礦井瓦斯回收及利用技術(shù)

1、礦井瓦斯回收及利用技術(shù)煤層氣即“瓦斯”，其主要成分是 CH4（甲烷），是主要存 在于煤礦的伴生氣體。 瓦斯是造成煤礦事故的主要原因之一， 煤 層氣隨著煤炭的開采泄漏到大氣中， 會加劇全球的溫室效應(yīng)， 隨 著采煤技術(shù)的日新月異， 通風(fēng)成本的增長， 以及人類環(huán)境意識的 增強，已不允許無休止地向大氣排放瓦斯。煤層氣是熱值高、無污染的新能源?？捎脕戆l(fā)電，作工業(yè)燃 料、化工原料和居民生活燃料。 煤層瓦斯作為一種不可再生的資 源，在世界各國已不再把它作為一種廢氣來處理， 而是把它直接 利用或者提純富集加以利用。煤層氣（瓦斯）分為兩類：一類是在煤炭開采前通過地面垂 直鉆井， 采用水力壓裂技術(shù)抽采的煤層氣，

2、這種煤層氣被稱為地 面鉆井開采煤層氣（CBM，甲烷含量在95%以上，可直接通過 管道輸送，也可加壓液化后通過汽車、火車或輪船運輸。另一類 是由于煤礦的開采而釋放出的煤層氣（ CMM ，通過礦井通風(fēng)系 統(tǒng)抽放所得，即含氧煤層氣，甲烷含量僅 20%-75%這種抽采 方式投資小， 風(fēng)險小。 這是我國目前煤炭企業(yè)普遍采用的抽采方 式，約占全世界煤礦排放甲烷量的 70%。但這種煤層氣不能直接 作為民用和工業(yè)原料， 只有通過分離提純， 才能實現(xiàn)安全、 方便、 經(jīng)濟的遠(yuǎn)距離運輸。1 作為燃料礦井回風(fēng)流低濃度瓦斯作為主要燃料， 目前使用的燃燒設(shè)備 主要有兩類（表 8-6-1 ）：一類是美國 Sequa 公司和

3、瑞典 ADTEC 研制開發(fā)的熱流轉(zhuǎn)反應(yīng)器（TFRR ;另一類是加拿大能源多樣化 實驗室和NRcan研制的催化流轉(zhuǎn)反應(yīng)（CFRR。表 8-6-1 煤礦通風(fēng)瓦斯利用技術(shù)概要 全球開發(fā)的稀薄燃燒燃?xì)廨啓C包括澳大利亞能源開發(fā)公司（EDL的腹熱時燃?xì)廨啓C，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)研究院（ CSIRO 的稀薄燃燒催化渦輪以及美國英格索蘭公司（IR）的裝配催化燃?xì)廨啓C和內(nèi)燃機的聯(lián)合系統(tǒng)。 在這一聯(lián)合系統(tǒng)中， 內(nèi)燃機使用煤 礦抽排瓦斯的效率更高，而催化渦輪機則主要利用煤礦通風(fēng)瓦 斯，其中一部分抽排瓦斯作為補充燃料使用。另外針對第二類瓦斯還可采用變壓吸附法、低溫法富集甲 烷，但存在爆炸的安全隱患。因此，利用煤層氣資源，

4、必須突破 煤層氣脫氧的技術(shù)瓶頸。2 瓦斯液化技術(shù)目前世界上通常采用的瓦斯液化技術(shù)，主要有小型LNG系統(tǒng)工藝循環(huán)： 帶丙烷預(yù)冷的混合工質(zhì)閉式循環(huán); 單工質(zhì)透平膨脹閉 式循環(huán); Joule-Thomson 膨脹開式循環(huán);透平膨脹開式循環(huán);混 合工質(zhì)透平膨脹閉式循環(huán); 級聯(lián)式閉式循環(huán); 熱聲振蕩制冷循環(huán); 磁制冷循環(huán)等等。煤層氣液化生產(chǎn)流程有不同的型式， 與常規(guī)天然氣液化流程 相仿，以制冷方式分，可分為以下三種方式：主要有級聯(lián)式液化 流程、混合制冷劑液化流程和帶膨脹機的液化流程等。 而實際生 產(chǎn)過程中，通常采用的是包括了上述各種液化流程中某些部分的 不同組合的復(fù)合流程。2.1 級聯(lián)式液化流程級聯(lián)式液

5、化流程也被稱為階式(Cascade)液化流程、復(fù)疊 式液化流程或串聯(lián)蒸發(fā)冷凝液化流程， 從 20 世紀(jì) 60 年代開始廣 泛應(yīng)用于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置， 是最早應(yīng)用于液化天然氣 裝置的工藝流程，其技術(shù)成熟，操作穩(wěn)定，但機組多、級間管路 連接復(fù)雜，導(dǎo)致造價高昂，流程長，操作復(fù)雜，維修工作量大， 目前新建的液化天然氣工廠已經(jīng)不再采用。2.2 混合制冷劑液化流程 1934年，美國的波特北尼克提出了混合制冷劑液化流程( MRC： Mixed2Ref rigerant Cycle)的概念。之后，法國的Tecknip 公司的佩雷特，詳細(xì)描述了混合制冷劑液化流程用于天 然氣液化的工藝工程。自 20世紀(jì)

