侯杰+蔺莹莹

（华晋煤层气综合利用有限责任公司瓦斯发电厂 山西吕梁 033300）

摘要：本文指出矿井低浓度瓦斯利用技术将在促进煤层气利用的同时，推动煤矿瓦斯的全面综合利用，必将产生良好的经济效益和社会效益。

关键词：低浓度瓦斯；综合利用技术；研究

前言

低浓度瓦斯是指甲烷浓度低于30%的煤层气，分为风排瓦斯（乏风） 和抽放瓦斯两部分，其中“乏风”是指甲烷质量浓度低于0.75%的煤矿瓦斯。目前，质量浓度高于30%的瓦斯在利用上已沒有技术瓶颈；质量浓度在9%～30%范围的瓦斯用于发电也已经获得广泛应用；而质量浓度低于9%以及乏风的利用则已成为实现矿井瓦斯综合利用的关键。提高乏风质量浓度，将风排瓦斯浓度由目前的0.22%提升至0.35%以上甚至更高，将对矿井实现热量的充分回收利用，实现节能减排，减少外部天然气的利用非常关键。若乏风浓度能提升至0.5%以上，将能实现矿井热能的自身平衡而不需外供

1 国内外瓦斯利用技术

1.1 煤层瓦斯主要参数

煤层瓦斯赋存基础参数是矿井瓦斯防治和瓦斯抽放设计的依据，进行瓦斯抽放设计所需的煤层瓦斯主要实测参数包括：煤层瓦斯压力、含量、煤中的残存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤层透气性系数以及钻孔瓦斯流量衰减系数等一些瓦斯的基础参数。对于基建矿井，如果没有开拓系统揭露煤层，则无法在采掘空间内各煤层瓦斯基础参数进行实测，只能借鉴地质勘探过程进行测定部分瓦斯基础参数。

1.2 矿井瓦斯来源及涌出构成

根据对龙泉煤矿瓦斯涌出量的预测，可以得出该矿井在达产时瓦斯来源由以下3 个部分组成：回采工作面（包括围岩及邻近层）的瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区（包括围岩和邻近层）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占矿井瓦斯的涌出比例与矿井的开采深度和矿井的生产接续布局、采掘强度等有关。经对矿井各部分进行瓦斯涌出量预测，可以得出各涌出源所占该矿井瓦斯涌出量的百分比。在现有的通风条件下掘进面瓦斯经常超限，所以掘进工作面的瓦斯治理非常必要。在整个矿井瓦斯治理工作中，回采工作面和采空区瓦斯治理占重要地位。

1.3 抽放瓦斯的必要性

根据国家煤矿安全监察局部颁布的《煤矿安全规程》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，有下列情况之一者，矿井必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统。

1.4 煤矿瓦斯基本分类及利用方法

煤矿瓦斯按体积分数分3 类（参照胜动集团分类方法）：第一类是质量浓度大于30%的高浓度瓦斯；第二类是质量浓度在9%～30%的低浓度瓦斯；第三类是质量浓度在9%以下的低（超） 浓度瓦斯（含煤矿通风乏风）。其瓦斯利用技术大致如下：第一类：质量浓度大于30%的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯直接燃烧供发电机组发电；第二类：质量浓度在9%～30%的低浓度瓦斯，采用低浓度瓦斯内燃机组进行发电利用；第三类：质量浓度在9%以下的低浓度（超）瓦斯（含煤矿通风乏风），甲烷质量分数为0.25%～5%，采用煤矿乏风氧化装置直接或经过掺混、稀释后利用；超低浓度瓦斯（甲烷体积分数6%～9%）也可采用柴油引燃技术发电利用。

1.5 乏风利用不高的原因分析

煤炭开采中，瓦斯排出量的70%是通过乏风（风排瓦斯） 排出的。由于煤矿乏风的甲烷含量极低，若进行提浓或提纯，不论是变压吸附，还是变温吸附分离，面对含量巨大的空气和稀少的甲烷，必须提供相对于甲烷产量更多的加压能耗或加温能耗。所耗的能量，远超过所获取甲烷的能量。因而无论从能源利用的角度，还是从经济利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏风中的甲烷含量远远超出了甲烷的空燃比范围，用直接燃烧的办法处理技术上也是行不通的。两种传统办法均不能解决乏风的有效利用问题。基于此，目前多数煤矿仍选择直接排放，造成了巨大的能源浪费和环境污染。

2.低浓度瓦斯余热利用系统

矿井建有水源热泵系统，系统设置6 台1.46MW 水源热泵和2 台0.64 MW 水源热泵，总容量为10 MW，利用矿井涌水作为热源采取水源热泵形式向矿井供热，水源热泵基本可以取代原有燃煤锅炉房。由于矿井涌水波动比较大，且存在很多不稳定因素，目前燃煤锅炉仍需保留作为备用。瓦斯电站建成后，电站的余热锅炉及水源热泵可相互补充使用，取消燃煤锅炉。考虑到机组检修、负荷波动等情况，供热能力按照6 台机组满负荷计算。6 台机组满负荷运行的情况下，余热锅炉供热量约2.4 MW，6 台机组缸套水可供热负荷约1.8 MW，瓦斯发电对外总的供热负荷约4.2 MW。矿井采暖季设计热负荷为12.9MW，瓦斯发电站余热能够满足矿井供热部分需要，可作为矿井补充热源。

3.低浓度瓦斯利用效益分析

低浓度瓦斯利用系统建设总投资2 560.85 万元，正常每年可发电3 185×104 kW·h，年上网电量3 025×104 kW·h，工程按自发自用考虑，售电价格按0.435 元/ kW·h （不含税价），电厂年对外供热量为5.79×104 GJ，免费供给矿井。根据年上网电量与电厂年对外供热量进行计算，正常年份供电销售收入为1 315 万元，经计算，所得税前总投资回收期为2.97 a，所得税后投资回收期为3.64 a。余热利用系统减少了水源热泵的运行费用。采用本技术后，每个供暖季节可减少井下热水的使用，采用电厂余热向水源热泵提供低温热水，减少井下抽水费用，因井下水氯离子含量多，对设备损坏大，间接减少了水源热泵配套设备维护成本。低浓瓦斯的综合利用，充分利用煤矿生产过程中抽采的大量瓦斯，减少了直接排放造成的环境污染，达到了资源利用目的，根据煤矿生产“以瓦斯定产” 和“ 不抽不采（ 掘）、先抽后采（掘）”的安全保障原则，随着矿井生产能力的提高，要求瓦斯的抽采量也随着增加，建设瓦斯发电站以用促抽、以抽保用，有利于煤矿安全生产。

4.小结

低浓度瓦斯的利用对矿井实现热量的充分回收利用，实现节能减排，减少外部天然气的利用非常关键。该项工作的推进，将在促进煤层气利用的同时，推动煤矿瓦斯的全面综合利用，必将产生良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]李磊. 低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望[J]. 矿业安全与环保，2014，41（2）：86-89.

[2]李大虎. 低浓度瓦斯发电技术的研究与应用[J]. 吉林地质，2014（3）：129-130.

[3]张铁岗.煤矿安全技术基础管理[M]北京：煤炭工业出版社，20 03 .