黃 宇

（新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830001）

煤層氣是一種潔凈且優(yōu)質(zhì)的能源，具備廣闊的應(yīng)用前景。然而，從其現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)煤層氣的利用效率不高，主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)煤層透氣性不理想，且抽采率和抽采濃度偏低，這對(duì)煤層氣的高效利用不利。此外，國(guó)內(nèi)煤層氣利用技術(shù)及途徑單一化也影響了煤層氣的利用率[1]。從煤層氣綜合利用效率提升的角度考慮，文章主要圍繞煤層氣綜合利用現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行分析與研究，具備一定的價(jià)值意義。

1 煤層氣綜合利用現(xiàn)狀

煤層氣主要成分為甲烷，屬于潔凈且優(yōu)質(zhì)的能源，作為一類非常規(guī)天然氣，其具備廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)務(wù)院辦公廳于2013年頒布的《關(guān)于進(jìn)一步加快煤層氣（煤礦瓦斯）抽采利用的意見(jiàn)》明確指出：需通過(guò)提高煤層氣利用補(bǔ)貼、稅費(fèi)政策支持以及科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新等方式，使煤層氣的利用率提高。目前，我國(guó)煤層氣綜合利用效率仍然較低。下面主要從煤層氣的抽采、利用兩方面對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.1 抽采現(xiàn)狀

從早期《煤礦安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可知：煤層氣的使用，需保證其濃度≥30%，不達(dá)標(biāo)則采取直接排空處理。因國(guó)內(nèi)煤層透氣性不理想，大多數(shù)抽采煤層氣濃度＜30%，從而導(dǎo)致煤層抽采率偏低。相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)2005年大多數(shù)礦井抽采率＜50%，大約50%的礦井抽采率＜30%?！睹旱V安全規(guī)程》（2010年）中取消了針對(duì)濃度在30%以下的煤層氣，明確在內(nèi)燃機(jī)發(fā)電中需通過(guò)低濃度煤層濃縮處理后才可以投入應(yīng)用這一條規(guī)范；進(jìn)一步對(duì)煤層氣抽采與利用范圍給予適當(dāng)放寬，甲烷濃度處于6%～30%的煤層氣得到了廣泛的推廣與利用[2]。然而，對(duì)于濃度＜5%的煤層氣，稱之為超低濃度煤層氣，因缺乏成熟的技術(shù)作為有效支持，導(dǎo)致利用難度顯著增加，針對(duì)超低濃度煤層氣則通過(guò)直接排空的方式處置。目前，國(guó)內(nèi)煤層氣抽采率還有待進(jìn)一步提升。此外，從我國(guó)煤層氣抽采率來(lái)看，2019年年底全國(guó)煤層氣抽采規(guī)模超過(guò)了200億m2，未來(lái)仍有上升的趨勢(shì)，采取有效措施及創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)顯著提升煤層氣的綜合利用效率尤為重要[3]。

1.2 利用現(xiàn)狀

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查可知，我國(guó)的抽采煤層氣利用量雖呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，然而在利用率方面則仍舊呈現(xiàn)＜50%的局面。相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，在2011—2013年，抽采煤層氣利用率分別為46.1%、41.1%、42.30%，不升反降趨勢(shì)明顯；其中，井下抽采煤層氣利用率不足40%，其浪費(fèi)狀況明顯；而地面抽采煤層氣，因甲烷的濃度比較高，所以具備較高的利用率，大概可達(dá)到80%。然而，國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤層透氣性不夠好，導(dǎo)致地面抽采成本偏高，且效率偏低，推廣性不強(qiáng)。從現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)抽采煤層氣中，地面抽采率在總抽采量中所占比重大約只有20%。研究表明，要想提升地面抽采煤層氣量，就需增加煤層的透氣性[4]。為此，有必要掌握先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，以促進(jìn)煤層透氣性的增加，從而提高國(guó)內(nèi)抽采煤層氣的利用率。

2 煤層氣綜合利用趨勢(shì)

