加强煤层气（矿井瓦斯）综合利用促进阳泉城市经济快速发展.doc

加强煤层气（矿井瓦斯）综合利用促进阳泉城市经济快速发展 前 言 多年来，煤矿瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患。煤矿重特大瓦斯爆炸事故时有发生，给人民群众生命财产造成了重大损失；同时，未经综合利用的煤层气直接排放到大气中，也造成了严重的环境污染和资源浪费。 煤层气（矿井瓦斯）是赋存在煤层中的一种共生或伴生气体，主要成分为甲烷。它不仅是煤矿生产安全的重大隐患，将其直接排人大气还会造成强烈的温室效应，导致环境破坏。甲烷是一种强烈的温室气体，温室效应是二氧化碳的21～23倍。同时甲烷也是一种洁净的能源，纯瓦斯的热值与常规天然气相当，是一种洁净高效的能源。 从定义上来讲，煤层气和瓦斯是有区别的。煤层气是指在成煤过程中形成并以吸附及游离状态存在煤层孔隙和裂隙中的天然气，其主要成分是甲烷；矿井瓦斯是指矿井内以甲烷为主要成分的有害气体的总称。 习惯上（煤矿术语）矿井瓦斯通常专指甲烷（也叫沼气）；煤层气也叫煤层瓦斯。在主要成分用途上，煤层气和瓦斯都指的是甲烷。 甲烷分子式CH4，分子量 16.04。是最简单的有机化合物。甲烷是没有颜色、没有气味、微溶于水的可燃性气体。沸点-161.4℃，密度0.716kg/m3，液态相对密度水10.42-164℃；气态相对密度空气10.55。引燃温度538℃。发热量为33.38～37.11MJ/m3（7972～8864千卡）。 甲烷和空气成适当比例的混合物，遇火花会发生爆炸。爆炸上限为15V/V ，爆炸下限5.3 V/V。化学性质相当稳定，跟强酸、强碱或强氧化剂（如KMnO4）等一般不起反应。在适当条件下会发生氧化、热解及卤代等反应，可以溶于醇、乙醚。 阳泉矿区是我国瓦斯利用最早的矿区之一，抽放瓦斯作为燃料已经过了近50年的发展，并逐渐成熟起来。瓦斯作为一种非常规的天然气资源，是一种优质的能源，其浓度在30～100时，1立方米的瓦斯相当于1～2Kg煤的发热量（10.47～35.19MJ/ 立方米）。可用于城市居民生活燃料、发电燃料、工业燃料和化工原料，具有广阔的市场前景。同时，矿井瓦斯利用工作，能减少排向大气的瓦斯量，从而起到减少环境污染，减轻大气温室效应。 （一）煤层气（矿井瓦斯）抽采技术是煤矿安全生产的可靠保障 阳煤集团是全国瓦斯最大，最难进行瓦斯抽放的矿区之一。13个矿井均为高瓦斯矿井，其中三个矿井为煤与瓦斯突出矿井。2006年产量3541.69万吨，矿井瓦斯等级鉴定报告测定最大瓦斯绝对涌出量1642.37m3/min，单井最大绝对涌出量414.6m3/min（二矿）。此外，阳煤集团瓦斯突出频繁，建企以来瓦斯累计突出次数6672次（突2972次、喷出约3700次），瓦斯对煤矿安全生产的影响非常严重。研究瓦斯抽采技术是煤矿安全生产的可靠保障。 多年的生产实践和血的经验表明，瓦斯治理与利用技术，往往直接影响着煤炭企业和整个城市的经济发展。近年来国家先后出台了一系列鼓励瓦斯抽采和利用的政策，政府支持的力度越来越大。瓦斯抽采的技术手段也逐步成熟，抽采的装备逐步配套完善。煤矿企业和相关科研单位、高等院校合作交流更加深入，探索出了很多实用技术和方法，提高了瓦斯抽采利用率。 阳煤集团瓦斯治理的技术经验，凝聚了几代人的心血和汗水，在矿井通风、瓦斯抽放、煤与瓦斯突出预测与防治、瓦斯利用、安全监测监控等方面取得了重大成果，为改善煤矿安全生产的面貌发挥了积极的促进作用，取得了显著的成绩。