煤矿瓦斯利用技术现状与展望

煤矿瓦斯利用技术现状

我国煤矿瓦斯利用的技术主要包括高浓度瓦斯净化直接利用技术、 低浓度瓦斯发电技术、 低浓度瓦斯浓缩技术、 低浓度瓦斯燃 (焚) 烧技术、 乏风瓦斯利用技术等。 煤矿瓦斯浓度范围不同, 相应的瓦斯利用方式也不同。

1. 1 高浓度瓦斯利用技术

高浓度瓦斯 (甲烷浓度>90% ) 相当于天然气, 净化后直接通入天然气管网后即可直接利用。通常采用高压输送, 可用作工业燃料、 化工原料;为方便远距离输送也可直接液化送往使用地。高浓度瓦斯对其品质要求较高, 例如固体颗粒物质量浓度应≤1 mg / m3。

1. 2 较高浓度瓦斯利用技术

较高浓度瓦斯的甲烷浓度为 60% ~ 90% , 其利用技术如下:

(1) 净化提纯后通入天然气管网的直接利用技术。 城镇燃气几乎不需要气体净化可直接利用,有利于当地发展, 但分布式系统的维护成本较高;

(2) 电点火式燃气内燃机发电利用技术;

(3) 热电联产利用技术;

(4) 作为化工原料用于生产甲醇、甲醛、炭黑等产品利用技术。 煤矿瓦斯的工业应用技术主要是将其净化富集或直接用于生产甲醇、 甲醛、 炭黑等产品;

(5) 车用燃料利用技术。 制作成液化天然气 (LNG) 或压缩天然气 (CNG) 用于车用燃料,瓦斯的热值比汽油热值高但其混合气体热值低于汽油混合气热值, 使得发动机功率下降。 还需要进一步研究发动机抗爆性、 空燃比等。

1.3 中等浓度瓦斯利用技术

中等浓度瓦斯的甲烷浓度为 30% ~ 60% , 其利用技术如下:

(1) 民用燃气直接利用技术。 通常采用中压输送, 通入煤层气民用管网后直接利用;

(2) 工业燃气锅炉利用技术;

(3) 内燃式发电机组发电或作为工业燃料与煤炭混合燃烧发电等利用技术。 不需要高浓度或压缩的 瓦 斯 气 体, 发 电 机 所 需 瓦 斯 的 焓 达 到205. 2 MJ/ m3;

(4) 直接燃烧利用技术;

(5) 热电联产利用技术。

1. 4 低浓度瓦斯利用技术

低浓度瓦斯的甲烷浓度为 1% ~ 30% , 其利用技术包括燃气轮机技术、 燃气内燃机技术、 燃气锅炉-蒸汽轮机技术、 联合循环多联供技术、 制氢技术、 制合成氨技术与直接燃烧技术。

1. 4.1 燃气轮机发电技术

燃气轮机受粉尘及硫化物的影响小, 对环境的适应性较强。 设备的稳定性和可靠性较高, 故障率较低; 设备对瓦斯流量的波动适应性较好。燃气轮机的初期投资和维护成本较高; 燃气轮机必须配备燃气压缩机增加其进气压力, 但压缩机会额外消耗燃气轮机 15% ~ 20% 的输出功率。

1. 4. 2 燃气内燃机发电技术

燃气在发电机缸体内部被点燃引爆, 气体膨胀并推动活塞运动, 活塞运动过程中将机械能转化为电能。 内燃机发电是低浓度瓦斯最主要的利用方式。 燃气内燃机的排烟温度很高, 排烟热能可以利用, 使得低浓度瓦斯的利用率被进一步提高。燃气内燃机的发电效率高 (30% ~ 40% ), 初期投资小, 设备模块化程度高, 安装方便, 对气体中粉尘要求较低; 瓦斯浓度降低时, 燃气内燃机组输出动力会下降, 有时必须启动备用发电机组以提高系统的可靠性; H2 S 气体会对内燃机缸体造成腐蚀; 需经常更换火花塞和机油, 会增加系统的维护成本。

燃气内燃机组的主要生产厂家包括卡特彼勒、通用颜巴赫、 道依茨、 三菱重工等国外公司以及胜动集团、 济南柴油机厂、 南通宝驹气体发动机厂、河南柴油机重工等国内企业。

