做座坚持自主知识产权铺设煤矿瓦斯零排放之路

坚持自主知识产权 铺设煤矿瓦斯零排放之路

摘要：本文在分析煤矿瓦斯利用现状的基础上，重点介绍了胜利油田胜利动力机械集团在这一领域坚持自主研发，走自主知识产权之路的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，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；知识产权；零排放

我国是传统的煤层气（下面统称“煤矿瓦斯”）抽排大国，每年煤田中排出的煤矿瓦斯130多亿m3（拆合纯CH4），利用量却不到10亿m3，其余部分均被排入大气。由于CH4的温室效应是CO2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CO2）。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kWh，相当于为国家节约了570万吨标准煤和减排了5000多万吨CO2，并创造大批就业岗位，经济、社会及环保效益都十分显著。

2006年以来，国家出台了一系列加快煤层气抽采利用的政策和意见，充分体现了国家对煤矿瓦斯综合利用的高度重视及指导方向。

1 煤矿瓦斯综合利用的技术现状

从世界范围看，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。瓦斯民用项目、燃气锅炉、利用瓦斯生产化工产品都不理想。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3年内可收回全部投资。瓦斯发电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，下面针对3种开采方式所获得的瓦斯介绍其利用技术现状。

一是通过地面钻井开采，采出CH4含量多大于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放系统和地面输气系统，采出CH4浓度范围多在3%～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％），由于存在爆炸危险，一般对其应用都局限于浓度为30％以上部分，浓度在6％～30％的部分的利用是一个难点，目前胜利油田胜利动力机械集团（以下简称“胜动集团”）化工行业投资的成功具有此项安全利用技术，并已在国内16奠定了高性能膜材料制备、利用的技术基础个省、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“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。但目前胜动集团已经开始研制“煤矿乏风氧化装置”，准备对这部分瓦斯进行处理和利用。通过天然气与空气混合的方式模拟煤矿乏风，现已完成厂内模拟试验，并开始现场工业性试验。

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问题。煤矿瓦斯利用最合理的方式就是发电，在发电基础上实现“冷、热、电”三联供，改善煤矿职工和当地居民生产、生活条件，节能减排，这就是我们所述“煤矿瓦斯综合利用”的核心思想。

2 关于煤矿瓦斯综合利用技术的研究与成果

胜动集团一直致力于煤矿瓦斯的全覆盖利用研究，最终目标是实现瓦斯“零”排放。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。2005年5月，胜动集团煤矿瓦斯发电机组项目被国家科学技术部列为国家火炬计划，瓦斯发电机组2005年9月获得中国名牌产品称号。

根据CH4浓度的不同，胜动集团研究的瓦斯利用方式也有所不同，具体包括以下几种：①CH4浓度在60％以上的特高浓度瓦斯，进行CH4提纯利用。②CH4浓度在30％～60％之间的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯发电机组发电；③CH4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。④CH4浓度在4％～8％之间的特低浓度瓦斯，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。

2.1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年我们适时地开发了“电控燃气混合器”（见图1），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。

2.2低浓度瓦斯气发电机组

胜动集团从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％～15％。安全输送是首要解决的难题，为此我们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（发明专利技术），见图2。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，在煤矿抽放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；②一个水循环系统 ；③另外，还设置了一套湿式瓦斯压力平衡装置。

（2）发动机上应用金属波纹带瓦斯管道阻火技术（实用新型技术）。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，一道安装在增压器后、中冷器前。另一道安装在发动机进气总管前和调速蝶门之间。

（3）新概念预燃室技术（实用新型技术）。针对瓦斯浓度较低和湿度较大的特点，研制了新概念预燃室。“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。

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，效益如下（不包括CDM项目的收益）：a.项目投资：125万元（机组）＋25万元（配套）＝150万元；b.项目总收益：108万元（发电）＋15万元（余热）＝123万元；c.项目运行费用：36万元；d.收益合计：123万元－36万元＝87万元。

2.3煤矿乏风氧化及氧化热利用技术研究

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）如下：①甲烷转化率：95%；②装置出口温度：不高于进口温度40℃；③氧化装置处理气体能力：1.5万Nm3/h；④主体尺寸：3.2m×3.8m×3.0m；⑤适应的乏风最低浓度：0.2%；⑥乏风浓度为0.5%时产热能力：0.5t/h蒸汽。

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如下：①装置及外围配套设施投资700万元；②氧化热利用年收入：全年可产生约1.4万吨蒸汽（可代替燃煤锅炉，用于制冷、制热、发电等），价值140万元；③CDM项目年收入：全年减排3.5万吨CO2当量，合计约为300万元；④年运行费用：180万元；⑤年收益：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。

2.4其他利用方式的进展及成果

除以上3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。

2.5电、热、冷三联供

如何对瓦斯热能进行更深层次的综合利用便成了我们需要考虑的重点。

燃气内燃发电机组的热效率一般都在30％～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巨大的。胜动集适合工业化3D打印技术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4年之久，效果良好，综合热效率达到了80％以上。

赢创工业团体董事长英凯师博士肯定了iXsenic 技术的发展目前，许多煤矿也已将瓦斯发电机组的余热应用于煤矿的采暖系统。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。

3 煤矿瓦斯综合利用技术的市场现状与前景

3.1瓦斯内燃机发电机组的市场现状及应用前景

如上所述，胜动集团在煤矿瓦斯综合利用方面实现了重要技术突破，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。瓦斯发电机组在煤矿应用，累计发电近8亿kWh，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6000万元。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，几乎覆盖全国所有有瓦斯的省份，连续5年市场份额领先。

目前，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。

3.2 瓦斯利用在CDM项目（清洁发展机制）有较大的开发空间

CDM项目，通俗地讲就是可以将自己减排的温室气体按照一定价格卖给有减排义务的发达国家，以此帮助他们完成减排任务，因而具备双赢的基础。

如果购买价格为8欧元/吨CO2（实际价格可能更高些），每年减排40亿m3纯CH4，CDM收益计算如下：①相当CO2重量为：40（亿m3）×0.717（kg/m3）×18（折算倍数）×吨/kg＝5162万吨；②CDM收益：5162万吨×8欧元/吨＝4.296亿欧元（约42亿人民币）。

可见，在同时获得发电、制热、制冷效益的同时，综合利用还可获得非常丰厚的收益。目前CDM项目也还处于起步阶段，在煤矿瓦斯利用方面开展该项目其潜力是巨大的。

4 结 论

综上所述，胜动集团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。但是，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，走向更高的层次，并最终实现煤矿瓦斯“零”排放的目标。(end)