维普资讯 http://www.cqvip.com 第４卷第３期 ２００７年７月 中国煤层气 ＣⅢＮＡ ＣＯＡＩＢＥＤ ＭＥＴＨＡＮＥ Ｖｏ１．４ Ｎｏ．３ Ｊｕｌｙ ２００７ 煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践 马晓钟 （胜利油田胜利动力机械集团，山东东营２５７０３２） 摘要：本文重点介绍了我国煤矿瓦斯利用技术研究与创新科技成果，并就煤矿瓦斯综合利用技 术的现状及前景做了简要分析，根据现有的煤矿瓦斯发电技术与产品，为今后在我国实现煤矿瓦 斯“零”排放的目标提供了一个技术思路。 关键词：煤矿瓦斯综合利用 “零”排放 Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｔｏ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ Ｕｔｉｌｉｚｅ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍｅｔｈａｎｅ Ｍａ Ｘｉａｏｚｈｏｎｇ （Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｇｒｏｕｐ，Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５７０３２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎ－ ｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｃｒｅａｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｉｎ Ｓｈｅｎｇｄｏｎｇ Ｇｒｏｕｐ，ａｌｌ ｗｉｈ ｉｔｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ—ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｉｇｈｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｏｆｆｅｒｅｄ ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｒａｉｎ ｏｆ ｈｏｕｇｔｈｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ‘ｚｅｒｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎ’ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｚｅｒｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎ １ 前言 我国是煤矿瓦斯抽排大国，每年煤田中排出的 保效益都十分显著。 ２００６年国务院办公厅出台了《关于加快煤层 气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》，《意见》要 求各部门及地方政府给予扶持。２００７年初，国家 发改委将“加快煤矿瓦斯（煤矿瓦斯）开发利用” 纳入《煤炭工业发展“十一五”规划》中，而后又 针对国务院办公厅《意见》发布了《关于利用煤层 气（煤矿瓦斯）发电工作的实施意见》，明确要求 各级政府部门应当督促煤矿企业结合本矿区实际情 况制定煤层气综合利用规划，并组织审查批准，引 煤矿瓦斯１３０多亿ｍ３（纯ｃＨ４），利用量却不到ｌＯ 亿ｍ３，其余部分均被排人大气。由于ｃ 的温室 效应是ｃ０２的２４倍之多（据统计目前其总的温室 效应影响率为３５％，已仅次于ｃ０２），如此之大的 煤矿瓦斯排放量，无疑是对环境的巨大考验，也是 对能源的极大浪费。