低濃度瓦斯燃燒效率及安全特性的不同決定了其利用方式也不一樣，低濃度瓦斯梯級(jí)利用成為必然趨勢(shì)。目前山西低濃度瓦斯主要利用方式有變壓吸附提純、瓦斯發(fā)電、直燃、蓄熱氧化等。

2.1 變壓吸附提純工藝

低濃度瓦斯提純技術(shù)主要有變壓吸附、直接深冷液化、溶液吸收法、膜分離法、水合物法等。其中，變壓吸附技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有較多成熟案例，直接深冷液化技術(shù)在國(guó)內(nèi)也成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，而膜分離法、低溫溶液吸收法、水合物法等仍在研究階段，尚無重大突破及工業(yè)應(yīng)用[11]。變壓吸附提純技術(shù)(PSA)是利用吸附劑對(duì)不同物質(zhì)的吸附速度、容量和能力的差異，以及吸附劑對(duì)不同氣體組分的吸附容量隨壓力變化而變化的特性，實(shí)現(xiàn)混合氣體組分分離[12-13]。山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱藍(lán)焰公司)與四川達(dá)科特及澳大利亞蓋氏科技進(jìn)行科研合作，先后成功研制不同類型吸附劑的撬裝式和工廠化提純工藝裝備，以滿足對(duì)不同來源和流量的原料氣處理要求，設(shè)備運(yùn)行良好。

低濃度瓦斯變壓吸附提純技術(shù)存在諸多難題：一是低濃度瓦斯含有較高的O2，常規(guī)吸附分離技術(shù)需要在加壓下進(jìn)行，勢(shì)必加大安全風(fēng)險(xiǎn)。二是瓦斯主要成分為CH4、N2、O2，由于這3 種氣體的分子直徑很接近，分別為0.414、0.304、0.296 nm，常規(guī)吸附劑對(duì)CH4的選擇性很弱，3 種氣體的有效分離效率較低。

2.1.1撬裝式提純工藝(活性炭型)

針對(duì)地面日產(chǎn)氣能力1 萬m3左右、甲烷體積分?jǐn)?shù)為20%～30%的部分采空區(qū)井、采動(dòng)區(qū)井、煤礦小型泵站，適宜采用撬裝式提純工藝。藍(lán)焰公司2018 年先后在SHCD13-02 及YCCD-06井投入使用2 座撬裝式提純裝置，截至2020 年底，累計(jì)提純利用甲烷純量790.7 萬m3。

1) 工藝簡(jiǎn)介

該套裝置包括安全隔離系統(tǒng)和變壓吸附系統(tǒng)，由1 臺(tái)壓縮機(jī)、1 臺(tái)冷干機(jī)、1 臺(tái)真空泵、1 臺(tái)原料氣分液罐、6 座吸附塔、1 個(gè)產(chǎn)品氣緩沖罐，3 臺(tái)動(dòng)力設(shè)備、8 臺(tái)非標(biāo)設(shè)備組成，其中壓縮機(jī)、冷干機(jī)及真空泵通過底部鋼板撬裝在一起，方便后續(xù)拆裝作業(yè)。

撬裝式提純?cè)O(shè)備工藝流程[14]如圖2 所示，井下瓦斯經(jīng)由單向閥、阻火器等安全隔離裝置，在瓦斯真空壓縮機(jī)(前端為抽真空，后端為壓縮機(jī))的抽采增壓作用下，壓力由?30 kPa 升高到200 kPa，經(jīng)緩沖罐緩沖后送入冷凍干燥設(shè)備，將壓縮后瓦斯中大部分水分干燥脫除后直接送至變壓吸附單元。6 臺(tái)吸附塔有1 臺(tái)隨時(shí)處于吸附狀態(tài)、1 臺(tái)處于抽真空狀態(tài)，另外4 臺(tái)吸附塔處于再生的不同階段，其變壓吸附流程由吸附、一均降、二均降、三均降、抽真空、三均升、二均升、一均升和終升組成[15]。在變壓吸附塔內(nèi)部，甲烷被選擇性吸附而得以富集，而不易被吸附的大量空氣則與甲烷分離后被直接排空。當(dāng)吸附劑吸附甲烷在原料進(jìn)氣狀態(tài)下達(dá)到飽和后，再采用抽真空方式使吸附劑再生。尾氣從吸附塔頂排出，尾氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)低于1.5%。

