煤礦瓦斯的輸配和綜合利用探討

摘 要

摘要：本文旨在全方位論述不同濃度的煤礦瓦斯輸配利用技術，為煤礦瓦斯的輸配利用提供一定的參考資料，以期達到綜合利用煤層氣資源的目的。文中主要探討：煤礦瓦斯抽采及其分類，城礦
摘要：本文旨在全方位論述不同濃度的煤礦瓦斯輸配利用技術，為煤礦瓦斯的輸配利用提供一定的參考資料，以期達到綜合利用煤層氣資源的目的。文中主要探討：煤礦瓦斯抽采及其分類，城礦燃氣利用的瓦斯?jié)舛确秶?，大中小煤礦瓦斯輸配利用的兩種方案；高低濃度瓦斯發(fā)電輸配利用技術；兩種較成熟的煤礦瓦斯提純利用技術。
關鍵詞：高低濃度瓦斯；利用技術；輸配利用方案；安全技術；提純技術
Distribution and Utilization of Coal Mine Gas Urban Gas and Heating Design Institute，Yangquan
Lu Zhibin，Xu Tiansheng，Yu Zheng，Li Hai jian
Abstract：This essay comprehensively discusses the utilization techniques of transport and distribution of coal mine gas of different concentrations，providing reference materials for the utilization of coal mine gas transport and distribution，with the aim to comprehensively utilize coal-bed gas. The parts it mainly covers are：extraction of coal mine gas and its classifications，range of gas concentration in utilization of Chengkuang gas，and two schemes of gas transport and distribution for coal mines of big，medium and small sizes；utilization techniques of transport and distribution of power generated by gas of high/low concentrations；two relatively mature utilization techniques of coal mine gas purification.
Keywords：gas of high/low concentrations；utilization techniques；utilization scheme of transport and distribution；security techniques；purification techniques
1 前言
    煤礦瓦斯(CH4)又叫煤層氣，屬非常規(guī)天然氣，是一種資源，也是一種十分潔凈的新能源，它的利用前景相當廣闊。大力開發(fā)利用煤礦瓦斯，可以節(jié)能減排，變害為利，改善煤礦安全生產(chǎn)條件，減少溫室氣體的排放，保護地球環(huán)境，具有很大的企業(yè)、社會和環(huán)保效益，符合國家能源節(jié)約和資源綜合利用的有關產(chǎn)業(yè)政策及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
    陽泉市位于山西省中東部，太行山中段西側，為山西省的東大門。陽泉市是全國最大的無煙煤生產(chǎn)基地之一，含煤面積達2668km2，煤的保有儲量為100.7億t，煤層氣資源十分豐富，煤層氣資源儲量為6448億m3。
    在山西省實施煤礦企業(yè)兼并重組整合以前，陽泉境內(nèi)大小煤礦星羅棋布，在煤礦瓦斯的抽放、輸配、利用方面，進行了積極的探索，積累了大量的經(jīng)驗，走在了全國同行業(yè)的前列。
    早在上世紀50年代，陽泉市就開始了煤礦瓦斯的簡單利用，80年代開始了煤礦瓦斯的大規(guī)模輸配利用工程“陽泉市煤氣化工程”，之后隨著國家資源綜合利用和環(huán)保政策的要求，大中小煤礦相繼進行了瓦斯的輸配利用工程，本人結合多年來的工作經(jīng)驗，就煤礦瓦斯輸配利用的技術綜合探討如下。