如果将我国排放的煤矿瓦斯中 的４０亿ｍ３用来发电，可发电１３０亿ｋＷ・ｈ，相当 于为国家节约了５７０万ｔ标准煤和减排了５０００多 万ｔ ｃｏ２，并创造大批就业岗位，经济、社会及环 作者简介导企业合理利用能源资源。《实施意见》把发电作 为煤层气综合利用规划的一项重要内容，鼓励采用 马晓钟，男，１９６５年生，高级工程师，胜利油田胜利动力机械集团副总工程师，长期从事燃气内燃机的研发工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践 ２９ 单机容量５００ｋＷ及以上煤层气发电机组开发单机 容量ｌＯ００ｋＷ及以上的内燃机组，以及大功率、高 参数和高效率的煤层气燃气轮机发电机组。煤层气 电厂上网电价比照国家发展改革委制定的《可再生 能源发电价格和费用分摊管理试行办法》。这些政 “乏风”）。这部分煤矿瓦斯由于ｃＨ４浓度太低，利 用技术难度较大，基本都被排空。我国相关企业正 在准备对这部分瓦斯进行处理和利用。 总之，目前煤矿瓦斯综合利用还处于初级阶 段，无论是利用广度还是深度都有许多需要解决的 策、意见充分体现了国家对于煤矿瓦斯综合利用的 高度重视及指导方向。 ２煤矿瓦斯综合利用的技术现状 从世界范围来看，煤矿瓦斯利用主要集中在民 用、发电、工业燃料及化工原料等方面。因煤矿大 多分布在较偏远的地方，瓦斯民用项目要敷设大量 的中低压管网和人户管网，投资成本较大，而且民 用消耗瓦斯气量少，达不到一定规模，因此瓦斯民 用项目收回投资比较困难。燃气锅炉利用瓦斯为燃 料，虽然消耗瓦斯气量大，但是，使用燃气锅炉热 效率较低，还受季节性限制，加之采暖收费低，因 此锅炉投资回收期长，经济效益差。利用瓦斯生产 化工产品，经济性差，技术上也存在一定的问题。 而瓦斯发电是利用目前成熟的内燃机技术，仅对内 燃机的进气系统和燃料供给系统加以改造，技术较 为可靠。投资少见效快，一般三年内可收回全部投 资。瓦斯发电已成为目前煤矿瓦斯利用的一种主要 方式。 由于煤矿瓦斯开采方式的不同，煤矿瓦斯中 ＣＨ４的含量会有显著不同，其利用技术也有所不 同，主要分为三类。一是通过地面钻井开采，采出 ｃＨ４浓度多大于９０％的煤矿瓦斯（目前约占煤矿瓦 斯总量的１％左右），其成份特性类似天然气。此 类气体可利用天然气发电设备进行发电或作为民用 燃料、化工原料等，利用技术相对简单且成熟。二 是通过井下瓦斯抽采系统和地面输气系统，采出 ｃＨ４浓度范围多在３％一８０％之间的煤矿瓦斯（目 前约占煤矿瓦斯总量的１５％左右，其中的三分之 二浓度都低于３０％），由于涉及到爆炸危险，一般 对其应用都局限于浓度为３０％以上部分。浓度在 ６％一３０％部分的利用是一个难点，目前我国国内 企业已拥有此项安全利用技术，并已在国内１６个 省、市、自治区的煤矿推广应用，取得良好的经济 和社会效果。三是通过煤矿通风排出的煤矿瓦斯， ＣＨ４含量一般低于１％，称之为风排瓦斯（俗称 问题。煤矿瓦斯利用最合理的方式就是发电，在发 电的基础上实现“冷、热、电”三联供，以人为 本，改善煤矿职工和当地居民生产、生活条件，节 能减排。 ３煤矿瓦斯综合利用技术的研究与成果 我国一直致力于煤矿瓦斯全方位利用的研究， 最终目标是实现瓦斯“零”排放。为此我国企业投 入了大量的人力、物力，并始终坚持自主研发，走 自主知识产权之路。目前已在这一领域取得了突破 性进展，获得了２项重要的国家发明专利、多项实 用新型专利，将知识产权把握在自己手中。 根据ｃＨ４浓度的不同，研究的瓦斯利用方式 也有所不同，具体包括以下几种：①ｃｔｈ浓度在 ６０％以上的特高浓度瓦斯，进行ｃＨ４提纯利用；② ｃＨ４浓度在３０％一６０％之间的高浓度瓦斯，采用高 浓度瓦斯发电机组发电；③ｃｔｈ浓度在８％ ３０％ 之间的低浓度瓦斯，通过发明“煤矿低浓度瓦斯安 全输送及发电技术”，实现了低浓度瓦斯发电的目 的；④ｃｔｈ浓度在４％一８％之间的特低浓度的瓦 斯，采用燃油引燃式瓦斯发电机组发电；⑤抽排瓦 斯ｃＨ４浓度在４％以下的，与煤矿乏风混合后，氧 化处理，先发电后制冷、制热，进行热量阶梯利 用。