圖2 撬裝式提純工藝流程Fig.2 Process flow chart of skid-mounted purification equipment

圖3 為吸附塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。吸附塔內(nèi)分為上下兩層，下層填充氧化鋁分子篩，上層填滿了專用富集甲烷的吸附劑，且具有防爆防塵功能。氧化鋁分子篩用于對(duì)進(jìn)入吸附塔的壓縮瓦斯進(jìn)行二次脫水，防止吸附劑進(jìn)水失效。吸附塔的底部為原料氣的輸入端和產(chǎn)品氣的抽出端、頂部為尾氣的排出端。通過與底部和頂部直接相連的程控閥門的開合狀態(tài)，來控制吸附塔內(nèi)的壓力變化與氣流流向，使吸附塔依次處于吸附、均壓、再生等不同的工作狀態(tài)。

圖3 吸附塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of adsorption tower

2) 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

提純系統(tǒng)的產(chǎn)品氣產(chǎn)量和濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，吸附時(shí)間越長(zhǎng)則濃度越高、產(chǎn)量越低，而吸附時(shí)間越短則濃度越低、產(chǎn)量越高。為了尋求甲烷濃度和流量的最佳平衡，經(jīng)過計(jì)算分析，將產(chǎn)品濃度設(shè)定在65%左右可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化(表1)。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators

2.1.2撬裝式提純工藝(離子液沸石型)

如圖4 所示，離子液沸石型撬裝式提純工藝應(yīng)用于晉城成莊礦白沙風(fēng)井泵站內(nèi)，采用蓋氏科技(山西)有限公司研發(fā)的新型離子液沸石(ILZ)作為吸附劑，建立了一套撬裝式、流程可調(diào)的PSA 試驗(yàn)裝置。該裝置可提純甲烷體積分?jǐn)?shù)為8%～30%的瓦斯，甲烷回收率可達(dá)80%～99%。目前該套裝置處于試驗(yàn)調(diào)試階段，可同時(shí)脫氧脫氮，實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備多種工藝聯(lián)合運(yùn)行，具有一定的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。

圖4 新型離子液沸石提純工藝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Field test of new ionic liquid zeolite purification process

2.1.3工廠化提純工藝

圖5 為晉城成莊礦處理能力為12 000 m3/h 的瓦斯提純裝置，該裝置為山西省首例開發(fā)利用甲烷體積分?jǐn)?shù)為25%以下瓦斯的裝置，也是應(yīng)用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)建成的瓦斯提純項(xiàng)目之一，可以對(duì)CH4體積分?jǐn)?shù)僅為10%～13%的瓦斯進(jìn)行提純，生產(chǎn)出CH4體積分?jǐn)?shù)為35%的產(chǎn)品供城市燃?xì)饣虬l(fā)電用。

圖5 晉城成莊礦工廠化提純裝置現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Field of factory purification device in Chengzhuang Coal Mine,Jincheng

此項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：突破性地采用低壓分離思路，在不加壓條件下分離甲烷和空氣，使系統(tǒng)處于相對(duì)安全狀態(tài)；開發(fā)出低壓下分離CH4和N2、O2的高效吸附劑，實(shí)現(xiàn)微壓瓦斯提純工藝；全系統(tǒng)應(yīng)用多層復(fù)雜靜電消除設(shè)施，確保整個(gè)系統(tǒng)安全；實(shí)現(xiàn)將瓦斯中CH4體積分?jǐn)?shù)從10%～13%一次濃縮達(dá)到30%以上。