1.4.3 燃气锅炉-蒸汽轮机发电技术

将低浓度瓦斯与煤或高浓度瓦斯掺混, 送入燃气锅炉的燃烧室燃烧生成过热蒸汽, 通过蒸汽轮机带动发电机发电。系统受粉尘的影响小, 其运行维护简单; 系统会消耗部分高浓度瓦斯, 对瓦斯的浓度、 流量有一定要求。

1.4.4联合循环多联供技术

低浓度瓦斯在燃气轮机中燃烧, 排出的高温烟气进入余热锅炉, 在余热锅炉中产生过热蒸汽, 再通过蒸汽轮机推动发电机发电, 系统发电效率可超过 45% 。系统热效率高, 初期投资小、 建设周期短, 机组启 停 速 度 快、 调 峰 灵 活 性 好, 机 组 可 靠 性(85% ~ 95% ) 和环保性较高。 但此技术仅适用于发电功率较大的情况, 系统的运行和维护成本较高, 需要有稳定的气源。

1. 4. 5 制氢技术

基于 CH4 自热氧化反应, 利用低浓度瓦斯中的 O2 与 CH4 、 H2 、 CO 燃烧, 使 CH4 、 CO 与水蒸气发生化学反应制备 H2。

1.4.6 制合成氨技术

低浓度斯瓦气体中含有 O2 , 将低浓度瓦斯气体通入蓄热炉内, 在常压下 CH4 与 O2 发生间歇-自热化学反应, 蓄热炉排出烟气通入余热锅炉回收热量后, 烟气再经脱氮、 甲烷化等工序制备合成氨。 该工艺无脱氧或低温分离工序, 降低了合成氨制备成本，提高了CH4 的利用率。

1.4.7 直接燃烧技术

(1) 脉动燃烧器直接燃烧技术。 ① 脉动燃烧是介于正常燃烧与爆燃之间的 1 种特殊燃烧方式。在某种激励条件下, 燃烧器内产生的声学脉动与燃烧释放热能形成稳定的声热耦合时, 燃烧呈周期性脉动。 脉动燃烧主要被应用于锅炉、 取暖及干燥等。 ② 脉动燃烧器包括自激励、 强迫式脉动燃烧器。 用于可燃气体直接燃烧的脉动燃烧器分为 Schmidt 型、 Helmholtz 型。 Schmidt 型脉动燃烧器又称 1 / 4 波型脉动燃烧器, 形式为直管。 其一端开口、 另一端封闭。 Helmholtz 型脉动燃烧器具有大的共振腔, 尾管的出口安装去耦消声器, 以减小噪音及振动, 并确保燃烧器尾管出口的声学边界条件, 实现燃烧的声学特性。 ③ Esnault-Peltrie 利用脉动燃烧器推动燃气涡轮机, 并在法国取得专利;Holzwarth 开发出第 1 台实用的脉动燃烧燃气涡轮机; 美国 Lennox、 Hydrothermal 及日本东芝等公司制造了脉动燃烧器热水器; 北京航空航天大学研究了燃煤脉动燃烧器; 浙江大学提出了将脉动燃烧和流化床技术相结合的脉动流化床燃烧技术; 中国矿业大学研究了低浓度瓦斯自激励振荡脉动燃烧器。

(2) 低浓度瓦斯直接燃烧技术。中煤科工集团重庆研究院有限公司通过对金属纤维燃烧器阻火、 阻爆机理的研究并经过试验, 证明在合理的设计参数下, 金属纤维燃烧器能够有效阻火、 隔热,可将瓦斯爆炸转变为安全燃烧。 在石壕矿完成了规模 2000 m3/ h 爆燃浓度瓦斯的低浓度瓦斯安全燃烧工业性试验, 低浓度瓦斯安全燃烧系统主要由地面火炬、 金属纤维燃烧器、 监测控制系统等组成。

1.4.8 瓦斯浓缩提纯技术

提纯后甲烷浓度可达 98% 以上。 瓦斯浓缩提纯技术如下:

(1) 吸附法技术。 吸附法的原理是通过多孔介质将多组分气体中的 1 种或多种物质吸附浓缩集聚于固体表面, 实现与其他组分的分离。 常用的吸附法有变温吸附法和变压吸附法。