煤層氣綜合利用，即針對(duì)不同濃度的煤層氣綜合利用，使其資源價(jià)值得到最大程度的展現(xiàn)，使浪費(fèi)率明顯降低。就煤層氣綜合利用趨勢(shì)層面而言，在諸多領(lǐng)域都具備廣闊的應(yīng)用前景，具體如下。

2.1 煤層氣民用

雖然煤層氣民用是一種傳統(tǒng)的煤氣層利用方式，但是其利用量高，僅排在煤層氣發(fā)電之后，可見(jiàn)其利用前景廣闊。煤層氣民用主要對(duì)甲烷濃度在35%～40%的煤層氣加以應(yīng)用。由于煤層氣含氧，不可進(jìn)行高壓輸送，因此需以就近利用為原則，保證當(dāng)?shù)氐木用窦懊旱V員工日常用氣需求得到有效滿足[5]。與此同時(shí)，由于煤層氣燃燒不會(huì)產(chǎn)生污染空氣的雜質(zhì)，且煤層氣價(jià)格相較于天然氣更具優(yōu)勢(shì)，因此可以起到節(jié)省成本的作用，可在有條件的居民及企業(yè)中推廣應(yīng)用。此外，煤層氣民用也存在一定的局限性：其一，煤層氣民用要求濃度偏高；其二，因?yàn)槊旱V開(kāi)采區(qū)域大多數(shù)偏僻，區(qū)域內(nèi)居民不多，且居民分布呈現(xiàn)分散狀態(tài)，煤層氣民用的推廣存在很大的困難性，進(jìn)而導(dǎo)致利用量偏低，所以必須采取技術(shù)方法、現(xiàn)代化運(yùn)輸手段，提升煤層氣民用效率。

2.2 煤層氣發(fā)電利用

從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀來(lái)看，煤層氣發(fā)電為煤層氣利用的主要途徑。早在19世紀(jì)80年代，煤層氣發(fā)電利用燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備，所采取的是甲烷體積分?jǐn)?shù)＞40%的高濃度煤層氣。國(guó)內(nèi)煤層氣中＞70%的甲烷體積分?jǐn)?shù)在30%以下，由于受到氣源的限制，使得高濃度煤層氣發(fā)電很難得到進(jìn)一步的發(fā)展，因此煤層氣發(fā)電的主流趨勢(shì)傾向于低濃度的煤層氣。低濃度煤層氣主要借助內(nèi)燃機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電，通常對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)在5%～25%的低濃度煤層氣加以利用。在自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備裝置的基礎(chǔ)上，使甲烷體積分?jǐn)?shù)控制在6%，然后送入內(nèi)燃機(jī)中帶動(dòng)發(fā)電。當(dāng)然，低濃度煤層氣發(fā)電也存在一些技術(shù)難題，具體表現(xiàn)為：（1）需有針對(duì)性地研發(fā)相關(guān)技術(shù)，并在煤層氣輸送管道加設(shè)阻火裝置，從而有效避免煤層氣回火的發(fā)生。另外，金屬阻火網(wǎng)阻火技術(shù)、細(xì)水霧輸送技術(shù)以及水封阻火技術(shù)等，均能夠解決此類問(wèn)題。（2）對(duì)于發(fā)電設(shè)備，有必要使其與煤層氣的濃度及壓力變化相適應(yīng)。在發(fā)電設(shè)備前端位置安裝自動(dòng)控制混合裝置及增壓器等設(shè)備，在保證煤層氣送入發(fā)電系統(tǒng)后，煤層氣能夠保持穩(wěn)定性，使發(fā)電設(shè)備與煤層氣的濃度及壓力變化充分適宜，避免煤層氣利用不充分的情況出現(xiàn)。

2.3 煤層氣濃縮利用

煤層氣濃縮利用是煤層氣綜合利用未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一，指利用變壓吸附濃縮、深冷液化分離以及溶液吸收法等技術(shù)方法，脫除煤層氣中的氧和氮，將煤層氣制作成壓縮天然氣（CNG）或者LNG（液化天然氣）產(chǎn)品，進(jìn)而提升煤層氣的運(yùn)輸便利及利用效率。具體技術(shù)方法如下：