主要是通过对矿井通风方式、煤层瓦斯抽放方式的不断探索研究，通过对通风与瓦斯抽放设备的重大技术改造和更新，通过大幅度提高瓦斯储存能力和输送能力等一系列措施，从根本上解决瓦斯对矿井的危害，并变害为利，将矿井抽放出的瓦斯加以利用，为居民提供洁净的燃料。 阳煤集团曾经试验过并应用过多种通风方式，有U型、Y型、偏Y型、UL型、UI型等。在薄煤层综采工作面试验成功并采用“一进两回” UL型通风方式，外错布置一条专用排放瓦斯巷。这种布置方式成为国内用通风方式解决落山角瓦斯和采空区瓦斯的典范，在全国推广应用。厚煤层综放工作面我们采用“一进两回” UI型通风方式，内错布置一条专用排放瓦斯巷，这种通风方式有利于解决落山角和采空区瓦斯，并能有效的控制采空区煤层自然发火。这一独特的利用通风方式治理瓦斯技术在国际上处于领先地位。 阳泉矿区所属煤层煤体结构致密，煤层透气性差，属于低透气性煤层，如3号煤层透气性系数仅为0.016m2/MPa2.d，是全国最难进行瓦斯抽放的矿区之一。但是，经过多年的研究攻关，在煤炭科学研究总院抚顺分院、 重庆分院、西安分院、中国矿业大学等院校的大力支持和协作下，对瓦斯抽放技术从理论到实践进行了不懈的努力和探索，先后对采空区、邻近层、本煤层及其围岩进行了瓦斯抽放试验。综采工作面及综放工作面试验并推广采用了多种抽放方法，主要有小直径密集钻孔抽放邻近层瓦斯、大直径钻孔抽放邻近层瓦斯、顶板岩石倾斜高抽巷抽放邻近层瓦斯、顶板岩石走向高抽巷抽放邻近层瓦斯、小断面伪倾斜后高抽巷抽放初采期近距离邻近层瓦斯、大直径钻孔抽放初采期邻近层瓦斯、采空区埋管抽放采空区及落山角瓦斯等技术。特别是邻近层瓦斯抽放技术的成功，解决了多年来邻近层瓦斯涌出对工作面安全生产的影响。邻近层瓦斯抽出率达到70～90。综放面最大抽放量达到150 立方米/每分钟。这些方法的采用，有效地解决了综采、综放面邻近层瓦斯，在阳泉矿区特大瓦斯条件下，综放工作面利用先进的通风方式和多种抽放方式综合治理瓦斯技术，采用内错尾巷解决采空区和落山角瓦斯，利用高抽巷抽放邻近层瓦斯，促使综放工作面生产具备了日产万吨、年产突破400万吨的水平。 目前，阳煤集团共建立瓦斯抽放泵站8座，装备各类抽放设备25台，并逐步采用高负压水环式真空泵取代定容式罗茨鼓风机作为瓦斯抽放设备，总装机容量7235KW，抽放能力3291.7 立方米/每分钟，改造更新抽放主管道（380毫米以上的）150千米。截止到2006年底共抽放瓦斯39.66亿立方米，仅2006年抽放量就达3.75亿立方米，瓦斯抽放量居全国首位。 近年来瓦斯抽放情况见下图。 （二）煤层气（矿井瓦斯）综合利用是城市发展的需要 阳煤集团抽放并利用瓦斯已有近50年的历史。它经过了局部试用、逐步发展和推广城市燃气应用等三个阶段。阳煤集团抽放瓦斯做为主要气源供给阳泉城市燃气系统。供气浓度35～40，气体成分为甲烷占40.78,氧气占11.94,氮气占47.28，热值为14.65MJ/标m3，重度为1.052Kg/m3，杂质少，腐蚀性，符合城市燃气设计规范规定的燃气质量标准。 早在1958年阳煤集团就开始局部试用矿井瓦斯，主要用于煤矿食堂做饭、烧茶炉、烧锅炉以及矿井空气加温，当时的利用规模很小，只限于矿井瓦斯抽放站附近。1970年在一、二、三矿建起了三个矿井瓦斯抽放利用系统，到1975年矿井瓦斯用户发展到5378个住宅户和2383间集体宿舍用户，并有22个职工食堂、31个茶炉和四台锅炉也利用矿井瓦斯。