張志剛，霍春秀

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤層氣是近20余年在國際上崛起的潔凈、優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，全球煤層氣資源量超過260萬億m3。我國埋深2 000 m以淺的煤層氣資源量達36.8萬億m3，與陸上常規(guī)天然氣資源總量相當(dāng)。對煤層氣進行綜合利用能夠調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，同時可以減少環(huán)境污染、促進煤礦安全生產(chǎn)。在我國，煤層氣開發(fā)與利用受到了極大關(guān)注。2006年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的若干意見》，提出煤氣共采，鼓勵煤層氣利用，國家科技部通過“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”國家科技重大專項等項目連續(xù)支持煤層氣開發(fā)，2008 年以來在煤層氣開發(fā)利用領(lǐng)域投入數(shù)百億元，不斷地提高了我國煤層氣開發(fā)利用技術(shù)水平[1-5]。2020年，全國煤層氣抽采量達到185.64億m3，其中地面開發(fā)57.67億m3，井下抽采127.97億m3；煤層氣(煤礦瓦斯)利用量達到110.4億m3，其中地面開發(fā)煤層氣利用量53億m3，井下抽采煤層氣利用量 57.37 億m3。與油氣開發(fā)專項實施前的 2007 年相比，地面和井下煤層氣開發(fā)/抽采量分別增長27.5倍和2.9倍。煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)取得了重大進展，初步形成了以含氧煤層氣深冷液化、低濃度煤層氣提質(zhì)、低濃度煤層氣發(fā)電提效、超低濃度瓦斯蓄熱氧化綜合利用等為核心技術(shù)的煤礦區(qū)煤層氣全濃度利用技術(shù)體系，為提高煤礦抽采瓦斯利用率提供了技術(shù)支撐，助推了煤礦區(qū)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、清潔低碳能源發(fā)展。另一方面，作為人為甲烷排放量最大來源的煤礦區(qū)煤層氣，減排潛力巨大。但是，煤礦區(qū)煤層氣氣源分散性高、氣量波動大、瓦斯?jié)舛鹊?、集輸利用?jīng)濟性差等難題依舊突出，迫切需要煤層氣利用技術(shù)裝備的進步和完善。筆者在總結(jié)“十三五”以來煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)成果、分析推廣應(yīng)用存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙碳目標(biāo)對煤礦瓦斯“零”排放的要求，提出了煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)優(yōu)化與發(fā)展方向的建議，以期為煤層氣的高效利用提供參考。

1 煤層氣利用技術(shù)研究進展

隨著國家加強煤礦瓦斯抽采管理及煤炭產(chǎn)能的提升，煤礦瓦斯抽采目的已從最初的保障煤礦安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蓺獠擅阂惑w化的綜合開發(fā)；瓦斯抽采技術(shù)也由本煤層抽采和采空區(qū)抽采的單一技術(shù)逐步發(fā)展為井上下立體抽采、井下各種抽采技術(shù)組合應(yīng)用的綜合抽采技術(shù)。在“十三五”期間，我國加快關(guān)閉資源枯竭、災(zāi)害嚴重、與生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)重疊的煤礦；推動煤礦向資源富集地區(qū)集中；部分高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井關(guān)閉或進入收縮性開采，全國煤礦瓦斯抽采量趨于穩(wěn)定，進入平臺期，煤礦瓦斯抽采量每年維持在130億m3左右。

受煤層氣開發(fā)方式及開發(fā)階段差異的影響，煤礦區(qū)煤層氣濃度(甲烷體積分數(shù)，下同)分布范圍廣(0.8%～90.0%)，分段利用成為了必然需求[6]。依托“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”國家科技重大專項項目，我國在煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)方面取得了長足的進步，初步形成了濃度大于30%的煤層氣采用深冷液化提純技術(shù)、濃度為8%～30%的采用煤層氣發(fā)電技術(shù)、濃度小于8%的采用煤層氣蓄熱氧化技術(shù)的全濃度利用技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1 煤層氣全濃度利用技術(shù)體系圖

1.1 含氧煤層氣深冷液化技術(shù)

液化煤層氣具有儲存效率高、運輸靈活方便的優(yōu)點，對儲氣調(diào)峰具有重要的意義。其中，高濃度煤層氣(甲烷體積分數(shù)φ(CH4)>90%)催化脫氧深冷液化技術(shù)已經(jīng)成熟，并在國內(nèi)外得到了大規(guī)模的應(yīng)用[7-8]。但是煤礦區(qū)煤層氣甲烷濃度低、氧含量高，采用催化脫氧深冷脫氮液化工藝，甲烷回收率低，項目經(jīng)濟性差[9]。

