论文部分内容阅读
摘要：瓦斯用途目前主要分为两大类：一是作燃料，二是作化工原料。瓦斯作燃料按行业门类分为：民用燃料、发电用燃料、工业用燃料、汽车用燃料和气体工业用燃料及其它类燃料。瓦斯化工有两条途径：一是瓦斯化工，另一条是合成气化工。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做了简要分析,并指出了目前存在的问题以及对策。
关键词：煤矿瓦斯; 综合利用; 技术研究
Abstract: the gas use at present mainly divided into two kinds: one is for fuel, and the second is for chemical raw materials. For fuel gas according to industry is divided into categories: civil fuel for power generation, fuel and industrial use fuel, with fuel and gas industry car with fuel and it kind of fuel. The gas chemical industry there are two paths: one is the gas chemical industry, the other is a synthetic chemical. This paper introduces the mine gas utilization technology in China research and innovation of scientific and technological achievements, and comprehensive utilization of coal gas technology makes a brief analysis of the current situation, and points out the existing problems and countermeasures.
Keywords: mine gas; Comprehensive utilization; Technology research
中图分类号： TD713 文献标识码：A 文章编号：
0、前言
煤炭工业是国民经济和社会发展的基础产业，煤炭工业的可持续发展直接关系着全面建设小康社会目标的实现和国家能源安全。我国煤矿均为有瓦斯涌出的矿井，全国煤矿的年瓦斯涌出量在100亿立方米以上。随着开采深度的不断增加，瓦斯涌出量不断加大，煤与瓦斯突出危险也不断增加，煤与瓦斯突出已成为我国煤矿灾害中危害最大的自然灾害之一。
我国目前煤矿瓦斯利用尚处于起步阶段，利用量小，利用率低，没有形成一个规模。煤矿瓦斯的利用主要集中在瓦斯抽采较高的国有重点煤矿区，尤其是45户安全重点监控企业。现有煤矿瓦斯利用以民用和工业燃气为主，已达到80%，瓦斯发电则是主导发展方向，瓦斯化工也具有广阔的市场前景。
一、瓦斯利用途径与技术
（一）民用
瓦斯民用的基本技术条件为：①瓦斯浓度大于30%；②足够的气源、稳定的气压，当用于炊事时，气压应大于2000Pa；③气体混合物中无有害杂质；④完善的气体储贮和输送设施。瓦斯民用系统一般由抽放泵、储气罐、调压站和输气管道组成。中国目前有两类瓦斯供应系统：一类为低压一级供应系统，瓦斯压力维持在2000Pa以上；另一类为中、低压供应系统，中压为3500Pa，低压为2000Pa。在一般情况下，储气罐内的气压为5000～6000Pa。
（二）发电
瓦斯发电，技术成熟的工艺有：燃气轮机发电、气轮机发电、燃气发动机发电和联合循环系统发电，以及热电冷联供瓦斯发电。
（三）生产化工用品
高浓度的瓦斯以含瓦斯为主，因此，当开采或抽放的瓦斯是含高浓度纯净的瓦斯气时，把它作为原料气生产一系列化工产品，可以获得较好的经济效益。以高浓度瓦斯为原料可以生产炭黑、甲醛、甲醇和化肥等化工产品。
在化工行业，瓦斯的消费将主要集中在化肥和甲醇等基本化工原料的生产上。目前，在世界合成氨生产中，以天然气为原料的占80%，而我国仅为2%。瓦斯与天然气性质相似，适用于生产合成氨。用瓦斯生产合成氨具有能耗低，工艺流程简单，投资省和经济效益好的特点。因此，用瓦斯合成氨相对比较经济。相关技术等问题有待解决和发展。
（四）瓦斯作工业燃料
瓦斯可作为洁净的工业炉燃料，能够减少污染，改善工业产品质量。工业炉主要包括金属加工工业炉、硅酸盐窑炉和工业锅炉三种。工业炉以瓦斯为燃料，可以增加传热效率，提高工业炉的生产率。
硅酸盐工业炉以瓦斯代煤作燃料，不仅能节能降耗，而且能提高产品质量。例如，燃用瓦斯的陶瓷窑炉，产品合格率和一级品率比燃煤窑炉分别提高10%～15%和10%，热能利用率提高70%以上；水泥窑炉燃用瓦斯后，可比较容易地控制窑内温度和窑炉的生产率。
（五）低浓度瓦斯利用技术
1.瓦斯的提纯
（1）变压吸附技术
瓦斯提纯技术，大多还处在开发研究阶段。目前主要采用变压吸附技术。变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。
变压吸附技术目前被认为是比较成熟的技术，有了成系列的装置可供选择，它在瓦斯提纯领域里的应用主要取决于其经济合理性。对于低浓度甚至极低浓度的瓦斯气体的提纯工序复杂，经济性步高，实用价值不大。根据抚顺分院的实验，制取80%浓度的瓦斯，原始气浓度为30%时，回流比为0.43；原始气浓度为20%时，则为0.72，效率降低2/3。通风气流中瓦斯的浓度<5%，因此装置的实用价值不大。