2 瓦斯抽采及其分類
   煤礦瓦斯抽采是指在煤炭開采前，將煤層或煤系地層中的煤層氣提前抽采出來，從而保障煤礦安全生產(chǎn)。陽泉煤礦瓦斯抽采包括井下抽采和地面抽采兩種。井下抽采有工作面本煤層抽采、工作面鄰近層抽采和采空區(qū)抽采等方法；地面抽采處于試驗階段，抽采效果不太理想，還沒有尋求到適合陽泉地區(qū)的有效的地面開發(fā)技術。
 井下抽放系統(tǒng)抽采的瓦斯中甲烷含量通常約為10%～50%，而地面井回收的瓦斯中甲烷濃度通常超過90%。煤礦瓦斯按照甲烷的含量分為高濃度和低濃度兩類，甲烷含量在6%～25%的為低濃度氣，甲烷含量在25%以上的為高濃度氣。低濃度氣因接近5%～16%的爆炸界限，在輸配利用方面不安全，被抽放排空；根據(jù)煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，常規(guī)可以輸送的煤層氣濃度不低于25%，并且煤層氣濃度在30%以上方可利用，因此，高濃度瓦斯氣濃度在30%以上可被輸配利用。
   瓦斯中甲烷濃度隨煤炭的種類、所采煤層的深度及抽放方法的不同而不同。煤層氣中甲烷濃度的變化，引起煤層氣熱值的變化，還涉及輸配系統(tǒng)的安全性、燃具的適應性等問題。
   陽泉市礦井瓦斯含量高，大部分為超級瓦斯礦井，采取一定的抽采措施抽采的瓦斯?jié)舛瓤梢赃_到30%～50%，這樣給瓦斯的輸配利用提供了有利的條件。
3 小煤礦瓦斯輸配利用
3.1 城礦燃氣利用
   根據(jù)GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》規(guī)定，城鎮(zhèn)燃氣的波動范圍應符合GB/T13611-2006《城市燃氣分類》的有關規(guī)定，礦井瓦斯氣屬于天然氣4T、3T，濃度波動范圍為30%～35%、38%～44%。
   根據(jù)陽泉市城市煤氣的供應及利用經(jīng)驗，當煤礦瓦斯處于35%～45%的范圍時可以保證各種燃燒設備的燃燒工況?？晒┑V區(qū)的公共福利炊事、洗浴爐、燃氣鍋爐、熱風爐等的自用氣，離城鎮(zhèn)儲配、輸配系統(tǒng)較近的煤礦，可將瓦斯接入其中。本地的許多小煤礦便采用以下簡單的輸配方式進行了自用氣，見圖1。
 
3.2 輸配系統(tǒng)
    本著經(jīng)濟適用的原則，不建設緩沖罐，瓦斯輸送壓力為低壓一級，壓縮設備不再單獨加設，利用煤礦現(xiàn)有的抽放設備。煤礦抽放設備一般為安全性能較好的水環(huán)式真空泵，利用其余壓(出口正壓)完成輸送，輸送壓力不超過10kPa(表壓)，考慮各種用氣設備正常安全的運行，輸配壓力一般為6kPa～8kPa(表壓)，可滿足各類公福用戶的安全正常的使用要求。
3.3 安全技術措施
    (1) 在瓦斯泵站對瓦斯氣的濃度做好人工定時檢測，發(fā)現(xiàn)濃度超出范圍，立刻將瓦斯氣排空，保證供氣質(zhì)量；對出口瓦斯的濃度實施自動監(jiān)測控制，采用瓦斯?jié)舛辱b定儀，對利用范圍上下限的濃度進行監(jiān)控，否則啟動連鎖的緊急切斷閥，對瓦斯進行放散。
    (2) 對抽放泵出口超壓控制，在放空管上加設安全放散閥，安全放散閥可采用壓力式和重力式兩種安全放散閥。
    (3) 在抽放站出口采用三防裝置，實現(xiàn)防爆、防回火、防回氣的要求。三防裝置是本地設計的一種裝置，裝置上部為防爆蓋膠板，爆破后可以釋放壓力，根據(jù)防回氣的要求內(nèi)設逆止閥防止爆炸情況下氣體倒流，根據(jù)防回火的要求加設6層銅網(wǎng)(13×13目/cm2)，利用銅網(wǎng)散熱，隔絕火焰?zhèn)鞑ァ?/span>
    (4) 瓦斯氣的加臭，根據(jù)GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》規(guī)定：無毒燃氣泄露在空氣中，達到爆炸下限的20%時，應能覺察，為此在瓦斯氣中加入四氫噻吩，加入量為20mg/m3以上。
3.4 管道附屬設施
    抽放站出口加設煤氣專用閥，同時加設水霧分離器，脫出井下及水環(huán)式真空泵中帶來的水分，在輸配管道上加設低壓凝水缸，以便抽出管道中的凝結水。