依托國家科技重大專項的持續(xù)支撐，煤礦區(qū)煤層氣(φ(CH4)>30%)含氧深冷液化技術(shù)研究取得了重大進展，形成了以低能耗控制和精餾塔安全保障為核心的成套工藝技術(shù)[10-11]。其技術(shù)原理是利用煤層氣中不同氣體組分在操作壓力下的沸點差，在低溫低壓狀態(tài)下通過精餾直接分離甲烷和氧、氮成分，工藝系統(tǒng)主要包括原料氣過濾與計量、原料氣壓縮與凈化、制冷與液化、LNG儲運等環(huán)節(jié)。將氣柜輸送來的煤層氣脫水除塵后，加壓送至凈化裝置，脫除二氧化碳等酸性氣體；壓縮凈化后的原料氣，送入冷箱，依次經(jīng)過多級板翅式換熱器組與返流冷流體進行熱交換，使氣體溫度逐級降低，降溫后原料氣進入精餾塔，在精餾塔頂部原料氣被部分冷凝為液體，液體在精餾塔中由上向下流動，從精餾塔底部引出的液體即為LNG。

該技術(shù)采用氮循環(huán)與混合冷劑循環(huán)耦合制冷的方式，對冷箱內(nèi)部各制冷溫區(qū)進行合理的冷量分配，在低溫低壓下同時液化分離甲烷與氧、氮組分，同規(guī)模能耗可降低18%以上；精餾塔采用防雷擊、防靜電、防火源等特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計確保無火源；開發(fā)出具有特殊抑爆性能的規(guī)整填料和先進的裝填工藝，實現(xiàn)了含氧煤層氣直接液化的壓縮、凈化、液化與分離各流程的安全運行[12]。

在貴州盤州山腳樹煤礦建成了煤層氣直接液化制LNG工業(yè)應(yīng)用示范工程。該工程于2015年12月開工，總投資6 700萬元(不含LNG儲罐)，2016年12月完成聯(lián)合調(diào)試及試車。裝置設(shè)計原料氣混合處理量10萬m3/d(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同)，滿負荷LNG日產(chǎn)量21 t，操作彈性65%～110%，LNG產(chǎn)品總烴含量大于99.6%，甲烷的回收率超過98%。

1.2 低濃度煤層氣變壓吸附濃縮技術(shù)

變壓吸附濃縮技術(shù)具有能耗低、操作靈活方便、常溫下可連續(xù)運行等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油化工領(lǐng)域。該技術(shù)的關(guān)鍵是選取性能優(yōu)良的吸附劑，不同吸附劑對甲烷和氮、氧等組分的吸附特性不同，決定了低濃度煤層氣不同的濃縮工藝[13-14]。

近年來，科研人員對低濃度煤層氣(φ(CH4)=20%～30%)的短流程變壓濃縮吸附技術(shù)進行了大量研究。依托煤基質(zhì)高性能碳分子篩開發(fā)了原料氣適用范圍較寬的低壓短流程提質(zhì)利用工藝技術(shù)，可將φ(CH4)為20%～30%的煤層氣，經(jīng)過二級或者三級變壓吸附濃縮至90%以上，回收率達 90%。濃縮產(chǎn)品氣中O2含量(體積分數(shù))控制在1%以下，較常規(guī)技術(shù)降低能耗 15%～20%。其工藝流程如圖2 所示。

圖2 短流程變壓吸附濃縮工藝流程

2018年，在山西華陽新材料科技集團新景礦神堂嘴建設(shè)了以甲烷濃度為35%左右的煤層氣為原料、經(jīng)三級變壓吸附提質(zhì)濃縮制壓縮天然氣(CNG)項目，產(chǎn)品氣熱值達到33.47 MJ/m3，裝置產(chǎn)能達到2 119 m3/h，擴展了低濃度煤層氣安全集輸利用途徑。

1.3 低濃度煤層氣發(fā)電提效技術(shù)

