近日，中国中煤山西公司原相煤矿低浓度瓦斯综合利用项目二期汽轮机发电工程竣工并网发电，标志着全国首个风排瓦斯热电联供碳减排项目正式竣工投产。该项目供电量2400万kWh/年，利用瓦斯标况纯量约1800万m3/年，CO2减排量29万吨/年，工业产值约2700万元/年，碳减排收益约2300万元/年，煤矿每年用热、用电费用可节约将近2000万元，大幅降低企业生产成本，积极开拓了煤矿“产炭不排碳”的绿色发展道路。

　　2024年1月份，国家能源局公布了首批煤矿瓦斯高效抽采利用示范项目，神东煤炭山西保德煤矿高涌出量矿井地面井下联合瓦斯高效抽采示范项目、安徽淮南矿区松软低渗高突煤层地面水平井瓦斯高效抽采示范项目等项目成功入选。

　　近年来，瓦斯综合利用的案例与项目层出不穷。为何大家都在探索瓦斯的综合处理利用方式，它有什么特别之处呢?具体又有哪些处理方法?

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瓦斯的概念与特点

　　瓦斯又称煤层气，存在于煤层之间，其主要成分为甲烷。在开采煤矿的过程中，一旦空气中的甲烷体积分数超过10%，遇到明火就会发生爆炸。瓦斯的抽放排空还会造成对大气环境的严重破坏，其温室效应约为二氧化碳的20多倍。据国际能源机构(IEA)估计，全世界瓦斯资源量达260万亿立方米，目前全世界每年因采煤直接向大气排放的瓦斯达315-540亿立方米，破坏了臭氧层，加剧了温室效应，我国是世界煤炭生产和消费大国，煤矿瓦斯排放量约占世界总排放量的1/3。

　　相反的是，瓦斯的主要成分——甲烷经过充分燃烧后只产生水和二氧化碳两种物质，因此每利用1立方米瓦斯，就相当于减排16千克二氧化碳。可以说，瓦斯是“如假包换”的清洁能源。

　　瓦斯综合利用既可以应对煤矿安全生产问题，又能减少温室气体的排放，一举两得。

　　2022年8月19日，山西省能源局下发《关于推动煤矿瓦斯综合利用的指导意见》，要求严禁高浓度瓦斯排放，加强低浓度瓦斯利用。到2025年，煤矿瓦斯利用技术不断完善，综合利用效率明显提升，建设一批瓦斯梯级利用项目，山西省瓦斯利用率力争达到50%。

　　2023年，我国煤层气产量达到117.7亿立方米，同比增长20.5%。随着国家能源局印发《煤层气勘探开发行动计划》，煤层气地面抽采量大幅增长，煤矿瓦斯抽采利用量逐步增加，煤矿瓦斯提纯制LNG、CNG技术、中低浓度瓦斯发电及乏风瓦斯逆流氧化等技术得到了快速推广和应用。截至2020年底，全国煤层气抽采利用率由2015年的86.4%增加至2020年的91.8%，井下瓦斯抽采利用率由2015年的35.3%增加至2020年的44.8%。

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瓦斯综合利用方向

　　目前我国各矿区瓦斯利用按浓度分为三类。甲烷浓度在30%以上的瓦斯主要用于民用、发电、工业燃料以及化工等方面;甲烷浓度在1%—30%的瓦斯主要用于低浓度瓦斯发电;对于甲烷浓度在1%以下的超低浓度煤矿瓦斯和甲烷浓度在0.01%—0.5%的“通风瓦斯”，目前业界主要作为辅助燃料或主要燃料以制取高温热风、热水、蒸汽或发电。

　　民用、工业、汽车燃料

　　高浓度瓦斯(>90%)通常采用高压输送, 可用作工业燃料、化工原料，为方便远距离输送也可直接液化送往使用地;

　　较高浓度瓦斯(60%-90%)提纯后送至天然气管网，用于燃气内燃机发电 (电点火式) 热电联产，作为化工原料用于生产甲醇、甲醛、 炭黑等产品利用技术，制作成液化天然气 (LNG) 或压缩天然气 (CNG) 用于车用燃料等等;

　　中浓度瓦斯(30%-60%)用于民用燃气、工业燃气锅炉，高浓度瓦斯发电机组发电、和煤炭混合燃烧发电等，直接燃烧以及热电联产等

　　低浓度瓦斯发电

　　甲烷浓度为 1% ~ 30%的低浓度瓦斯多用于各类型的发电。

　　燃气轮机发电技术：设备的稳定性和可靠性较高, 故障率较低，设备对瓦斯流量的波动适应性较好;但燃气轮机的初期投资和维护成本较高;

　　燃气内燃机发电技术：燃气在发电机缸体内部被点燃引爆, 气体膨胀并推动活塞运动, 活塞运动过程中将机械能转化为电能。内燃机发电是低浓度瓦斯最主要的利用方式。燃气内燃机的排烟温度很高, 排烟热能可以利用, 使得低浓度瓦斯的利用率被进一步提高;

　　燃气锅炉-蒸汽轮机发电技术：将低浓度瓦斯与煤或高浓度瓦斯掺混, 送入燃气锅炉的燃烧室燃烧生成过热蒸汽, 通过蒸汽轮机带动发电机发电。系统受粉尘的影响小, 其运行维护简单，但系统会消耗部分高浓度瓦斯, 对瓦斯的浓度、流量有一定要求，锅炉燃烧室的受热面易被腐蚀;

　　联合循环多联供技术：低浓度瓦斯在燃气轮机中燃烧, 排出的高温烟气进入余热锅炉, 在余热锅炉中产生过热蒸汽, 再通过蒸汽轮机推动发电机发电, 系统发电效率可超过45% ;

　　制氢技术：基于CH4自热氧化反应, 利用低浓度瓦斯中的 O2 与 CH4 、H2 、CO燃烧, 使 CH4 、 CO与水蒸气发生化学反应制备H2;

　　制合成氨技术：将低浓度瓦斯气体通入蓄热炉内, 在常压下 CH4与O2发生间歇自热化学反应, 蓄热炉排出烟气通入余热锅炉回收热量后, 烟气再经脱氮、甲烷化等工序制备合成氨。该工艺无脱氧或低温分离工序, 降低了合成氨制备成本, 提高了CH4 的利用率;

　　直接燃烧技术

　　瓦斯浓缩提纯技术

　　辅助燃料、主要燃料

　　超低浓度(<1%)的瓦斯主要以煤矿乏风的形态存在, 乏风中含有氧气和一定量甲烷气体, 可代替新鲜空气，作为燃气轮机、 内燃机、 混合低质煤/ 甲烷燃烧系统、 燃烧粉煤发电厂等的辅助燃料;

　　超低浓度瓦斯可用于热逆流反应器 (TFRR)、 催化逆流反应器 (CFRR)、 整体式催化燃烧反应器 (CMR)、 贫烧催化燃烧燃气轮机、 间壁回热式贫烧燃气轮机、 集中器等设备作为主要燃料加以利用。

　　【行业资讯】全国首个瓦斯热电联供碳减排项目投产，瓦斯如何综合利用?

　　资料来源：碳中和文库

来源：山西省瓦斯发电协会

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