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双碳背景下潞安化工集团煤矿瓦斯利用发展研究

2025-07-07 95 上传者：管理员

摘要：低瓦斯是指体积分数低于8%的瓦斯，占年抽采瓦斯的80%以上，数量巨大但利用率极低，加强对低瓦斯的捕集和利用对于强化绿色能源和碳中和具有重要意义。文章通过系统调研和分析，统计和总结潞安矿区低浓度瓦斯利用技术和方案，为集团碳中和战略提供支撑。分析发现：集团年瓦斯抽采量在10亿m3,其中体积分数8%～30%的瓦斯利用率达到50%以上，主要通过瓦斯内燃机发电、瓦斯蓄热氧化技术、热源撬、低浓度瓦斯直燃等技术实现抽采瓦斯的直接利用，但同时发现体积分数低于5%的瓦斯利用率不足，指出蓄热氧化技术供热、氧化热电联供等技术是低浓度瓦斯利用首选技术，低瓦斯利用产生的CCER指标可以用于下属化工企业的碳交易，今后形成“以用促抽、以抽保用”的良性循环是未来重点。项目研究成果为潞安碳排放、碳中和及碳交易等未来发展提供了理论支撑。

关键词：
低浓度瓦斯
瓦斯抽采
碳中和
碳减排
绿色能源
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生态环境部于2024年7月公开征求国家标准《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准》意见,修订征求意见稿中说明体积分数高于或等于8%的低浓度瓦斯且抽采纯量<10m3/min将禁止排放[1]｡国家标准的意见征求说明国家对瓦斯排放要求逐步严格｡而煤矿CH4排放量占到我国CH4总排放量的31%左右,煤矿瓦斯因浓度过低难以利用部分占到85%.潞安化工集团下属煤矿抽采瓦斯体积分数基本低于20%,风排瓦斯体积分数低于0.5%,其中体积分数大于8%的部分瓦斯已通过内燃机发电等技术充分利用｡体积分数低于8%的瓦斯及风排瓦斯总体投资收益率低,且无法有效利用,大部分未被利用,导致潞安化工集团总体瓦斯利用率不高[2]｡

学者们针对瓦斯利用做了多方面的研究,在煤矿瓦斯富集分离技术方面,针对煤层气CH4浓度低的特点,PahadeR.F等[3]设计了一个热循环系统,通过控制进料温度､进料压力和回流量等操作参数来实现CH4/N2的分离｡对于膜分离技术,刘东华[4]利用分子模拟技术建立了孔狭缝及孔网络模型,并将其应用到煤层气分离过程｡胡善霖等[5]利用焦炭开发了一种煤层气脱氧工艺,通过循环部分脱氧后煤层气可以将原料气含氧量调节为5%~9%,降低爆炸风险;控制反应温度在600~1000℃,可以把氧气含量降低在0.5%以下,而且甲烷的损失率不高于5%;化学分离技术可适用于氧体积分数为3%~6%的煤层气的脱氧处理,能将煤层气中的氧脱至0.5%以下[6]｡针对低浓度的矿井瓦斯,采用与之相适宜的高效低耗且安全的瓦斯利用技术,将具有极大的经济及环境效益｡CHENH等[7]､CHANGH等[8]和JIAOY等[9]证实了煤矿瓦斯利用固体氧化物燃料电池(SOFC)直接发电的可行性｡王鑫鑫[10]利用商业SOFC电堆的阳极电化学催化作用将含氧低浓度瓦斯转化为清洁能源,可实现发电效率38.2%,燃料利用率72%,放电稳定400h.作为碳排放大国,将低浓度的抽采瓦斯进行绿色高效利用,对于提高煤矿抽采瓦斯利用率和减少碳排放具有重要意义｡