4 大中型煤礦瓦斯輸配利用
4.1 城礦燃氣利用
    大中型煤礦瓦斯抽采一般分高低濃度兩套抽放系統(tǒng)，這樣為高低濃度瓦斯的利用提供了有利條件。其中35%～45%高濃度瓦斯可以供應礦區(qū)的民用、營業(yè)福利炊事、洗浴爐、燃氣鍋爐、熱風爐、工業(yè)爐窯等的自用氣，同時將大量的剩余瓦斯接入城鎮(zhèn)儲配、輸配系統(tǒng)，供應城市各類燃氣用戶用氣。輸配利用方案見圖2。
 
4.2 儲配站
    因瓦斯氣輸配應用的要求，需要建設緩沖罐、加壓機房，滿足瓦斯均質(zhì)、儲存、日用氣不均勻性、余氣外送等功能。由抽放泵站輸出的瓦斯經(jīng)站區(qū)過濾器計量表后進入儲氣罐儲存。鑒于抽放泵的出口壓力低，儲氣罐宜采用低壓儲氣罐，儲氣罐的容積應根據(jù)工業(yè)用氣與民用氣量之比，氣源供應可調(diào)量大小，日用氣量不均勻情況等因數(shù)加以綜合考慮。加壓設備一般選用羅茨風機，出口壓力為0.02MPa～0.05MPa(表壓)，加壓設備的數(shù)量根據(jù)其排氣量及輸氣量確定，并設置備用設備。當輸送氣量較大，輸送距離較長時，應選擇0.1MPa～0.4MPa(表壓)的壓縮機。管道瓦斯的輸送壓力提高，則爆炸上限提高，須相應的提高瓦斯的濃度，根據(jù)有關的研究，常規(guī)煤層氣的輸送壓力不宜超過0.4MPa，具體的輸送壓力和濃度的對應數(shù)據(jù)參照有關的專業(yè)文獻。
4.3 輸配系統(tǒng)
    輸送壓力選擇中低壓兩級運行的壓力級制，中壓運行壓力根據(jù)礦區(qū)供氣范圍及用氣量大小確定，一般管道始端壓力0.05MPa(表壓)，末端壓力0.02MPa(表壓)，區(qū)域調(diào)壓器的出口壓力根據(jù)GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》的規(guī)定和本地實際使用的經(jīng)驗，一般選擇為3kPa(表壓)。專用調(diào)壓器的出口壓力根據(jù)燃燒設備的額定工作壓力配置，一般設定范圍5kPa～15kPa(表壓)。
4.4 安全技術措施
    在儲配站進口設置切斷閥及絕緣法蘭、阻火器、防爆器、放空管等，在加壓設備進口設切斷閥、阻火器，在出口設切斷閥、止回閥、安全放散閥等，在站區(qū)設置監(jiān)控系統(tǒng)，進行二級監(jiān)控管理，監(jiān)測瓦斯的濃度、熱值、流量、濕度等工藝參數(shù)指標；對加壓設備的有關工藝參數(shù)及技術指標進行二次檢測控制；對煤氣罐的高低位報警，并使高高位和進口閥門及放散閥門連鎖，低低位和出口閥門連鎖等。
4.5 管道附屬設施
    在儲配站出口加設水霧分離器，脫除井下、水環(huán)真空泵及濕式罐等處帶來的水分，在輸配管道上加設中低壓凝水缸，以便抽出管道中的凝結水。
5 高濃度瓦斯發(fā)電利用
    大中型煤礦瓦斯抽放量大，除城礦燃氣利用外，尚有大量的瓦斯不能得到利用排入天空。瓦斯氣作為一種溫室效應氣體，其溫室效應約為CO2的24.5倍，對地球環(huán)境造成了嚴重不良影響。瓦斯發(fā)電項目是資源綜合利用的有效途徑之一，屬于清潔發(fā)展機制(CDM)項目，可以利用國外資金。瓦斯發(fā)電技術主要有：往復式發(fā)動機、燃氣輪機、汽輪機、聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)四種。
    往復式發(fā)動機，可利用的最低瓦斯?jié)舛葹?5%，進口機組效率為42%～43%，瓦斯氣入口壓力為6kPa～35kPa，常用規(guī)格為500kW、1500kW、2000kW，具有發(fā)電效率高，瓦斯氣入口壓力低，濃度適用范圍廣，單機發(fā)電容量小，運行靈活等優(yōu)點，是使用較多的一種發(fā)電設備。
   燃氣輪機需要的瓦斯入口壓力較大，為1.8MPa以上，濃度要求較高，為35%～40%，單機發(fā)電容量較大，有4MW～220MW多種規(guī)格，發(fā)電效率為30%～36%，該種發(fā)電設備不適合常規(guī)瓦斯的輸配利用。
   汽輪機發(fā)電效率較低，輔助設備較多，廠區(qū)占地較大，瓦斯?jié)舛纫笤?5%以上。
   聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是瓦斯能源動力轉換效率最高的一種方式，是將燃氣輪機的高溫排煙送到余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽，來驅(qū)動蒸汽輪發(fā)電機組，適用于大型發(fā)電項目。
    由儲配站輸出的瓦斯氣進入發(fā)電站區(qū)，首先進行預處理，對瓦斯氣進行除塵、過濾、脫水、調(diào)壓處理，隨后進入發(fā)動機組。瓦斯在發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒，將所產(chǎn)生的動力傳遞給交流發(fā)電機，由發(fā)電機將機械能轉換為電能輸出。往復式內(nèi)燃發(fā)動機入口壓力一般為20kPa～35kPa。瓦斯氣體燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣可送入余熱鍋爐，回收利用熱量。見圖3。
 
6 低濃度瓦斯發(fā)電利用
   全國煤礦抽放的瓦斯60%以上是含CH425%以下的低濃度瓦斯氣，接近5%～16%的爆炸界限，不能被安全地輸送和利用，大量排空。低濃度瓦斯氣的利用技術是瓦斯氣綜合利用的難題，它的解決對我國的資源綜合利用和能源保障具有深遠的意義。山東勝利油田勝動集團組織實施的煤礦低濃度瓦斯細水霧輸送及安全發(fā)電技術研究項目，成功地找到了一條低濃度瓦斯的利用途徑。
    山西潞安五陽煤礦建成了全國首家低濃度瓦斯發(fā)電站，電站與瓦斯抽放站毗鄰，電廠總裝機4臺500GF-3RW型低濃度瓦斯發(fā)電機組，利用6%～25%的低濃度瓦斯。該項目在低濃度瓦斯氣的輸送過程中加入了細水霧，增加了瓦斯氣的濕度，我們知道當瓦斯氣中含水量達到一定值時在輸送過程中就不會發(fā)生爆炸。低濃度瓦斯氣輸送到發(fā)電站，經(jīng)脫水后進入發(fā)電機組缸體，電子點火系統(tǒng)點燃處于爆炸范圍內(nèi)的低濃度瓦斯，利用其爆炸的能量推動活塞運動，產(chǎn)生機械能，再由發(fā)電機將機械能轉換成電能輸出。
    低濃度抽采系統(tǒng)安全性分析：低濃度瓦斯氣的抽采利用水環(huán)式真空泵的負壓進行，系統(tǒng)隨著壓力的下降爆炸上限下降，在負壓下運行大大提高了抽采系統(tǒng)的安全性。水環(huán)式真空泵在輸送瓦斯的同時加入了霧狀的水分，加大了瓦斯氣的濕度，保證了該輸送環(huán)節(jié)的安全性。輸配利用方案見圖4。
 
    從安全輸配考慮，低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)不設置儲氣罐和加壓設備，利用瓦斯抽放泵的正壓(余壓)輸送。在抽放泵出口阻火器后設置水霧發(fā)生器，由水泵將霧化水池中的水加壓送入，產(chǎn)生細水霧，與抽放泵輸出的瓦斯混合后送至各發(fā)電機組。在每臺發(fā)電機組前分別配備一套脫水器，脫水器由旋風脫水和重力脫水串聯(lián)實現(xiàn)，脫出來的水返回霧化水池再循環(huán)使用，瓦斯脫水后進入瓦斯發(fā)電機組。
    另外，在抽放泵站出口管道上設置了兩個水封式阻火器，一個水位自控阻火器，一個瓦斯管道專用阻火器，將發(fā)電站和瓦斯抽采系統(tǒng)隔離；在輸送管道上加設了3個水霧發(fā)生器，確保低濃度瓦斯安全輸送到發(fā)電機組；在發(fā)電機組進氣管道上加設了瓦斯管道專用阻火器；為保證輸送系統(tǒng)在設定的壓力范圍內(nèi)工作，在輸送管道上設置了瓦斯安全放散器，放散器內(nèi)部靠內(nèi)外套水封保證瓦斯的安全放散，及與外界環(huán)境的安全隔離。整個輸配系統(tǒng)采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行二級監(jiān)控管理。
7 瓦斯提純利用技術
    瓦斯提純是將礦井氣中的CH4和N2、O2分離，提高CH4含量，從而提高瓦斯的熱值，實現(xiàn)瓦斯的長距離管道輸送，或與天然氣管道接軌；提純后通過壓縮和液化，可以實現(xiàn)瓦斯的大量儲存，遠距離商業(yè)銷售；提純后的瓦斯還可以拓展使用范圍，用作汽車加氣，用作化工生產(chǎn)原料，生產(chǎn)炭黑、甲醛、甲醇和化肥等化工產(chǎn)品。
