矿井瓦斯回收及利用技术

[摘 要]本文介绍了目前矿井瓦斯开发利用技术，提出了煤层气产业的发展方向。

[关键词]煤层气、燃料、液化、提纯、发电

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0029-02

煤层气即“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），是主要存在于煤矿的伴生气体。瓦斯是造成煤矿事故的主要原因之一，煤层气随着煤炭的开采泄漏到大气中，会加剧全球的温室效应，随着采煤技术的日新月异，通风成本的增长，以及人类环境意识的增强，已不允许无休止地向大气排放瓦斯。

煤层气是热值高、无污染的新能源。可用来发电，作工业燃料、化工原料和居民生活燃料。煤层瓦斯作为一种不可再生的资源，在世界各国已不再把它作为一种废气来处理，而是把它直接利用或者提纯富集加以利用。

煤层气（瓦斯）分为两类：一类是在煤炭开采前通过地面垂直钻井，采用水力压裂技术抽采的煤层气，这种煤层气被称为地面钻井开采煤层气（CBM），甲烷含量在95%以上，可直接通过管道输送，也可加压液化后通过汽车、火车或轮船运输。另一类是由于煤矿的开采而释放出的煤层气（CMM），通过矿井通风系统抽放所得，即含氧煤层气，甲烷含量仅20%～75%。这种抽采方式投资小，风险小。这是我国目前煤炭企业普遍采用的抽采方式，约占全世界煤矿排放甲烷量的70%。但这种煤层气不能直接作为民用和工业原料，只有通过分离提纯，才能实现安全、方便、经济的远距离运输。

1 作为燃料

矿井回风流低浓度瓦斯作为主要燃料，目前使用的燃烧设备主要有两类（表8-6-1）：一类是美国Sequa公司和瑞典ADTEC研制开发的热流转反应器（TFRR）；另一类是加拿大能源多样化实验室和NRcan研制的催化流转反应（CFRR）。

表 8-6-1 煤矿通风瓦斯利用技术概要

全球开发的稀薄燃烧燃气轮机包括澳大利亚能源开发公司（EDL）的腹热时燃气轮机，澳大利亚联邦科学研究院（CSIRO）的稀薄燃烧催化涡轮以及美国英格索兰公司（IR）的装配催化燃气轮机和内燃机的联合系统。在这一联合系统中，内燃机使用煤矿抽排瓦斯的效率更高，而催化涡轮机则主要利用煤矿通风瓦斯，其中一部分抽排瓦斯作为补充燃料使用。

另外针对第二类瓦斯还可采用变压吸附法、低温法富集甲烷，但存在爆炸的安全隐患。因此，利用煤层气资源，必须突破煤层气脱氧的技术瓶颈。

2瓦斯液化技术

目前世界上通常采用的瓦斯液化技术，主要有小型LNG系统工艺循环：带丙烷预冷的混合工质闭式循环；单工质透平膨胀闭式循环；Joule-Thomson膨胀开式循环；透平膨胀开式循环；混合工质透平膨胀闭式循环；级联式闭式循环；热声振荡制冷循环；磁制冷循环等等。

煤层气液化生产流程有不同的型式，与常规天然气液化流程相仿，以制冷方式分，可分为以下三种方式：主要有级联式液化流程、混合制冷剂液化流程和带膨胀机的液化流程等。而实际生产过程中，通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程。

2.1级联式液化流程

级联式液化流程也被称为阶式（Cascade）液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，从20世纪60年代开始广泛应用于基本负荷型天然气液化装置，是最早应用于液化天然气装置的工艺流程，其技术成熟，操作稳定，但机组多、级间管路连接复杂，导致造价高昂，流程长，操作复杂，维修工作量大，目前新建的液化天然气工厂已经不再采用。