（2）甲烷冰
目前实验发现瓦斯中的CH4在0～10℃、3～8 MPa下与水能够生成固态气体水合物，这种气体水合物在常压下具有较好的稳定性，分解时能释放出180～200倍体积的瓦斯，其巨大的储气能力和相对温和的储气条件备受重视，甲烷水合物制备过程同时又是对CH4的提纯过程，可以用来处理甲烷含量较低的瓦斯。
2.利用低浓度瓦斯发电
目前由山东胜动集团研制的我国首台500千瓦低浓度瓦斯发电机组日前通过专家鉴定。这次研制成功的发电机组利用的是低浓度瓦斯。通常情况下，只有浓度高于25%的瓦斯才能够用来发电，而低于这个下限，就容易引起爆炸。胜动集团通过在瓦斯变送系统中加装多道防爆装置，将瓦斯的利用范围扩大了20个百分点，即只要瓦斯浓度高于5%，就可以安全发电。
3.矿井乏风利用
矿井乏风的浓度很低，可以用于燃煤锅炉和燃气轮机，作为混合燃料的一部分。燃气轮机、内燃机、大型锅炉或窑炉是辅助燃料应用技术的主要对象；同时国外已开发出矿井乏风作主燃料的应用系统，如热力双向流反应器（TFRR），催化媒双向反应器（CFRR）和可以利用低浓度的稀薄燃气气轮机。矿井乏风的排放量大，一旦这方面的应用经济性得到验证，则通风瓦斯的利用也有着十分广阔的前景。而中国的部分矿区也对通风瓦斯回收利用技术表现出浓厚的兴趣，并表示如果经济上可行，可以考虑开发利用。
二、存在的问题与对策
我国现阶段的煤矿瓦斯抽采和瓦斯利用是一个矛盾的统一体。一方面瓦斯抽采为满足煤矿安全生产为第一需要，无论瓦斯量大小、瓦斯浓度高低都必须要抽，虽然瓦斯抽采量、抽采率较高，但瓦斯抽采量不均衡，瓦斯抽采浓度波动大；另一方面瓦斯利用为确保民用和满足设备性能要求，不仅需要稳定的瓦斯气源，且对瓦斯浓度有一个最低要求（不能低于30%）。要做好井下瓦斯抽采综合利用工作，要以瓦斯的抽放为基础，保证矿井的安全生产为前提。建议采取以下对策：
（1）转变对瓦斯抽放的观念。不仅要把瓦斯抽放看作是防治瓦斯的方法，而且瓦斯抽放還是瓦斯开发利用的重要组成部分。瓦斯抽放应纳入矿井开采程序来管理,要把抽出瓦斯同煤炭和其它共伴生矿产一样作为煤矿产品来经营。
（2）研究瓦斯抽放技术,提高瓦斯抽放水平。为了充分合理利用瓦斯,必需研究推广瓦斯抽放的新技术、新工艺、新装备,力争在较短时间内大幅度提高瓦斯的抽放水平，提高抽放浓度，实现稳定的抽放量，从而达到瓦斯利用的要求。
（3）加强瓦斯浓缩技术和储运技术的研究,消除矿井瓦斯抽放量和抽放浓度不稳定、储存和远距离输送成本高等不利因素的影响。为了保证可靠的气源供应服务,最基本的是保证供气量和供气浓度。
（4）开发瓦斯利用的新途径，改变目前大多数矿井抽放瓦斯主要供民用,利用形式比较单一的现状，加大用瓦斯发电、化工、工业燃料的利用的研究和投入，大力开展低浓度瓦斯的利用，如多孔介质燃烧、低浓度瓦斯爆炸发电和矿井乏风的利用等。扩大了利用范围，把瓦斯的利用从矿区内部的家属区供气，扩大到城镇的用电，工业用燃料等。这样把瓦斯利用作为煤矿发展多种经营的一个效益型项目来开发建设，确保瓦斯的合理利用。
三、结语
总的来说我国煤矿井下瓦斯的利用刚刚起步，迫切寻求新技术开发新途径，对煤矿抽放瓦斯进行合理的利用，以用促抽，不仅刺激了抽放技术的发展，而且是一种新的纯洁能源的利用，既保护了环境，又可以对我国能源结构进行合理调整。所以改善我国瓦斯抽放利用现状，意义重大。
参考文献
[1] 赵旭生.我国瓦斯开发现状及建议.中州煤炭.2001，（6）
[2] 郑爽.中国煤矿瓦斯抽放和利用.煤矿安全.2003，34（9）
[3] 宋元明.中国煤矿瓦斯治理现状与对策.中国瓦斯.2005，2（4）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：煤矿瓦斯; 综合利用; 技术研究
Abstract: the gas use at present mainly divided into two kinds: one is for fuel, and the second is for chemical raw materials. For fuel gas according to industry is divided into categories: civil fuel for power generation, fuel and industrial use fuel, with fuel and gas industry car with fuel and it kind of fuel. The gas chemical industry there are two paths: one is the gas chemical industry, the other is a synthetic chemical. This paper introduces the mine gas utilization technology in China research and innovation of scientific and technological achievements, and comprehensive utilization of coal gas technology makes a brief analysis of the current situation, and points out the existing problems and countermeasures.