（1）變壓吸附濃縮技術(shù)。該技術(shù)方法的優(yōu)勢(shì)突出，操作靈活，且分離能耗低。在煤層氣分離過(guò)程中，變壓吸附分離技術(shù)的應(yīng)用主要對(duì)可選擇吸附甲烷、氮?dú)饧把鯕獾奈絼┻M(jìn)行制備。例如，國(guó)內(nèi)有學(xué)者利用高效吸附專用煤基碳分子篩對(duì)煤層氣進(jìn)行濃縮處理；還有研究者通過(guò)使用專用吸附劑，使其在煤層氣甲烷富集及脫氧中發(fā)揮作用。此外，因?yàn)槭艿胶趺簩託庵荒軐?shí)行低壓操作的限制，設(shè)備體積龐大，且設(shè)備成本偏高，所以在大規(guī)模應(yīng)用方面的推廣力度不足。對(duì)此，有必要進(jìn)一步改進(jìn)變壓吸附濃縮技術(shù)，使其在煤層氣濃縮的推廣價(jià)值得到有效提高。

（2）深冷液化分離技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)主要基于低溫條件下對(duì)低濃度煤層氣進(jìn)行液化處理，進(jìn)一步將煤層氣的甲烷分離出來(lái)，使其生成LNG，此類產(chǎn)品的附加值很高，具備廣闊的發(fā)展空間。在相同的情況下，LNG體積與甲烷氣體體積的比值為0.0016∶1，其運(yùn)輸成本更低，且運(yùn)輸更加便利、靈活[6]。因此，可以利用深冷液化分離技術(shù)，液化處理濃度煤層氣，然后投入應(yīng)用，提升煤層氣綜合利用效率。

（3）溶液吸收技術(shù)。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含氮天然氣的提純處理。例如，美國(guó)AET公司研發(fā)了一種基于低溫條件下采取溶液吸收法對(duì)含氮天然氣進(jìn)行分離的技術(shù)，該技術(shù)以相似相溶原理為依據(jù)，采用烴類溶積吸收混合氣體中的甲烷，然后通過(guò)閃蒸的處理方法獲取高純度的甲烷。

2.4 通風(fēng)煤層氣利用

通風(fēng)煤層氣有很廣闊的利用前景，有必要重視通風(fēng)煤層氣的利用。而從煤礦通風(fēng)煤層氣的利用方式來(lái)看，主要體現(xiàn)在兩方面：（1）作為主燃料。由于通過(guò)逆流熱氧化法或催化氧化法，其不需要其他燃料輔助，能夠作為主燃料，因此可帶動(dòng)設(shè)備持續(xù)正常穩(wěn)定作業(yè)。值得注意的是，通風(fēng)煤層氣甲烷含量比較低，不能用于燃燒，對(duì)此可應(yīng)用熱力雙向流化反應(yīng)器或者催化媒雙向流化反應(yīng)器，對(duì)低濃度甲烷氣體進(jìn)行利用。（2）作為輔助燃料。比如將通風(fēng)煤層氣通過(guò)技術(shù)處理后，用于電廠輔助燃燒空氣。例如，在煤礦坑口電站、煤礦煤層氣發(fā)電站等與煤礦較近的場(chǎng)合中，可以將通風(fēng)煤層氣當(dāng)作空氣源，從而使煤礦通風(fēng)煤層氣得到有效利用。總之，通風(fēng)煤層氣利用也具備一定的前景，不過(guò)從現(xiàn)狀來(lái)看其推廣局限性較大，需重視技術(shù)的提升，使通風(fēng)煤層氣的利用效率得到有效提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從現(xiàn)狀來(lái)看我國(guó)煤層氣利用效率還有待提升。而從煤層氣綜合利用趨勢(shì)來(lái)看，其在煤層氣民用、煤層氣發(fā)電利用、煤層氣濃縮利用以及通風(fēng)煤層氣利用等領(lǐng)域價(jià)值作用顯著，需重視現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，來(lái)提升煤層氣綜合利用效率及質(zhì)量，進(jìn)一步為促進(jìn)我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。