煤層氣發(fā)電因其有政策補貼成為目前最主要的煤層氣利用方式，高濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)較低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)混配穩(wěn)濃相對容易，發(fā)電效率也更高。低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)是將甲烷濃度為8%～30%的煤層氣穩(wěn)濃脫水處理后送入發(fā)電機組通過燃燒發(fā)電進行利用，低濃度煤層氣的溫度、甲烷濃度穩(wěn)定性差和液態(tài)水含量較高是導(dǎo)致低濃度煤層氣發(fā)電機組發(fā)電效率低、故障率高及增壓器等關(guān)鍵部件壽命短的主要原因[15-16]。近年來針對低濃度煤層氣氣源穩(wěn)濃、除塵及深度脫水的技術(shù)研究取得了重大突破，該技術(shù)以高精度智能混配控制和原料氣深度脫水提質(zhì)兩項技術(shù)為核心，低濃度煤層氣發(fā)電提效工藝流程如圖3所示。

圖3 低濃度煤層氣發(fā)電提效工藝流程

由圖3可見，研發(fā)的分布式激光甲烷檢測裝置，可實現(xiàn)8路同時檢測，傳感器氣室采用光纖準(zhǔn)直器透射形式，響應(yīng)時間從50 s減到9.1 s，測量誤差降低到±2.1%；研發(fā)了超聲波氣體流量計，采用超聲波自干涉驅(qū)動和互相關(guān)算法提高了測量精度，示值誤差最大-0.46%，不確定度為0.43%，測量精度達到了0.5級；研發(fā)了前饋加后反饋的智能調(diào)節(jié)工藝，可實現(xiàn)原料氣分段式流量、濃度自動混配控制，保持原料氣甲烷濃度穩(wěn)定。研發(fā)了余熱降溫與機械聯(lián)合脫水成套裝備，利用發(fā)電機組尾氣作為熱源，通過溴化鋰制冷機組制取冷水，降低瓦斯氣源溫度，析出冷凝水并通過機械脫水裝置脫除；通過發(fā)電機組缸套水對瓦斯氣體復(fù)溫，使進入發(fā)電機組的瓦斯氣體不含液態(tài)水，實現(xiàn)了原料氣的低能耗深度脫水提質(zhì)。

該技術(shù)在山西晉城小西瓦斯電站得到了試驗應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，與采用原混配、機械脫水技術(shù)相比，本裝置發(fā)電效率提升了12.67%，發(fā)電機組的開機率提高約24%。

1.4 低濃度瓦斯安全燃燒技術(shù)

低濃度瓦斯燃燒技術(shù)是將甲烷濃度大于6%的瓦斯氣體直接燃燒進行利用，根據(jù)不同下游用戶使用場景可制備生活用熱水或發(fā)電用高溫蒸汽，煙氣余熱可通過煙氣換熱器或溴化鋰制冷設(shè)備進行回收利用。國內(nèi)外對有機廢氣燃燒利用的研究較成熟，但低濃度瓦斯具有易燃易爆特性，在低濃度瓦斯燃燒利用時會存在回火、爆炸等安全隱患，其技術(shù)研究進展緩慢。近年來，隨著抽采瓦斯利用力度的逐步加強，國內(nèi)部分研究機構(gòu)及企業(yè)單位逐步加強了低濃度瓦斯直接燃燒利用技術(shù)研究及試驗工作。低濃度瓦斯燃燒器主要基于金屬纖維燃燒和多孔介質(zhì)穩(wěn)燃2種原理進行設(shè)計。

依托國家重大專項支撐，中煤科工集團重慶研究院有限公司基于金屬纖維燃燒技術(shù)研究了低濃度瓦斯直接安全燃燒技術(shù)，對金屬纖維燃燒器和阻火器的阻火阻爆機理進行了研究和試驗，研究表明在合理的設(shè)計參數(shù)下，金屬纖維燃燒器能夠有效阻火、隔熱，阻斷瓦斯爆炸火焰和沖擊波的傳播，將瓦斯爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩紵Ｔ诖嘶A(chǔ)上，研發(fā)了處理能力為2 000 m3/h的低濃度瓦斯工業(yè)化燃燒試驗系統(tǒng)，并在重慶松藻石壕礦完成了工業(yè)性試驗，驗證了該技術(shù)具有較好的安全性和可靠性。

安徽理工大學(xué)與北京君發(fā)公司合作研究了多孔介質(zhì)穩(wěn)燃技術(shù)，研制的單向燃燒器采用迷宮式溫度場(如圖4所示)，解決了點火困難、點火爆炸、回火爆炸、熄火及點火延遲等技術(shù)難題，增加了點火、熄火、回火、尾氣可燃物含量超限、閥門泄漏、停電保護，快速切斷氣源等多重保護功能。

(a)單向燃燒器

1.5 極低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)