除民用瓦斯外，1970年还在一矿建起了一座年产300 t的碳黑厂，至1980年累计生产半补强碳黑1808t；在三矿建起了一座年产500t甲醛厂，至1980年累计生产甲醛溶液2534 t，填补了山西省工业生产的空白，为国家建设提供了优质的化工原料。后来由于民用瓦斯的需要，瓦斯抽放量不足，停止了生产。 1975年以后，为了充分利用矿井瓦斯资源，扩大利用范围，学习和推广城市燃气管理经验，集团公司建起了赛鱼3万米3瓦斯储配站及输配系统，实验并研制了适合利用阳泉矿井瓦斯浓度的灶具。 从1984年开始，由阳泉市人民政府组织，国家计委批准立项，以阳泉矿务局矿井瓦斯为气源进行了阳泉市城市燃气化工程建设，发展阳泉市的燃气事业。燃气工程于1989年底全部竣工，1991年9月经国家相关部门验收并投入使用。到2006年末，全市民用瓦斯的总户数达到11万户，并有近300个社会福利用户。 阳泉矿区内主要含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，含煤16层，生产区煤层含气量平均为17.2 m3/t。总面积2668平方公里，瓦斯资源量储量极为丰富，约为6448亿m3。 阳煤集团瓦斯利用现拥有六座储配站（其中50000 m3储气柜2座、30000 m3储气柜和20000 m3储气柜各1座，5000 m3储气柜2座），总储配能力16万m3。安装加压机22台，加压机总装机容量2140KW，最大输配能力1570 m3/min，稳定输配能力58万m3/d，敷设中低压输配管线791km，建设区域调压站45座。 2005年，我国第一台利用瓦斯烧制永久性磁铁材料的气窑在阳煤集团试车成功，为我国磁铁生产工艺填补了一项空白。与以往烧制永久性磁铁材料所用的燃料不同的是，这是全国第一条利用瓦斯作为燃料年产1200吨永久性磁铁材料的现代化生产线。 阳煤集团抽放瓦斯气体属杂质少、无腐蚀的洁净能源，完全可以直接用于瓦斯气体内燃发动机发电。现一期已经建设成三个瓦斯发电站，其中赛鱼瓦斯发电站5.4 MW（31800），贵石沟瓦斯发电站11.4MW（61900），神堂嘴瓦斯发电站12.2 MW（43040），总发电量29MW，可利用瓦斯 0.5亿m3，年发电近2亿度，折合减排二氧化碳约91.7万吨。 阳煤集团瓦斯抽放量已经由1999年的1亿m3发展到2006年的3.76亿m3，民用技术日臻成熟，现在除了供给11万户居民作为燃料瓦斯利用技术外，还进行瓦斯发电技术、氧化铝焙烧技术、永磁材料烧结技术、陶瓷隧道窑烧制技术、大型工业锅炉燃气技术、燃气中央空调技术、以及陶瓷等工业燃料技术等，所有已经建成和已经改造的瓦斯利用工程项目年瓦斯利用量达到1.7051亿m3，利用率45.3。是目前国内综合利用瓦斯技术领域最多最广泛，综合利用瓦斯量最大的煤矿企业。利用瓦斯后，既给人民生活带来了方便，促进了工业生产，节约了煤炭，减少了城市污染，美化了环境，造福了全市人民，为全社会做出了很大贡献。 （三）煤层气（矿井瓦斯）综合利用前景广阔 瓦斯作为矿井主要灾害的认识已经深入人心，但对瓦斯作为宝贵洁净能源的认识，才是近几年的事。现在国内外对瓦斯抽放的要求力度越来越大，瓦斯抽放技术发展也比较快，而与之相适应的利用技术，利用范围，利用规模，以及产业化进程却相对滞后。 2006年国有重点煤矿286处高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井累计抽放瓦斯26.14亿m3。