变温 吸 附 法 ( Temperature Swing Adsorption,TSA) 的工作原理: 利用不同气体组分在吸附剂上的平衡吸附量随温度升高而降低的特性, 实现混合气体中不同组分的分离。 吸附剂的寿命受温度大幅度周期性变化影响, 制约了变温吸附技术在低浓度瓦斯富集分离领域的工业化应用。变压吸附法 (Pressure Swing Adsorption, PSA)的工作原理: 利用不同气体组分在吸附剂上吸附特性的差异以及平衡吸附量随压力变化而变化的特性,通过周期性的压力变化实现不同组分气体的分离。变压吸附分为高压条件下的变压吸附 (称为变压吸附) 和真空条件下的变压吸附, 其中后者被称为真空变压吸附 (Vacuum Pressure Swing Ad-sorption, VPSA)。 VPSA 是对 PSA 的优化, VPSA 法是利用抽真空的办法降低被吸附气体组分的负压, 使被吸附的气体组分在负压下解吸。 VPSA法无需对原料气加压, 吸附剂的再生效果好, CH4被分离回收率高; 但需要增加真空泵抽负压, 使得系统复杂并增加了系统的运行、 维护成本。

西南化工研究设计院在 1983 年提出变压吸附法分离、 富集煤矿瓦斯气体中 CH4 的工艺, 该工艺要求煤矿的 CH4 浓度≥20% 。 焦作矿务局利用该技术建成了我国第 1 套处理量为 1． 2 万 m3/ d 的PSA 工业化应用装置吸附煤矿瓦斯, CH4 浓度由30． 4% 提纯至 99． 4% ; 煤炭科学研究总院在阳煤五矿完成了 PSA 中试试验, 实现了 CH4 的分离、提纯。 但吸附系统复杂、 能耗高, 吸附、分离、浓缩低浓度瓦斯气体时存在安全隐患; 盘江煤电有限责任公司的 VPSA 示范项目将 CH4 浓度由 16% 脱氧提纯至 95% 以上。

(2) 低温分离法 (cryorgenic, CRY)。 低温分离法也称低温精馏法, 其本质是气体液体化技术,将气体液化后再利用 N2 和 CH4 的沸点差异进行精馏, 精馏可以得到高浓度的 CH4 气体, 使不同气体得到分离。 中国科学院理化技术研究所在阳煤集团完成了 CH4 浓度 30% 以上的煤层气低温分离制取纯 CH4 的中试试验; 阳煤集团采用低温分离方法, 将含氧煤层气液化和分离, CH4 纯度达98% 以上; 山西沁水顺泰能源煤层气液化项目, 生产能力达 50 万 m3/ d, 非常规天然气液化工厂在国内的规模较大; 重庆研究院在逢春煤矿进行了含氧煤层气深冷液化工业性试验, 处理浓度 29% ~31% 的低浓度煤层气达 4 800 m3/ d, 生产液化CH41. 1 t / d。

(3) 膜分离 (membrance, MEM) 技术。 在压力驱动下, 气体中不同组分在膜表面的吸附能力及其在膜内溶解和扩散的速率存在差异, 通过渗透速率差 (气体组分通过膜的速率不同) 进行动力学分离, 实现膜对混合气体的筛分。 膜两侧的压差为膜间传质提供推动力。 分离 CH4 和 N2 的技术还未能实现工业化应用, 主要受限于没有分离效果特别好的膜。

(4) 水合物分离法技术。 不同气体组分在溶液中形成水合物的临界温度、 临界压力不同, 在不同温度、 压力下实现不同的水合物分离, 实现 CH4提浓。 该技术污染小、 耗能低, 但分离的效率是制约该技术的瓶颈。 该技术未工业化应用。

(5) 溶剂吸收法技术。 利用气体混合物中各组分在溶剂中溶解度不同, 实现不同气体组分分离; 或与吸收剂中组分发生选择性化学反应而实现不同气体组分分离。 溶剂吸收法分为物理吸收法和化学吸收法。 溶剂吸收法仍处于实验室阶段,不适合煤矿瓦斯提浓的工业化应用。