低濃度煤層氣蓄熱氧化技術(shù)是將甲烷濃度小于8%的煤層氣通過混配穩(wěn)濃等技術(shù)處理后送入蓄熱氧化裝置氧化產(chǎn)生的熱能加以利用的技術(shù)，是目前唯一能較好地利用極低甲烷濃度煤層氣的技術(shù)。為提高瓦斯蓄熱氧化利用技術(shù)的經(jīng)濟性，“十二五”以來，我國進行了抽采低濃度瓦斯與礦井乏風(fēng)混配氣體進行蓄熱氧化利用技術(shù)的研究，近年來該技術(shù)逐步完善，逐漸成為礦井乏風(fēng)瓦斯等極低濃度瓦斯的主流利用技術(shù)。該技術(shù)以低濃度煤層氣輸送保障技術(shù)、不同濃度煤層氣智能混配技術(shù)、綜合安全控制技術(shù)、多床式低濃度煤層氣蓄熱氧化裝備等為核心，通過智能混配技術(shù)實現(xiàn)了瓦斯氣體自動、均勻混配，解決了瓦斯?jié)舛炔▌哟蟮碾y題[17-19]；通過多床式低濃度煤層氣蓄熱氧化裝備解決了蓄熱氧化裝置換向時憋氣、串氣和氧化床內(nèi)煤層氣濃度波動大的難題，提高了蓄熱氧化裝置運行的穩(wěn)定性，平均甲烷氧化率可達98%以上，單位處理量能耗降低了10.67%；通過綜合安全控制技術(shù)實現(xiàn)了瓦斯?jié)舛瘸?、爐膛超溫、抽采泵站憋壓等異常狀況的緊急處置，保證了蓄熱氧化系統(tǒng)及抽采泵站的安全；通過遠程監(jiān)控及故障專家診斷提升了系統(tǒng)自動化運行水平，實現(xiàn)了減人提效。基于Internet的遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖5所示。

圖5 基于Internet的遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能框架圖

2 煤層氣利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

“十三五”期間，煤礦井下抽采煤層氣利用率穩(wěn)步提升，2018年首次突破了40%，2020年達到了44.83%，利用量達57.37億m3，其中山西省和貴州省是瓦斯利用的主力省份，兩省瓦斯利用量約占全國瓦斯利用量的72.2%。2010—2020年煤礦井下煤層氣抽采利用情況如圖6所示。

圖6 2010—2020年井下煤層氣抽采利用量變化

發(fā)電仍是目前煤礦抽采瓦斯利用的主要技術(shù)途徑。截至2019年底，全國煤礦瓦斯發(fā)電總裝機容量突破了200萬kW。2018年，山西省利用瓦斯量27.6億m3，利用率為42.8%，其中瓦斯發(fā)電利用瓦斯量18.7億m3，占比為67.8%；煤礦瓦斯民用30.4萬戶，民用瓦斯量5.2億m3，占比為18.7%；礦井瓦斯鍋爐等其他瓦斯用量3.7億m3，占比為13.5%。甲烷濃度大于30%的高濃度瓦斯利用量為16.9億m3，利用率為63.2%，主要用于瓦斯發(fā)電、居民生活、瓦斯鍋爐、氧化鋁焙燒等；低濃度瓦斯利用量為10.7億m3，利用率為29.2%，全部用于瓦斯發(fā)電。

極低濃度煤層氣蓄熱氧化利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。隨著國家《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃(2014—2020年)》的實施，山西潞安、陽泉和安徽淮南等礦區(qū)先后建設(shè)運行了20余個瓦斯蓄熱氧化利用項目，年處理煤礦乏風(fēng)瓦斯及抽采低濃度瓦斯總量超過3億m3，氧化產(chǎn)熱被應(yīng)用于蒸汽輪機發(fā)電、供熱、冷熱電聯(lián)供及煤泥烘干等，在有效減少低品位煤層氣直接排放的同時，緩解了煤礦清潔能源緊張的局面。

低濃度瓦斯安全燃燒技術(shù)的應(yīng)用近年來也在快速實施。2020年7月，山西銘石煤層氣利用股份有限公司采用金屬纖維燃燒器，在晉煤集團成莊礦白沙風(fēng)井建設(shè)了1 MW低濃度瓦斯直燃制熱一體化系統(tǒng)，替代原來的燃氣鍋爐，為白沙風(fēng)井工區(qū)建筑物供暖、風(fēng)井保溫及職工洗浴等服務(wù)，該系統(tǒng)采用甲烷濃度為6%～30%的抽采瓦斯作為燃料直接燃燒利用。航天科工山西科技發(fā)展集團有限公司采用多孔介質(zhì)穩(wěn)燃技術(shù)在呂梁市柳林金家莊煤礦建設(shè)了瓦斯直接燃燒供熱示范項目，截至2022年6月已運行2年。