《温室气体自愿减排项目方法学煤矿低浓度瓦斯和风排瓦斯利用》(征求意见稿)的适用条件为体积分数低于8%的瓦斯及风排瓦斯,方法学的发布将为体积分数低于8%的瓦斯及风排瓦斯的利用带来CCER收益｡CCER有助于潞安化工集团煤矿将体积分数低于8%的瓦斯及风排瓦斯进行利用,同时获取CCER指标及收益｡

1、煤矿瓦斯抽采量和利用量现状

1)全国煤矿瓦斯抽采量和利用量｡我国煤矿瓦斯利用起步早,从20世纪50年代开始,但瓦斯利用率非常低｡2005年我国煤矿瓦斯利用率为26.1%,2011年为33.2%,2020年升至44.5%,2023年,我国煤矿瓦斯抽采量稳定在120亿m3左右,利用率达到47%左右,全国瓦斯利用率逐步上升,如图1所示｡国家要求大力推进煤矿瓦斯应抽尽抽､可用尽用,建设高水平瓦斯抽采规模化矿区,推广煤矿规划区､准备区､生产区､采空区“四区联动”井上井下联合抽采｡推广低浓度瓦斯发电､提纯､蓄热氧化､直接燃烧等先进技术,提高瓦斯利用率｡2025年,煤矿瓦斯利用量达到60亿m3.

2)潞安化工集团煤矿瓦斯抽采量和利用量｡在国家政策引导和支持下,潞安化工集团高度重视煤矿瓦斯抽采利用工作｡2023年,潞安化工集团煤矿抽采瓦斯量在10亿m3,体积分数8%~30%的瓦斯利用率达到50%以上,而瓦斯体积分数低于8%的部分利用率则较低｡

图1全国煤矿瓦斯抽采量､利用量和利用率

2、低浓度瓦斯利用技术及应用情况

从瓦斯利用技术来看,瓦斯体积分数高于30%的高浓度瓦斯利用技术有:高浓度瓦斯发电(内燃机､燃气轮机等)､瓦斯提纯(变压吸附､膜分离､低温液化等)､民用燃料等;瓦斯体积分数介于9%~30%的低浓度瓦斯利用技术有:瓦斯提纯(变压吸附､膜分离､低温液化等)､低浓度瓦斯发电(内燃机爆燃式发电);瓦斯体积分数低于8%的超低浓度瓦斯利用技术有:瓦斯直燃､热源撬､蓄热氧化､催化氧化等技术｡

潞安化工集团煤矿抽采瓦斯体积分数基本低于20%,大部分为低浓度瓦斯｡潞安化工集团煤矿主要采用的低瓦斯利用技术有瓦斯内燃机发电､热源撬､低浓度瓦斯蓄热氧化､瓦斯直燃等,如图2所示｡

图2全浓度瓦斯利用技术示意

1)瓦斯内燃机发电｡瓦斯内燃机组､燃气轮机组和蒸汽轮机组是瓦斯发电机组的三大类,瓦斯内燃机组的特点就是“三高”:高功率､只要瓦斯体积分数达到8%以上,就可实现满负荷运转;高效率,机组效能达到40%以上;高度自动化｡低浓度瓦斯发电机组适合我国煤矿点多量小的特点,堪称破解我国煤矿瓦斯难题的金钥匙｡低浓度瓦斯发电同样是潞安化工集团煤矿低浓度瓦斯利用采用的主要技术｡

潞安化工集团五阳煤矿于2006年建设了第一座低浓度瓦斯发电项目,项目装机规模2MW.内燃机发电项目采取自发自用模式,可为煤矿降低用电成本､争取瓦斯利用补贴｡内燃机发电瓦斯利用效率相较其他技术要高,但内燃机发电尾气中氮氧化物较高,需要配套建设脱销设备,导致运行成本上涨｡