該項(xiàng)目的建成開創(chuàng)了山西省煤礦區(qū)將甲烷體積分?jǐn)?shù)25%以下低濃度瓦斯開發(fā)利用的先例，再經(jīng)二次提純后CH4體積分?jǐn)?shù)可達(dá)95%以上，可廣泛應(yīng)用在工業(yè)、民用、車輛船舶的動(dòng)力燃料和化工原料等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。

2.2 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)

煤礦瓦斯全濃度均有相應(yīng)技術(shù)可進(jìn)行發(fā)電，其中，甲烷體積分?jǐn)?shù)≥8%的煤礦瓦斯主要采用內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐+蒸汽輪機(jī)等工藝進(jìn)行發(fā)電，技術(shù)相對(duì)成熟。對(duì)于超低濃瓦斯和乏風(fēng)瓦斯較為成熟的技術(shù)為直燃、熱逆流氧化等熱電聯(lián)供技術(shù)，國(guó)內(nèi)已有較多成功案例。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)公認(rèn)適應(yīng)的甲烷體積分?jǐn)?shù)為9%～30%。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)與裝備較為成熟，下一步的 主要發(fā)展方向?yàn)楦叩陌踩裕叩膶?duì)氣源濃度和壓力波動(dòng)的適應(yīng)性，更強(qiáng)的發(fā)電效率和更低的NOx排放等“三高一低”方向。

圖6 為晉城礦區(qū)胡底礦瓦斯發(fā)電站，該站裝機(jī)容量20.4 MW，包括5 臺(tái)2 MW 高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組和8 臺(tái)1.3 MW 低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，是我國(guó)首座“一站式”高低濃度瓦斯發(fā)電項(xiàng)目。

圖6 晉城胡底礦“一站式”高低濃度瓦斯發(fā)電站Fig.6 “One-stop” high &low-concentration gas power station in Hudi Coal Mine,Jincheng

2.3 直 燃

甲烷在常溫常壓下的爆炸界限為5%～16%，長(zhǎng)期以來，該范圍內(nèi)的低濃度瓦斯屬于利用“禁區(qū)”。而直燃技術(shù)可將甲烷體積分?jǐn)?shù)6%以上的瓦斯直接燃燒利用，根據(jù)下游用戶使用場(chǎng)景不同制備生活用熱水或發(fā)電用高溫蒸汽，煙氣余熱也可應(yīng)用煙氣換熱器或溴化鋰制冷設(shè)備進(jìn)行回收利用。

直燃裝置的主要工藝流程為：煤礦井下抽采的低濃度瓦斯依靠抽采設(shè)備(通常為水環(huán)式真空泵)背壓，經(jīng)過濾后由安全管輸系統(tǒng)進(jìn)行輸送，經(jīng)過智能配風(fēng)預(yù)混裝置將甲烷濃度調(diào)整至合適濃度，隨后送入燃燒器中直接燃燒，加熱燃燒器上方的鍋爐產(chǎn)生熱水或高溫蒸汽，供下游利用。

直燃裝置的核心為特制的低濃度瓦斯燃燒器。成莊礦的直燃裝置采用了特制的金屬纖維燃燒器，對(duì)其阻火阻爆機(jī)理的研究表明，與普通絲網(wǎng)相比，多層金屬纖維織物具有更好的孔徑和表面導(dǎo)熱性能，可迅速將火焰區(qū)熱量導(dǎo)走，且纖維絲網(wǎng)孔徑遠(yuǎn)小于瓦斯臨界熄火孔徑[16-21]，能有效阻止火焰通過，從而可以有效將瓦斯爆炸轉(zhuǎn)化為安全燃燒。

圖7 為晉城成莊礦金屬纖維燃燒器直燃裝置現(xiàn)場(chǎng)，該套裝置目前運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯的安全點(diǎn)火、防爆、穩(wěn)定燃燒及防回火的功能。

圖7 晉城成莊礦直燃裝置現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Site of direct combustion device in Chengzhuang Coal Mine,Jincheng