煤層氣提純制LNG/CNG技術(shù)的推廣則比較緩慢。一方面，煤層氣利用產(chǎn)業(yè)經(jīng)過10余年的高速發(fā)展，氣量和甲烷濃度同時滿足提純項目規(guī)?；枨髼l件的氣源較少；另一方面，煤層氣提純項目受LNG/CNG銷售價格影響較大，影響了提純技術(shù)的推廣。

3 煤層氣利用技術(shù)發(fā)展方向

隨著我國煤炭生產(chǎn)集中度日益提高，千萬噸級礦井將成為煤炭供應(yīng)的主體；廢棄礦井?dāng)?shù)量急劇增加，其賦存的煤層氣資源高效開發(fā)利用也將成為煤層氣利用的重要一環(huán)；同時，現(xiàn)有煤礦大多位于偏遠地區(qū)，煤層氣開發(fā)規(guī)模小、利用率低等問題依然存在。煤礦區(qū)煤層氣甲烷濃度低、氣源不穩(wěn)定、集中度低、經(jīng)濟性差等難題短期內(nèi)無法根本解決，同時“碳達峰、碳中和”目標(biāo)下煤礦瓦斯“零排放”是對煤層氣利用提出的新要求。未來煤層氣利用技術(shù)優(yōu)化與發(fā)展的方向應(yīng)集中在以下方面：

1)基于風(fēng)排瓦斯低能耗經(jīng)濟氧化利用技術(shù)。我國煤礦乏風(fēng)瓦斯年排放量約200億m3，乏風(fēng)瓦斯利用潛力(減排壓力)巨大。針對礦井乏風(fēng)瓦斯甲烷濃度低但相對穩(wěn)定的特點，結(jié)合智能化礦山建設(shè)，優(yōu)化蓄熱氧化裝置結(jié)構(gòu)、簡化控制系統(tǒng)等附屬設(shè)施，以實現(xiàn)風(fēng)排瓦斯智能化低能耗氧化利用或銷毀。

2)分布式煤層氣經(jīng)濟利用成套技術(shù)。研究撬裝式煤層氣濃縮液化成套技術(shù)，研制小規(guī)模瓦斯抽采發(fā)電一體化裝備，滿足廢棄礦井煤層氣開發(fā)輸送的需求；研究低濃度煤層氣安全燃燒熱能利用工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)，重點解決因瓦斯流速、濃度變化等引起的燃燒器脫火問題，以及脫火瓦斯積聚產(chǎn)生的安全隱患、燃燒器損壞或回火準(zhǔn)確監(jiān)測等問題，從而解決甲烷濃度大于5%的小規(guī)模分散煤層氣的經(jīng)濟利用難題[20-21]。

3)低濃度煤層氣規(guī)模化提質(zhì)利用工藝技術(shù)。隨著低階煤集約化、高強度開采，煤礦區(qū)低濃度煤層氣產(chǎn)量將會大幅提升，優(yōu)化煤層氣提純制LNG/CNG工藝，提高技術(shù)的經(jīng)濟性，解決低濃度煤層氣規(guī)模化經(jīng)濟利用的難題。

4 結(jié)語

“十三五”以來，煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)發(fā)展迅速，含氧煤層氣深冷液化技術(shù)、低濃度煤層氣變壓濃縮吸附技術(shù)、低濃度煤層氣發(fā)電提效技術(shù)和極低濃度煤層氣蓄熱氧化利用技術(shù)為提高煤礦區(qū)煤層氣利用率提供了強有力的技術(shù)支撐。但煤礦區(qū)煤層氣利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體上處于起步階段，隨著煤礦集約化高強度開采快速推進、智能化礦山建設(shè)快速實施，應(yīng)加大風(fēng)排瓦斯低能耗經(jīng)濟氧化利用技術(shù)、分布式煤層氣經(jīng)濟利用成套技術(shù)、低濃度煤層氣規(guī)模化提質(zhì)利用工藝技術(shù)的研究力度，為煤礦瓦斯“零排放”提供技術(shù)及裝備支撐，助力“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的如期順利實現(xiàn)。