Keywords: mine gas; Comprehensive utilization; Technology research
中图分类号： TD713 文献标识码：A 文章编号：
0、前言
煤炭工业是国民经济和社会发展的基础产业，煤炭工业的可持续发展直接关系着全面建设小康社会目标的实现和国家能源安全。我国煤矿均为有瓦斯涌出的矿井，全国煤矿的年瓦斯涌出量在100亿立方米以上。随着开采深度的不断增加，瓦斯涌出量不断加大，煤与瓦斯突出危险也不断增加，煤与瓦斯突出已成为我国煤矿灾害中危害最大的自然灾害之一。
我国目前煤矿瓦斯利用尚处于起步阶段，利用量小，利用率低，没有形成一个规模。煤矿瓦斯的利用主要集中在瓦斯抽采较高的国有重点煤矿区，尤其是45户安全重点监控企业。现有煤矿瓦斯利用以民用和工业燃气为主，已达到80%，瓦斯发电则是主导发展方向，瓦斯化工也具有广阔的市场前景。
一、瓦斯利用途径与技术
（一）民用
瓦斯民用的基本技术条件为：①瓦斯浓度大于30%；②足够的气源、稳定的气压，当用于炊事时，气压应大于2000Pa；③气体混合物中无有害杂质；④完善的气体储贮和输送设施。瓦斯民用系统一般由抽放泵、储气罐、调压站和输气管道组成。中国目前有两类瓦斯供应系统：一类为低压一级供应系统，瓦斯压力维持在2000Pa以上；另一类为中、低压供应系统，中压为3500Pa，低压为2000Pa。在一般情况下，储气罐内的气压为5000～6000Pa。
（二）发电
瓦斯发电，技术成熟的工艺有：燃气轮机发电、气轮机发电、燃气发动机发电和联合循环系统发电，以及热电冷联供瓦斯发电。
（三）生产化工用品
高浓度的瓦斯以含瓦斯为主，因此，当开采或抽放的瓦斯是含高浓度纯净的瓦斯气时，把它作为原料气生产一系列化工产品，可以获得较好的经济效益。以高浓度瓦斯为原料可以生产炭黑、甲醛、甲醇和化肥等化工产品。
在化工行业，瓦斯的消费将主要集中在化肥和甲醇等基本化工原料的生产上。目前，在世界合成氨生产中，以天然气为原料的占80%，而我国仅为2%。瓦斯与天然气性质相似，适用于生产合成氨。用瓦斯生产合成氨具有能耗低，工艺流程简单，投资省和经济效益好的特点。因此，用瓦斯合成氨相对比较经济。相关技术等问题有待解决和发展。
（四）瓦斯作工业燃料
瓦斯可作为洁净的工业炉燃料，能够减少污染，改善工业产品质量。工业炉主要包括金属加工工业炉、硅酸盐窑炉和工业锅炉三种。工业炉以瓦斯为燃料，可以增加传热效率，提高工业炉的生产率。
硅酸盐工业炉以瓦斯代煤作燃料，不仅能节能降耗，而且能提高产品质量。例如，燃用瓦斯的陶瓷窑炉，产品合格率和一级品率比燃煤窑炉分别提高10%～15%和10%，热能利用率提高70%以上；水泥窑炉燃用瓦斯后，可比较容易地控制窑内温度和窑炉的生产率。
（五）低浓度瓦斯利用技术
1.瓦斯的提纯
（1）变压吸附技术
瓦斯提纯技术，大多还处在开发研究阶段。目前主要采用变压吸附技术。变压吸附技术是利用吸附剂的平衡吸附量随组分分压升高而增加的特性，进行加压吸附、减压脱附。
变压吸附技术目前被认为是比较成熟的技术，有了成系列的装置可供选择，它在瓦斯提纯领域里的应用主要取决于其经济合理性。对于低浓度甚至极低浓度的瓦斯气体的提纯工序复杂，经济性步高，实用价值不大。根据抚顺分院的实验，制取80%浓度的瓦斯，原始气浓度为30%时，回流比为0.43；原始气浓度为20%时，则为0.72，效率降低2/3。通风气流中瓦斯的浓度<5%，因此装置的实用价值不大。
（2）甲烷冰