在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的大背景及經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)下，直燃技術(shù)可以作為一種很具潛力的煤礦甲烷利用途徑，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，其甲烷氧化率可達(dá)98%(表2)，輸出的高溫?zé)犸L(fēng)溫度達(dá)(800±100)℃，尾氣氮氧化物(NOx)含量小于30 mg/m3，僅相當(dāng)于低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組主流排放水平的20%。

表2 直燃工藝主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indicators of direct combustion

2.4 蓄熱氧化

乏風(fēng)瓦斯由于其甲烷濃度極低、排量巨大等特性，存在收集困難、利用經(jīng)濟(jì)性的先天缺陷，因此，國(guó)家相關(guān)部門目前并未規(guī)定低濃度瓦斯必須利用。長(zhǎng)期以來，出于安全及經(jīng)濟(jì)效益考慮，企業(yè)大多放空處理[22]。

瓦斯蓄熱氧化利用是將煤礦抽采的低濃度瓦斯與乏風(fēng)或空氣混配至甲烷體積分?jǐn)?shù)1.0%左右，利用蓄熱氧化原理使氣源中的甲烷氧化產(chǎn)熱，可替代燃煤鍋爐和熱風(fēng)爐，用于礦區(qū)供熱、煤泥烘干、發(fā)電、冷熱電聯(lián)供等。如圖8 所示，該套裝置由多床式低濃度瓦斯蓄熱氧化裝備、新風(fēng)(熱水或蒸汽)換熱裝置、綜合安全控制系統(tǒng)等組成，運(yùn)用低濃度瓦斯輸送保障技術(shù)、不同濃度瓦斯智能混配技術(shù)等，其中，智能混配技術(shù)解決了瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)大的難題[23]。

圖8 低濃度瓦斯蓄熱氧化利用系統(tǒng)Fig.8 Utilization system of low-concentration gas by regenerative oxidation

2016 年華陽新材料科技集團(tuán)有限公司五礦小南莊風(fēng)井建設(shè)了一套設(shè)計(jì)氣體處理能力60 000 m3/h、處理甲烷體積分?jǐn)?shù)0.3%～1.2%的瓦斯蓄熱氧化井筒加熱系統(tǒng)。項(xiàng)目最大供熱能力4 800 kW，實(shí)現(xiàn)了10 000 m3/min 進(jìn)風(fēng)量的井筒防凍及泵站區(qū)域建筑物供暖。

2018 年華陽新材料科技集團(tuán)有限公司一礦楊坡晏風(fēng)井建成一套處理能力160 000 m3/h 的瓦斯蓄熱氧化井筒加熱系統(tǒng)(圖9)。項(xiàng)目最大供熱能力11 200 kW，實(shí)現(xiàn)了21 000 m3/min 進(jìn)風(fēng)量的井筒防凍及風(fēng)井場(chǎng)地建筑物供暖。

圖9 華陽新材料科技集團(tuán)有限公司一礦蓄熱氧化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Application field of regenerative oxidation technology in Yangquan No.1 Coal Mine of Huayang New Material Technology Group Co.,Ltd.

3 低濃度瓦斯梯級(jí)利用主要技術(shù)難題及展望

3.1 低濃度瓦斯發(fā)電

當(dāng)瓦斯甲烷體積分?jǐn)?shù)低于9%時(shí)，低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組效率明顯下降。雖然，目前的發(fā)電機(jī)組具有一定的自適應(yīng)性調(diào)節(jié)功能，但仍然需要基本穩(wěn)定的甲烷濃度，實(shí)際運(yùn)行過程中如果瓦斯氣甲烷濃度波動(dòng)過大，很容易出現(xiàn)保護(hù)停機(jī)、或者發(fā)電機(jī)功率效率嚴(yán)重下降的情況。