2.2 混合制冷剂液化流程

1934年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（MRC： Mixed2Ref rigerant Cycle）的概念。之后，法国的Tecknip公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺工程。自20世纪70年代以来， 对于基本负荷型天然气液化装置，广泛采用了各种不同类型的混合制冷剂液化流程。与级联式液化流程相比，其优点是：机组设备少、流程简单、投资省， 投资费用比经典级联式液化流程约低15%～20%；管理方便；混合制冷剂组分可以全部或部分从原料气本身提取与补充。缺点是：能耗较高，比级联式液化流程高10%～20%；混合制冷剂的合理配比较困难；流程计算需提供各组分可靠的平衡数据与物性参数， 计算困难。

2.3 带膨胀机的液化流程

带膨胀机的液化流程（ Expander2Cycle），是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳特循环制冷实现气体液化的流程。这类流程的优点是：流程简单、调节灵活、工作可靠、易起动、易操作、维护方便；用原料煤层气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用，一次性投资小。缺点是送入装置的气流需全部深度干燥； 回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大；能耗大，其能耗较阶式流程高一倍左右。

液化后的煤层气体积缩小625倍，一台35m3的标准液化气槽车可运输21000标方煤层气，相当于8个标准气井的全部日产量，液化煤层气经简单的气化装置就可重新变成气态使用。

3 提纯后的煤层气通常的利用方式

3.1 作为城镇气源

井下抽放煤层气用于周边城镇居民生活及商业用气是煤层气最早的利用方案。这种方式技术成熟，工艺简单，造价低，效益高，见效快。其工艺流程见图8-6-1。

3.2 管道输送煤层气

地面钻井开采煤层气与其他种类天然气有相似的组成和性质，可以进行压缩，然后采取管道输送至较远用户。随着抽放工艺和技术的发展，井下抽放煤层气中甲烷体积分数不断提高，井下抽放煤层气也可用管道输送。其工艺流程见图8-6-2。

3.3 煤层气发电

煤层气发电在我国发展很快，已成为我国煤层气主要利用方式之一。国内目前的发电技术主要有以下4种：

①往复式发动机驱动发电机发电

这种发电方式在国内应用较多，发动机效率高，燃料气入口压力低，燃料气甲烷体积分数要求不高，最低可到25%，但燃料气的甲烷体积分数允许有较大波动。国产机组装机容量为500kW的煤层气发电机组应用最为广泛。发电效率一般为30%以上，热利用率可达40%，总效率近70%，设备大修周期约6×104h。进口煤层气发电机组机型较多，其发电效率约为40%，热利用率可达50%，总效率达90%，设备大修周期为6×104h。

②燃气轮机发电

可以将高压煤层气作为燃气轮机的燃料。燃气轮机的发电效率达30%，燃气轮机排放气体中的余热可通过废热锅炉加以利用。由于燃气轮机需要将煤层气加压，因此要求煤层气中甲烷体积分数高于40%。

③汽轮机发电

采用锅炉燃烧煤层气产生蒸汽从而带动汽轮机进行发电，这种技术与其他技术相比，热效率较低，但对煤层气质量要求不高。

④燃气轮机与汽轮机联合发电

煤层气用燃气轮机发电，同时，燃气轮机排放气体中的大量余热通过废热锅炉产生蒸汽，用此蒸汽推动汽轮机再进行发电，这种联合循环系统的热效率约45%，总效率可达75%。

3.4 车载压缩煤层气

我国煤层气的地面钻井开采技术还处于试验阶段。目前开采成功的矿区，煤层气产量规模还非常小，比较适合建压缩天然气站，将煤层气压缩后用压缩天然气槽车运输至用户。其工艺流程，见图8-6-3。

当地面钻井开采煤层气甲烷体积分数在90%以上，且产气规模小，采用长输管道输气不经济时，车载压缩煤层气为煤层气利用的首选方案。

能源是经济发展不可缺少的动力，煤层气这种新的洁净能源渐渐被人们认识，并且它将会成为石油、天然气强大的补充力量，煤层气产业的形成与发展将会给我国的新能源战略带来深远的意义。

作者简介

赵慧明（1972―），男，汉族，山西省长治市，工程师，副总经理，研究方向：矿井建设。