目前实验发现瓦斯中的CH4在0～10℃、3～8 MPa下与水能够生成固态气体水合物，这种气体水合物在常压下具有较好的稳定性，分解时能释放出180～200倍体积的瓦斯，其巨大的储气能力和相对温和的储气条件备受重视，甲烷水合物制备过程同时又是对CH4的提纯过程，可以用来处理甲烷含量较低的瓦斯。
2.利用低浓度瓦斯发电
目前由山东胜动集团研制的我国首台500千瓦低浓度瓦斯发电机组日前通过专家鉴定。这次研制成功的发电机组利用的是低浓度瓦斯。通常情况下，只有浓度高于25%的瓦斯才能够用来发电，而低于这个下限，就容易引起爆炸。胜动集团通过在瓦斯变送系统中加装多道防爆装置，将瓦斯的利用范围扩大了20个百分点，即只要瓦斯浓度高于5%，就可以安全发电。
3.矿井乏风利用
矿井乏风的浓度很低，可以用于燃煤锅炉和燃气轮机，作为混合燃料的一部分。燃气轮机、内燃机、大型锅炉或窑炉是辅助燃料应用技术的主要对象；同时国外已开发出矿井乏风作主燃料的应用系统，如热力双向流反应器（TFRR），催化媒双向反应器（CFRR）和可以利用低浓度的稀薄燃气气轮机。矿井乏风的排放量大，一旦这方面的应用经济性得到验证，则通风瓦斯的利用也有着十分广阔的前景。而中国的部分矿区也对通风瓦斯回收利用技术表现出浓厚的兴趣，并表示如果经济上可行，可以考虑开发利用。
二、存在的问题与对策
我国现阶段的煤矿瓦斯抽采和瓦斯利用是一个矛盾的统一体。一方面瓦斯抽采为满足煤矿安全生产为第一需要，无论瓦斯量大小、瓦斯浓度高低都必须要抽，虽然瓦斯抽采量、抽采率较高，但瓦斯抽采量不均衡，瓦斯抽采浓度波动大；另一方面瓦斯利用为确保民用和满足设备性能要求，不仅需要稳定的瓦斯气源，且对瓦斯浓度有一个最低要求（不能低于30%）。要做好井下瓦斯抽采综合利用工作，要以瓦斯的抽放为基础，保证矿井的安全生产为前提。建议采取以下对策：
（1）转变对瓦斯抽放的观念。不仅要把瓦斯抽放看作是防治瓦斯的方法，而且瓦斯抽放還是瓦斯开发利用的重要组成部分。瓦斯抽放应纳入矿井开采程序来管理,要把抽出瓦斯同煤炭和其它共伴生矿产一样作为煤矿产品来经营。
（2）研究瓦斯抽放技术,提高瓦斯抽放水平。为了充分合理利用瓦斯,必需研究推广瓦斯抽放的新技术、新工艺、新装备,力争在较短时间内大幅度提高瓦斯的抽放水平，提高抽放浓度，实现稳定的抽放量，从而达到瓦斯利用的要求。
（3）加强瓦斯浓缩技术和储运技术的研究,消除矿井瓦斯抽放量和抽放浓度不稳定、储存和远距离输送成本高等不利因素的影响。为了保证可靠的气源供应服务,最基本的是保证供气量和供气浓度。
（4）开发瓦斯利用的新途径，改变目前大多数矿井抽放瓦斯主要供民用,利用形式比较单一的现状，加大用瓦斯发电、化工、工业燃料的利用的研究和投入，大力开展低浓度瓦斯的利用，如多孔介质燃烧、低浓度瓦斯爆炸发电和矿井乏风的利用等。扩大了利用范围，把瓦斯的利用从矿区内部的家属区供气，扩大到城镇的用电，工业用燃料等。这样把瓦斯利用作为煤矿发展多种经营的一个效益型项目来开发建设，确保瓦斯的合理利用。
三、结语
总的来说我国煤矿井下瓦斯的利用刚刚起步，迫切寻求新技术开发新途径，对煤矿抽放瓦斯进行合理的利用，以用促抽，不仅刺激了抽放技术的发展，而且是一种新的纯洁能源的利用，既保护了环境，又可以对我国能源结构进行合理调整。所以改善我国瓦斯抽放利用现状，意义重大。
参考文献
[1] 赵旭生.我国瓦斯开发现状及建议.中州煤炭.2001，（6）
[2] 郑爽.中国煤矿瓦斯抽放和利用.煤矿安全.2003，34（9）
[3] 宋元明.中国煤矿瓦斯治理现状与对策.中国瓦斯.2005，2（4）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。