6、70 年代以來， 對于基本負(fù)荷 型天然氣液化裝置， 廣泛采用了各種不同類型的混合制冷劑液化 流程。與級聯(lián)式液化流程相比，其優(yōu)點是：機組設(shè)備少、流程簡 單、投資省，投資費用比經(jīng)典級聯(lián)式液化流程約低15%- 20%管理方便；混合制冷劑組分可以全部或部分從原料氣本身提取與 補充。缺點是：能耗較高，比級聯(lián)式液化流程高10%-20%；混合制冷劑的合理配比較困難； 流程計算需提供各組分可靠的平衡 數(shù)據(jù)與物性參數(shù)， 計算困難。2.3 帶膨脹機的液化流程帶膨脹機的液化流程( Expander2Cycle )，是指利用高壓 制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞特循環(huán)制冷實現(xiàn)氣體液 化的流程。 這類流程的優(yōu)點是：

7、流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、 易起動、易操作、維護方便；用原料煤層氣本身為工質(zhì)時，省去 專門生產(chǎn)、運輸、儲存冷凍劑的費用，一次性投資小。缺點是送 入裝置的氣流需全部深度干燥； 回流壓力低，換熱面積大，設(shè) 備金屬投入量大；能耗大，其能耗較階式流程高一倍左右。液化后的煤層氣體積縮小 625倍，一臺35m3的標(biāo)準(zhǔn)液化氣 槽車可運輸 21000標(biāo)方煤層氣， 相當(dāng)于 8 個標(biāo)準(zhǔn)氣井的全部日產(chǎn) 量，液化煤層氣經(jīng)簡單的氣化裝置就可重新變成氣態(tài)使用。3 提純后的煤層氣通常的利用方式3.1 作為城鎮(zhèn)氣源 井下抽放煤層氣用于周邊城鎮(zhèn)居民生活及商業(yè)用氣是煤層氣最早的利用方案。這種方式技術(shù)成熟，工藝簡單，造價低，效

8、 益高，見效快。其工藝流程見圖 8-6-1 。3.2 管道輸送煤層氣 地面鉆井開采煤層氣與其他種類天然氣有相似的組成和性質(zhì)，可以進行壓縮，然后采取管道輸送至較遠(yuǎn)用戶。隨著抽放工 藝和技術(shù)的發(fā)展， 井下抽放煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)不斷提高， 井 下抽放煤層氣也可用管道輸送。其工藝流程見圖 8-6-2 。3.3 煤層氣發(fā)電煤層氣發(fā)電在我國發(fā)展很快， 已成為我國煤層氣主要利用方 式之一。國內(nèi)目前的發(fā)電技術(shù)主要有以下 4 種： 往復(fù)式發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電這種發(fā)電方式在國內(nèi)應(yīng)用較多， 發(fā)動機效率高， 燃料氣入口 壓力低，燃料氣甲烷體積分?jǐn)?shù)要求不高，最低可到25%，但燃料氣的甲烷體積分?jǐn)?shù)允許有較大波動。國產(chǎn)機

9、組裝機容量為 500kW 的煤層氣發(fā)電機組應(yīng)用最為廣泛。發(fā)電效率一般為30%以上，熱利用率可達(dá)40%總效率近70%設(shè)備大修周期約6X 104h。進 口煤層氣發(fā)電機組機型較多，其發(fā)電效率約為40%，熱利用率可達(dá)50%總效率達(dá)90%設(shè)備大修周期為6X 104h。 燃?xì)廨啓C發(fā)電可以將高壓煤層氣作為燃?xì)廨啓C的燃料。 燃?xì)廨啓C的發(fā)電效 率達(dá) 30%，燃?xì)廨啓C排放氣體中的余熱可通過廢熱鍋爐加以利用。 由于燃?xì)廨啓C需要將煤層氣加壓， 因此要求煤層氣中甲烷體積分 數(shù)高于 40%。 汽輪機發(fā)電 采用鍋爐燃燒煤層氣產(chǎn)生蒸汽從而帶動汽輪機進行發(fā)電， 這 種技術(shù)與其他技術(shù)相比， 熱效率較低， 但對煤層氣質(zhì)量要求不高。 燃?xì)廨啓C與汽輪機聯(lián)合發(fā)電煤層氣用燃?xì)廨啓C發(fā)電， 同時， 燃?xì)廨啓C排放氣體中的大量 余熱通過廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，用此蒸汽推動汽輪機再進行發(fā)電， 這種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的熱效率約 45%，總效率可達(dá) 75%。3.4 車載壓縮煤層氣 我國煤層氣的地面鉆井開采技術(shù)還處于試驗階段。 目前開采 成功的礦區(qū)， 煤層氣產(chǎn)量規(guī)模還非常小， 比較適合建壓縮天然氣 站，將煤層氣壓縮后用壓縮天然氣槽車運輸至用戶。 其工藝流程， 見圖 8-6-3 。當(dāng)?shù)孛驺@井開采煤層氣甲烷體積分?jǐn)?shù)在90%以上，且產(chǎn)氣規(guī)模小，采用長輸管道輸氣不經(jīng)濟時