目前瓦斯發(fā)電與燃煤發(fā)電相比，總體規(guī)模較小，政策影響力不足，未能形成完備的上、下游供給銷售體系，在運(yùn)電廠普遍面臨供氣不穩(wěn)定、機(jī)組有效利用時(shí)間不穩(wěn)定的情況，亟需攻克適應(yīng)范圍更廣、發(fā)電效率更高的低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組。

此外，低濃度瓦斯燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組排煙的NOx 含量普遍較高，國(guó)產(chǎn)機(jī)組平均達(dá)到1 800 mg/m3以上，進(jìn)口機(jī)組的排煙NOx 含量至少為500 mg/m3。如果強(qiáng)行降低NOx 的排放，發(fā)電效率將會(huì)嚴(yán)重降低。目前很多地區(qū)已經(jīng)開始強(qiáng)制配套脫硝裝置，企業(yè)綜合運(yùn)行成本至少增加0.02 元/(kw·h)。

大力發(fā)展低濃度瓦斯摻混技術(shù)是提高發(fā)電機(jī)組效率的關(guān)鍵。摻混技術(shù)目前主要存在甲烷濃度摻混不均勻?qū)е虏▌?dòng)性較大，優(yōu)化摻混監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性及多次摻混技術(shù)可以有效緩解甚至避免甲烷濃度摻混不均勻的問題。

3.2 變壓吸附提純

現(xiàn)有的變壓吸附提純技術(shù)通常需要對(duì)原料氣進(jìn)行一定程度的加壓，客觀上增加了低濃度瓦斯爆炸的安全風(fēng)險(xiǎn)，且已投運(yùn)的提純?cè)O(shè)備整體運(yùn)行成本普遍較高，以藍(lán)焰公司原料氣日處理1 萬m3規(guī)模的撬裝提純裝置為例，電價(jià)為1.2 元/(kw·h)；產(chǎn)品氣價(jià)格1.5 元/m3，產(chǎn)品氣流量200 m3/h；固定資產(chǎn)折舊率10%；保養(yǎng)次數(shù)2 次/年；人工每天工資100 元/人(每班2 人，三班)，正常運(yùn)行情況下額定功率約100 kW，僅電費(fèi)消耗可達(dá)2 880 元/d，每提純1 m3產(chǎn)品氣電費(fèi)約為0.6 元，成本居高不下(表3)。此外，在提純裝置核心的吸附劑方面，國(guó)產(chǎn)吸附劑在主要性能指標(biāo)上與國(guó)際先進(jìn)水平尚存在一定差距。

表3 撬裝提純裝置年運(yùn)行成本與收益Table 3 Annual cost and income of skid-mounted purification device

制約變壓吸附提純工藝推廣的主要技術(shù)難題是提純效率低導(dǎo)致能耗過高，吸附劑的性能決定了變壓吸附提純工藝經(jīng)濟(jì)性的高低?；钚蕴孔鳛橐环N常用吸附劑，其吸附分離系數(shù)較低，孔徑調(diào)控及表面改性將是今后提高活性炭的吸附效率的研究重點(diǎn)；沸石吸附劑及碳分子篩吸附劑相關(guān)工業(yè)化應(yīng)用較少有待進(jìn)一步研究深入。

3.3 直 燃

甲烷體積分?jǐn)?shù)6%以上的低濃度瓦斯采用直燃技術(shù)，保證瓦斯完全氧化所需溫度至少在880℃以上，而瓦斯爆炸極限區(qū)間隨著溫度的增高而增大。在壓力等其他條件一定時(shí)，隨著溫度升高，瓦斯爆炸濃度下限降低、上限上升，所以甲烷體積分?jǐn)?shù)6%以上的低濃度瓦斯，在采用直燃技術(shù)過程中本質(zhì)上存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，而這一風(fēng)險(xiǎn)隨著溫度和壓力的升高而升高，只能通過加裝防爆、抑爆和防回火設(shè)備實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯爆炸控制，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前低濃度瓦斯直燃技術(shù)雖已在國(guó)內(nèi)多個(gè)礦區(qū)開展了數(shù)年的小規(guī)模試驗(yàn)，但其安全性仍存在較大爭(zhēng)議，技術(shù)成熟度仍有待進(jìn)一步提升，其可靠性尚待檢驗(yàn)，未來的技術(shù)研究必須在安全第一的前提下進(jìn)行。