下面以胜利油田胜利动力机械集团（以下简称 胜动集团）瓦斯发电机组为例进行介绍。 ３．１高浓度瓦斯气发电机组 高浓度瓦斯是燃气内燃机发电机组最先进入的 领域，胜动集团凭借自主知识产权的国家发明专利 “电控燃气混合器”确定了自己在瓦斯利用领域的 领先地位，总体来说机组技术已经比较成熟。 早期瓦斯气机组借用了天然气发电机组的技 术，适合ｃＨ４浓度在３０％ ６０％的煤矿瓦斯。但 由于瓦斯存在浓度、气压不稳定的特点，２００１年 开发了“电控燃气混合器”，解决了核心技术难题， 为该系列瓦斯机组的推广起到了关键作用。 ３．２低浓度瓦斯气发电机组 在高浓度瓦斯发电机组的基础上，胜动集团从 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国煤层气 第３期 该系统于２００５年１２月２５日通过了国家安全 生产监督管理总局的鉴定，成为煤矿低浓度瓦斯安 全输送的重要方法，鉴定委员会认为：“该项目构 思新颖，在煤矿抽采瓦斯利用方面提供了新的思 路，其成果达到国际先进水平”。系统主要包括： ①三种阻火技术的组合，即：“水位自控水封阻火 技术”、“金属波纹带瓦斯管道阻火技术”与“细水 雾灭火技术”的组合，起到“防火与灭火”的双重 图１ 电控燃气混合器工作过程 效果。②一个水循环系统，即：连续不断地在输送 管道内成雾、脱水循环系统，由一个高压水泵提供 ２００４年开始研制低浓度瓦斯发电机组。这部分瓦 斯正好包含ｃＨ４的爆炸极限浓度，即：５％一１５％。 安全输送是首要解决的难题，为此除调整电控燃气 混合技术之外，还完成了以下几个重要的技术攻 动力，等距离分布的水雾发生器和一套脱水装置构 成。该系统还为水位自控水封阻火器提供水源，保 持阻火器内水位在合适高度。③另外，还设置了一 套湿式瓦斯压力平衡装置，将输送管道内的瓦斯压 关，为低浓度瓦斯发电机组的推广排除了障碍。 （１）煤矿瓦斯与细水雾混合输送技术 力控制在一个合适的压力以下，以此保护瓦斯抽采 斯出 图２低浓度瓦斯输送系统流程 泵的工作安全。 （２）金属波纹带瓦斯管道阻火技术 煤矿瓦斯发电机组自身安装两道金属波纹带瓦 斯管道阻火器，一道是安装在增压器后、中冷器 前，主要防止增压器可能产生的火焰对中冷器的危 害。另一道是安装在发动机进气总管前和调速蝶门 之间，主要是阻止可能出现的发动机燃烧室回火对 发动机的危害。 （３）新概念预燃室技术 针对瓦斯浓度较低和湿度较大的特点，研制了 将低浓度瓦斯用于发电不仅达到了减排温室气 体的目的，其经济效益也十分显著。以一台５００ｋＷ 低浓度瓦斯发电机组（高浓度机组投资更低）的投资 来分析，按单台机组耗气量２．５Ｎｍ３／ｍｉｎ（折合纯 ｃＨ４）计算，项目投资包括机组和配套设备为１５０万 元；项目总收益包括发电和余热利用为１２３万元；项 目运行费用为３６万元；收益合计将达到８７万元。 ３．３煤矿乏风氧化及氧化热利用的技术研究 煤矿瓦斯（折合纯ｃＨ４）总排放量的８０％左右 都是乏风，如何利用好这部分能源也是需要研究的 方向。从２００６年起，胜动集团开始对乏风利用展 新概念预燃室。“零”容积的预燃室，结构简单、 制造方便。它放大了火花塞点火能量，保证了发动 机点火连续、运行稳定，并实现稀薄燃烧，降低发 动机热负荷，提高其排放性能。 （４）经济效益 开了实质性的研究，研究成果经厂内试验，效果良 好，目前已进入工业现场试验阶段，成果名称为 “煤矿乏风甲烷氧化装置”，所申请的专利已经授 权。装置的主要技术参数（试验）如表１所示。 表１ 氧化装置主要技术参数 如图３所示，乏风氧化应用流程大体为：先通 过乏风氧化装置所释放的热量产生蒸汽，再由蒸汽 驱动蒸汽轮机发电，发电后的余热再进行阶梯利 用，可供矿工洗浴和冬季采暖。