2)瓦斯蓄热氧化技术｡蓄热式氧化技术可以处理体积分数0.3%~1.2%的甲烷｡瓦斯抽放泵站抽放的瓦斯和乏风或空气经掺混装置掺混后,使瓦斯体积分数达到1.2%,再导入蓄热式高温氧化装置｡极低浓度甲烷在高温反应腔里瞬间无火焰地氧化为水和二氧化碳｡乏风氧化系统销毁甲烷的效率超过95%,并释放出巨大氧化热｡热能的一小部分用于维持反应温度,大部分热能被导出到换热装置和水进行热交换,产出高温高压蒸汽,可以用于供暖､制冷,也可用于驱动汽轮机发电｡图3为两室蓄热氧化装置示意｡

图3两室蓄热氧化装置示意

潞安化工集团煤矿建成的蓄热氧化项目有高河煤矿乏风氧化发电项目､古城煤矿乏风氧化发电项目､余吾煤业乏风氧化热电联供项目､漳村煤矿氧化供热项目,并且还有在建氧化供热项目｡蓄热氧化项目可将煤矿泵站全部抽排瓦斯及部分风排瓦斯利用,瓦斯利用率高｡国家对瓦斯排放要求逐步严格,且煤矿低浓度瓦斯及风排瓦斯减排项目方法学的发布,将使得蓄热氧化技术成为今后一段时间煤矿瓦斯利用技术的主要方向｡

3)热源撬｡热源撬是可利用体积分数高于5%的瓦斯发热装置｡在常温下,无需使用其他能量事先建立氧化温度场,且不使用热量富集设备,使低浓度瓦斯在热源撬内产生氧化反应释放热风｡与现今国内外已知的热氧化､催化氧化热源系统存在根本的差异｡

热源撬内有多个氧化反应室,低浓度瓦斯进入后,在电弧的激发下,氧化反应开始并积储热能,随之进入自维氧化态连续工作｡低浓度瓦斯在氧化室内充分氧化后,释放出含有二氧化碳､水､氮气等组份的热风,从热源撬的顶部排出｡然后热风进入热源撬的换热装置,与水进行换热,将热风的热量转移到水中,从而使水的温度升高,最终可以提供热水｡图4为热源撬结构原理示意｡

图4热源撬结构原理示意

潞安化工集团建设有一项热源撬项目,为常村煤矿热源撬供热项目,项目投资少､运行维护简单,但只可利用体积分数大于5%的瓦斯,而体积分数大于5%的瓦斯处于爆炸范围内,不被大多数煤矿接受,发展前景不好｡

4)低浓度瓦斯直燃｡低浓度瓦斯直燃技术可细分为催化燃烧技术､多孔介质燃烧技术､掺混燃烧技术｡低浓度瓦斯催化燃烧技术是指甲烷在催化剂表面完全氧化,是一种不可逆的强氧化反应,在反应中引入催化剂可以改变反应路径,降低反应活化能,使甲烷完全氧化和转化,并降低燃烧温度｡开发具有良好催化活性及热稳定性的催化剂是低浓度瓦斯催化燃烧技术的关键;多孔介质燃烧技术采用的技术原理是过焓燃烧原理｡实现了瓦斯体积分数高于4%的瓦斯气安全､稳定燃烧｡燃烧区温度趋于均匀,避免局部高温｡降低CO和NOX的生成;掺混燃烧技术是指在燃烧设备中(燃煤锅炉､循环流化床等)将两种或多种不同燃料混合在一起进行燃烧,按照要求进行掺混混合,使最终配出的混合燃料在性能指标上达到已有设备要求,以期望达到更好的燃烧效果｡

瓦斯直燃技术已经取得一定突破,应用项目多处于工业性实验阶段｡山西省襄垣七一煤矿建设了规模500m3/h的低浓度瓦斯直燃项目;山西省成庄矿白沙风井建设了低浓度瓦斯安全燃烧制热科研示范项目,采用1MW的安全燃烧装置;山西省赵家山煤矿瓦斯直燃项目2021年2月份投入运行,设计利用瓦斯量130万m3/a,潞安化工集团阜生煤业建设了1座瓦斯直燃项目｡