全年瓦斯抽放量超过1亿m3的统计单位有8个，其中山西省第一位，瓦斯抽采总量超过6亿m3 ；其次为贵州省，抽放量为3.35亿m3 ，辽宁省排第三位，为2.94亿m3 。 截至2006年底，累计瓦斯抽放量超过1亿m3 的煤矿企业共十一家煤业集团。全国重点煤矿抽采出来的瓦斯累计利用量6.15亿m3，瓦斯利用率为23.53％，其中民用4.74亿m3，发电用1.41亿m3。 2006年瓦斯抽采量超过1亿立方米的煤矿企业 排 序 企业 名称 高突矿井 （处） 已抽矿井 （处） 瓦斯抽采量 （亿立方米） 占全国百分比 1 阳泉 9 9 3.76 14.38 2 晋城 2 2 2.28 8.72 3 淮南 10 10 1.72 6.58 4 水城 8 8 1.72 6.58 5 盘江 6 6 1.70 6.50 6 松藻 6 6 1.69 6.47 7 鸡西 12 9 1.12 4.28 8 宁煤 8 8 1.09 4.17 9 抚顺 1 1 1.09 4.17 10 淮北 15 14 1.01 3.86 阳煤集团瓦斯抽放量和瓦斯利用量虽然均位居全国煤炭行业第一，但是利用率尚未达到50，约有54.7近2.0549亿立方米的瓦斯因多种因素未被利用。因此也是对大气排放瓦斯最大矿区。这么多的瓦斯如果不加以利用将其直接排人大气，不但会造成强烈的温室效应导致环境破坏甲烷是一种强烈的温室气体，温室效应是二氧化碳的21～23倍，也不产生任何的经济效益，反而造成极大的资源浪费。阳泉市 41浓度的瓦斯用户价格为0.55元/m3，折合100浓度的瓦斯用户价格1.34元/m3。按此计算，阳煤集团每年排空的瓦斯，折合人民币2.75亿元，损失是显而易见的。 从阳煤集团瓦斯抽采量和目前的利用量来看，瓦斯利用发展具有非常大的潜力。集团公司也非常重视，主要从以下几个方面着手进行 1、积极参与国际CDM项目二氧化碳减排交易 CDM项目是一种双赢的活动机制，我国政府十分重视。2004年五月出台了“中华人民共和国清洁发展机制项目运行管理暂行办法”。其中将回收利用瓦斯列为在中国开展CDM项目的重点领域。 集团公司已经建设的80万吨/年氧化铝项目，该项目一期工程40万吨/年可实现每年减排75万吨二氧化碳。按现国际碳市场行情6欧元/吨计算，该项目一个减排期（6年）可实现二氧化碳减排交易收入2700万欧元2.7亿元人民币。每年可获得减排效益4500万元人民币。 阳煤集团已建成的三个瓦斯发电项目，五矿贵石沟11.4MW（61900）的瓦斯发电站，神堂嘴12.2 MW（43040）瓦斯发电站，赛鱼5.4 MW（31800）瓦斯发电站，以上三个发电项目减排量合计91.7万t/a。一个减排期（6年）可获得实现二氧化碳减排交易收入3300万欧元3.3亿元人民币。每年可获得5500万元人民币。 2、重点研究开发瓦斯液化和瓦斯压缩技术 2007年7月由中国科学院理化所、北京赞成国际投资有限公司、阳煤集团共同进行的低浓度含氧煤层气分离、液化工业化双塔实验装置建成，采用低温精馏法分离提纯，它的原理是先将气体混合物冷凝为液体，然后再按各组分蒸发温度的不同，在分离塔内将它们分离。这是很适合低浓度含氧煤层气分离，能够同时彻底脱除氧、氮气。