也可将氧化热供给 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践 ３ｌ 炉，节约了煤炭。随着煤矿开采深度的增加，煤矿 采掘面的温度越来越高，工作面温度超过我国煤矿 安全规定的２６℃的地区越来越多，为煤矿采掘面 提供冷风的需要越来越迫切。另外，在冬季，北方 地区地面温度较低，煤矿巷道和采掘工作面通风进 口自然温度不能保证２℃以上的安全规程要求，提 高通风进口温度成为煤矿安全生产又一项技术措 施。在煤矿实现瓦斯的冷、热、电三联供，现在从 技术上、经济上都具备了条件。 图３矿井乏风氧化综合利用流程 ４煤矿瓦斯综合利用技术市场现状与前景 如上所述，胜动集团在煤矿瓦斯综合利用方面 吸收式制冷机组，为其提供能量，制取冷水向井下 提供资源，改善矿工工作条件。 以处理浓度为０．５％、流量为１０００Ｎｍ３／ｍｉｎ的 乏风为例，装置投资和收益概算包括：装置及外围 配套设施投资为７００万元；年运行费用为１８０万 元；通过氧化，全年可产生约１．４万ｔ蒸汽（可代 替燃煤锅炉，用于制冷、制热、发电等），价值 １４０万元；通过实施项目，全年可减排３．５万ｔ Ｃ０２ 实现重要技术突破，特别是在低浓度瓦斯发电方 面，开创了世界先例，很好地符合了“以用促抽、 以抽保安全”的煤矿瓦斯治理方针。 “胜动”煤矿瓦斯发电机组于２００１年开始投入 市场，市场占有率８０％以上。到２００６年１２月份已 经累计销售５９５台（折合５００ｋＷ机组当量），销售 收入８３３００万元，创税（增值税）５１４５万元。瓦斯 当量，合计约为３００万元；年收益为２６０万元。如 果乏风量较大，可以采取组合的方式，并投资蒸气 发电和余热制冷、制热，效益将更高一些。 ３．４其他利用方式的进展及成果 除以上三个方面外，针对特低浓度瓦斯的燃油 引燃式瓦斯发电机组的研制也取得了实质性的进 展，不久就可以投放市场。而针对特高浓度瓦斯 发电机组在煤矿应用，累计发电近８亿ｋＷ・ｈ，节 约电费约４亿元。另外，有些煤矿瓦斯发电还实现 了热、电联供，余热利用收益约６ＯＯＯ万元。目前 “胜动”瓦斯发电机组已经推广应用到全国１６个 省、市、自治区，几乎覆盖全国所有拥有瓦斯资源 的省份，连续５年市场份额领先。 就目前所掌握的市场情况来看，煤矿瓦斯综合 利用技术的市场开发还只是处于起步阶段。优化产 业结构、可持续发展、安全环保生产俨然已经成为 煤炭行业重要的发展理念，煤矿瓦斯综合利用必然 会成为一个潜力巨大的产业。 ｃＨ４提纯利用也正在研究之中。提纯后的特高浓度 瓦斯成份类似天然气可以直接民用、化工或进行压 缩、液化，提高运移性，增加其使用价值。 ３．５电、热、冷三联供 如上面所述，各个浓度范围的瓦斯通过瓦斯发 电机组转化为电能已经在技术上很好地解决，如何 对瓦斯热能进行更深层次的综合利用便成了需要考 虑的重点。燃气内燃发电机组的热效率一般都在 ３０％一３５％之间，即使是最先进的天然气发电机组 也只有４０％，所以瓦斯热能的综合利用潜力还是 ５结论 综上所述，我国企业煤矿瓦斯综合利用技术已 经将可利用瓦斯扩大到各个浓度范围，除乏风氧化 技术还在工业现场试验外，其余部分都已经找到了 合理科学的利用方式，并已经产生了良好的市场反 响和社会效益。而由此带动的巨大环保、经济、社 会效益潜力也初步显现。目前依然需要在煤矿瓦斯 综合利用的深度（提高热效率）和广度（各个ｃＨ４ 浓度范围）方面，做更多、更细的工作，迈向更高 的层次，并最终实现煤矿瓦斯“零”排放的目标。 （责任编辑孙庆刚） 巨大的。胜动集团早先在天然气发电机组时期就对 电、热、冷联供进行了深入的研究，并于２００２年 应用于公司生产和办公区，至今历时已达四年之 久，效果良好，综合热效率达到了８０％以上。 目前，许多煤矿也已经将瓦斯发电机组的余热 应用于煤矿的采暖系统，部分地取代了原来的锅