3、发展瓶颈

潞安化工集团五阳煤矿于2006年建设了集团第一座低浓度瓦斯发电项目,装机2MW,随后内燃机发电项目如雨后春笋般逐步建成投运｡高河煤矿于2015年建设了全国第一､全球最大的高河能源乏风发电项目,随后在余吾煤业､古城煤矿､漳村煤矿投运了4项蓄热氧化项目｡

目前,潞安化工集团已使用的针对体积分数低于8%的瓦斯利用技术有瓦斯直燃､热源撬､瓦斯氧化,其中以瓦斯氧化为主｡瓦斯氧化项目投资大,项目的投资需要瓦斯气不少于36Nm3/min,可建设两台处理能力9万方氧化装置及4MW汽轮机组,以实现项目投资收益平衡｡

以潞安化工集团余吾煤业为例,余吾煤业3个瓦斯泵站抽采的瓦斯中仅剩南风井低负压抽采瓦斯无法有效利用｡余吾煤业南风井体积分数低于8%的瓦斯纯量只有10Nm3/min｡如投资蓄热氧化项目,则面临项目可利用瓦斯少､产生热量少､蒸汽不达标､无法配套建设发电部分,只可建设供热部分,项目面临半年停运的问题,项目收益率低,无法投资｡

而潞安化工集团未利用的体积分数低于8%的瓦斯大多类似于余吾煤业南风井的情况,体积分数低于8%的瓦斯不利用,集团瓦斯利用率无法有大的提高,而利用则面临无法投资｡

4、结论及建议

目前,国家生态环境部公开《温室气体自愿减排项目方法学煤矿低浓度瓦斯和风排瓦斯利用》(征求意见稿),适用条件为:①利用收集的风排瓦斯,通过无焰氧化分解销毁,或分解销毁后产生的热能用于发电;②从瓦斯抽采泵站输出的甲烷体积分数不超过8%的煤矿瓦斯与收集的风排瓦斯和/或空气进行掺混,通过无焰氧化分解销毁,或分解销毁后产生的热能用于发电｡

“双碳”背景下,方法学(征求意见稿)的发布意味着潞安化工集团煤矿体积分数低于8%的瓦斯及风排瓦斯如通过无焰氧化分解销毁,则可获得CCER指标及收益｡CCER指标及收益有助于潞安化工集团煤矿大部分体积分数低于8%的瓦斯被利用,这对提高潞安化工集团煤矿瓦斯利用率大有益处｡

国务院办公厅日前引发《加快构建碳排放双控制度体系工作方案》,制修订电力､钢铁､有色､建材､石化､化工等重点行业企业碳排放核算规则标准｡潞安化工集团下属部分化工企业也需进行碳排放双控管理,而潞安化工集团煤矿瓦斯利用项目如能产生CCER指标,则此部分CCER指标则可用于潞安化工集团化工企业的碳履约,实现潞安化工集团效益最大化｡

参考文献:

[1]周言安,杨洋.“双碳”目标下我国煤矿瓦斯利用技术发展方向[J].煤炭技术,2022,41(8):146-149.

[2]栗磊,傅国庭,崔宝库,等.潞安矿区煤矿瓦斯阶梯利用技术及工程实践[J].中国煤层气,2021,18(6):30-32.

[4]刘东华.孔狭缝及孔网络模型在炭膜气体分离中的应用[D].大连:大连理工大学,2007.

[5]胡善霖,廖炯,曾健,等.一种煤层气焦炭脱氧工艺:中国,101322942A[P].2008-12-17.

[6]廖炯,陈耀壮,胡善霖,等.一种含氧煤层气脱氧催化剂及其制备方法及应用:中国,101322942A[P].2008-12-17.

[10]王鑫鑫.基于固体氧化物燃料电池的煤矿低浓度瓦斯高效清洁利用研究[D].徐州:中国矿业大学,2020.

文章来源:靳曙琛.双碳背景下潞安化工集团煤矿瓦斯利用发展研究[J].煤,2025,34(07):21-24.