    煤礦瓦斯提純技術主要包括變壓吸附分離、低溫精餾、膜分離3種。其中膜分離技術比較簡單，在國內(nèi)處于研究開發(fā)階段，其它兩種技術比較成熟，介紹如下：
7.1 變壓吸附分離技術
    變壓吸附(PSA)分離是一項用于氣體分離與凈化的技術，廣泛應用于煤炭、石油、化工、冶金、電力工業(yè)等領域中，可以提純所需要的多種氣體，是一種成熟的技術。吸附是指密度較低物質(zhì)的分子，在密度較高的物質(zhì)表面富集的現(xiàn)象，具有吸附作用的物質(zhì)被稱為吸附劑，一般為密度較大的多孔固體，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)，一般為密度較小的氣體或液體。吸附劑有兩個基本的特性：一是對不同組分的吸附能力不同；二是吸附劑的吸附能力隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加，隨吸附溫度的上升而下降。利用性質(zhì)一可以實現(xiàn)對混合氣體中的某些組分優(yōu)先吸附而使其它組分得以提純；利用性質(zhì)二可以實現(xiàn)吸附劑在高壓下吸附，而在低壓下解吸再生。瓦斯的提純正是利用了性質(zhì)二，由解吸氣而來。由于煤礦抽放的瓦斯來氣壓力低，降壓過程采用抽真空的辦法，即真空變壓吸附(VPSA)方法。
    采用這種方法理論上對15%以上瓦斯進行提純，提純后CH4的純度90%以上。瓦斯經(jīng)過提純后可以生產(chǎn)CNG，CNG的儲存比傳統(tǒng)的低壓儲存效率高250倍，經(jīng)濟運距在200km以內(nèi)。
7.2 低溫精餾技術
    陽泉煤業(yè)集團有限責任公司、北京國際贊成投資公司、中科院理化技術研究所3方通過多年的合作，于陽泉煤業(yè)集團五礦建成了小型煤礦瓦斯提純液化的工業(yè)實驗場，2007年8月該項實驗取得了成功，在低溫低壓下將CH4的提純和液化同步完成。
    根據(jù)有關的專業(yè)技術研究，低溫精餾技術是利用氮、氧、甲烷的沸點不同，甲烷的沸點高于氮氧，在一定的壓力下(約0.3MPa)，通過降低溫度，把氮氧從甲烷中分離出來，當溫度降低到甲烷的沸點(126.75K)左右，就可以生產(chǎn)出液態(tài)的甲烷。工藝流程由凈化系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、精餾裝置3部分組成，煤礦瓦斯首先通過凈化系統(tǒng)除去其中的有害物質(zhì)及深冷過程中可能固化的物質(zhì)，當達到液化標準后進入液化系統(tǒng)冷卻液化，然后進入精餾裝置，生產(chǎn)高純度的LNG產(chǎn)品。
    該技術適用于濃度在30%～87%的瓦斯液化，LNG產(chǎn)品將CH4的濃度提高至1199.8%，體積縮小625倍，可以進行大規(guī)模的儲存和遠程運輸，經(jīng)濟運距在1000km以內(nèi)。
    當甲烷濃度在87%以上，如地面回收的煤層氣，可以通過凈化系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、閃蒸裝置后生產(chǎn)出LNG產(chǎn)品。
參考文獻
1 GB50028—2006城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范
2 煤礦安全規(guī)程.2007
3 山西省陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司煤層氣開發(fā)利用2006-2015年規(guī)劃
4 山西省陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司神堂嘴瓦斯發(fā)電站可行性研究報告.煤炭工業(yè)合肥設計研究院，2005.8
5 煤層氣發(fā)電的燃氣輸配系統(tǒng).中國煤層氣，2007.4
6 范慶虎，李紅艷，尹全森et al.低濃度煤層氣液化技術理論分析
7 山西省陽泉市燃氣(瓦斯)利用工程可行性研究報告.中國市政工程華北設計研究院，1998.8
 
(本文作者：呂志斌 許天升 俞錚 李海艦 山西省陽泉市城市燃氣熱力設計所 045000)