8月4日上午，开始对装置进行了第一次联合调试，先启动氮气压缩机和透瓶膨胀机对装置进行预冷，晚上8时许，冷箱及分离塔的温度降到了零下170度以下，开始向塔内送入甲烷含量为35的含氧煤层气，晚上10时，甲烷塔开始积液，装置中的液体甲烷浓度分析显示仪显示的甲烷浓度逐渐提高，从7月5日凌晨两点多钟开始，液体甲烷的浓度开始稳定地显示甲烷浓度达到100，实验取得了成功。 低浓度含氧煤层气分离提纯实验第一次在阳泉的成功，填补了国内瓦斯液化提纯的空白，将会产生很好的经济效益和社会效益。含氧煤层气分离提纯工艺，由于要将产品流量两倍以上的原料气都进行降温和液化并分离出产品气液体，其单位产品的能耗将比纯天然气的液化要高。但是，含氧煤层气原料价格却比纯天然气要低的多。按照对一台中小型规模的含氧煤层气分离液化装置（每天处理19万标方含氧煤层气，年生产能力为20000吨液化天然气）的经济分析，装置每标方的液化煤层气产品的出厂成本将在1.5元左右。按照目前液化煤层气的市场情况，经济效益是比较好的。 本项目技术的有效推广，将从很大程度上改变我国煤层气抽排放空的现象，对节能减排有十分重要的意义 根据实验的情况，阳煤集团2008年投资1.2亿元在石港矿建设年产2万吨液化（LNG）瓦斯的工厂，为进一步扩大液化进行技术储备。同时2008年在新景矿神堂嘴建设年产2000万立方低浓度提纯压缩（CNG）瓦斯工厂，为阳泉市公交车、出租车提供城市低成本压缩瓦斯，以气代油。 压缩（CNG）瓦斯可用作优质的车用燃料。与燃油汽车相比，具有抗暴性好、燃烧安全、排气污染少、发动机寿命厂、降低运输成本等优点。压缩（CNG）天然气直接用于发动机作燃料已经在石家庄、郑州、西安、重庆、上海等全国50多个城市近30万辆车辆上得到使用。压缩（CNG）瓦斯作为汽车燃料，已经在太原、郑州、洛阳、长治、晋城等地使用，经济效益特别显著。 2008年～2010年，阳煤集团与北京蓝清创能科技有限公司在神堂嘴共投资约2.3亿元，分两期建设，最终建成日产60万方CNG、LNG煤层气提纯及综合利用企业，实现日产60万立方米（标准条件）CNG、LNG煤层然气，不仅覆盖阳泉周边地域车用煤层气市场，而且形成向京、津、塘地域提供大规模车用煤层气的能力。具体项目规模如下 阳泉CNG、LNG基地基本数据 日产纯瓦斯气量方 60104 原料气中甲烷浓度 35 日需混合气量（方） 200104 耗电功率（千瓦） 15 CNG成分O288，CO231MJ 结束语 阳泉市目前已经建立起比较完备的城市瓦斯燃气利用系统，包括储存、输送、加压、调压、直到用户的输配工程，并且积累了长期利用瓦斯的使用经验。阳煤集团每年可稳定抽放并输送可利用瓦斯3亿m3以上，而且价格稳定较石油液化气低。因此城市利用瓦斯比利用液化石油气便宜效益好。 瓦斯是热值高、无污染的新能源。该气体中没有酚、氰等有毒物质，因此，不会使与其接触的水体产生污染。并且无灰，基本上不含H2S，燃烧后不会产生粉尘与化学污染。与燃煤相比，煤炭燃烧主要产生二氧化碳, 另外有少量的二氧化硫及氮氧化合物, 还有不充分燃烧产生的一氧化碳和大量的粉尘等，还有煤炭的运输、民用配烧黄土、炉灰排渣等污染。所以，采用瓦斯做燃料可以极大地改善环境污染，提高全市空气的清洁程度。 经过我们几十年的实践证明，瓦斯作为城市主要利用能源具有无比的优越性，既有效的改善城市环境，又极大的促进了城市经济发展。国家制定出台了许多有关发展瓦斯利用的优惠政策，发展瓦斯综合利用前景十分广阔的。因此，我们应把握时机，积极开发和推广煤层气综合利用技术，依靠科技进步，加快创新型城市建设步伐，建设充满活力、富裕殷实、文明和谐、山川秀美的新阳泉。 9