3.4 蓄熱氧化

甲烷濃度越低，其利用技術(shù)難度越大、經(jīng)濟(jì)效益越差[24]，目前市場(chǎng)上國(guó)內(nèi)外成熟應(yīng)用的乏風(fēng)氧化裝置均以逆流蓄熱氧化為主要工藝路線，均需要摻入大量的較高濃度瓦斯，使進(jìn)入氧化裝置的乏風(fēng)甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%～1.2%，才能使氧化裝置正常穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)乏風(fēng)中甲烷體積分?jǐn)?shù)低于0.3%時(shí)不能滿足氧化自身需要的熱量和氧化的活性溫度，此時(shí)需要外部能源加熱或停止運(yùn)行。當(dāng)井下抽采瓦斯?jié)舛犬惓２▌?dòng)并使摻混后的甲烷體積分?jǐn)?shù)高于1.2%時(shí)，會(huì)造成蓄熱氧化爐體內(nèi)部溫度異常迅速升高，不僅威脅爐體結(jié)構(gòu)安全，而且升高的溫度會(huì)導(dǎo)致甲烷爆炸極限的下限降低，發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)提升。

蓄熱氧化裝置未來仍需進(jìn)一步降低設(shè)備投資成本、提高熱回收率及運(yùn)行穩(wěn)定性，且作為催化氧化裝置核心的催化劑，目前主要采用鈣鈦礦型氧化物，其氧化溫度仍然偏高且催化效率偏低，需進(jìn)一步研究催化反應(yīng)溫度低、熱轉(zhuǎn)化效果好、耐水耐硫的新型催化劑。

4 結(jié)論

a.晉城、陽泉、潞安、西山等山西重點(diǎn)煤礦區(qū)依托“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“山西重點(diǎn)煤礦區(qū)煤層氣與煤炭協(xié)調(diào)開發(fā)示范工程”項(xiàng)目研發(fā)了煤礦瓦斯梯級(jí)利用系列技術(shù)與裝備，開展了甲烷體積分?jǐn)?shù)為30%以上的高濃度瓦斯直接管輸利用、16%～30%的瓦斯變壓吸附提純、9%～16%的瓦斯井口發(fā)電、6%～9%的瓦斯井口直燃、1%～6%的瓦斯蓄熱氧化與摻混等梯級(jí)利用工程示范，有力促進(jìn)了煤礦瓦斯梯級(jí)利用技術(shù)發(fā)展。

b.在山西重點(diǎn)煤礦區(qū)開展的煤礦瓦斯梯級(jí)利用技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用，不僅有效提高了煤礦瓦斯利用技術(shù)水平和利用率，初步形成了山西重點(diǎn)煤礦區(qū)瓦斯梯級(jí)利用技術(shù)體系，也為全國(guó)煤礦瓦斯治理利用提供了可復(fù)制、可推廣的范例，有助于促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

c.低濃度瓦斯梯級(jí)利用技術(shù)雖然在山西重點(diǎn)煤礦區(qū)進(jìn)行了成功示范，但目前仍存在低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組效率低與排煙NOx 含量高、變壓吸附提純技術(shù)吸附劑與電費(fèi)成本高、低濃度直燃技術(shù)安全性仍存在較大爭(zhēng)議，蓄熱氧化關(guān)鍵材料和設(shè)備急需國(guó)產(chǎn)化等諸多技術(shù)經(jīng)濟(jì)難題，在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)指引下，亟需對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電摻混技術(shù)、變壓吸附工藝中活性炭的孔徑調(diào)控及表面改性、安全直燃技術(shù)機(jī)理研究、蓄熱氧化催化劑研究等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)難題進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)。