煤层气综合利用现状与实践_周营振.pdf

202302技术应用与研究132Modern Chemical Research当代化工研究202302技术应用与研究132Modern Chemical Research当代化工研究煤层气综合利用现状与实践周营振 张小宁 王李平 杨飞 刘乐（陕西彬长大佛寺矿业有限公司 陕西 713500）摘要：为了积极响应新形势下节能减排政策，总结归纳大佛寺煤层气抽采与综合利用，在实验研究基础上采用“瓦斯抽采+低浓度瓦斯发电+锅炉余热利用”的综合利用方式，结合实际对大佛寺煤层气的高效利用提出合理化建议。得出4#煤层裂隙宽度较大，平均10 38m，渗透率为3.065.73mD，主煤层渗透率较大，渗透性较好。煤层气综合利用率较高，实现了环境、经济和社会效益。关键词：节能减排；煤层气；瓦斯综合利用；渗透性中图分类号：TD712 文献标识码：ACurrent Situation and Practice of Comprehensive Utilization of Coal Bed MethaneZhou Yingzhen,Zhang Xiaoning,Wang Liping,Yang Fei,Liu Le(Shaanxi Binchang Dafosi Mining Co.,Ltd.,Shaanxi,713500)Abstract：In order to actively respond to the policy of energy conservation and emission reduction under the new situation,summarize and summarize the extraction and comprehensive utilization of coal seam gas in Dafosi,adopt the comprehensive utilization mode of“gas extraction+low concentration gas power generation+boiler waste heat utilization”on the basis of experimental research,and put forward reasonable suggestions for the efficient utilization of coal seam gas in Dafosi in combination with the actual situation.It is concluded that the crack width of Coal Seam 4#is rel-atively large,averaging 1038 m.The permeability is 3.065.73 mD,and the main coal seam has high permeability and good permeability.The comprehensive utilization rate of coalbed methane is relatively high,realizing environmental,economic and social benefits.Key words：energy conservation and emission reduction；coal bed methane；comprehensive utilization of gas；permeability煤层气综合利用是一个包含社会效益、经济效益、环境效益和安全效益的综合项目，是煤矿多元化发展的重要途径。通过总结分析煤层气相关文献可知，罗申国1分析我国煤层气利用现状，探讨不同浓度瓦斯的利用方法和存在问题，并提出整改意见。徐云飞2研究了李阳煤业瓦斯抽采以及综合开发利用途径，分析利用瓦斯带来的各方面效益并提出有效意见。闫亮3研究了马兰煤矿瓦斯涌出情况，分析抽采方式以及矿井发电利用情况。崔中桐4以新田煤矿为背景，以节能减排为目标开发智能矿山、瓦斯高效综合利用发电以及回收利用燃气通过余热锅炉供暖。张丽民5研究与余吾煤业瓦斯综合利用现状，通过乏风氧化、瓦斯发电、瓦斯抽采等利用方式每年创造巨大的环境和经济效益。曹帅6研究了彬长矿区文家坡煤矿的瓦斯综合利用现状，分析了工作面边抽边采、邻近层、定向钻孔和采空区瓦斯抽采结合，瓦斯综合利用包括地面预抽、低浓度瓦斯发电和乏风发电的方法，多种利用方式在彬长成功实行。煤层气利用现状是体积分数30%以上的高瓦斯用于提纯供应民用和工业用气，体积分数8%30%用于内燃机发电，且技术比较成熟，8%以下瓦斯与空气混合至1%1.2%通过乏风氧化蓄热。目前煤层气利用存在问题有瓦斯抽采效率不高，商业化利用率低，仅应用于供应燃气、瓦斯发电、汽车燃料等，化工主要用于合成氨、合成油等。开发期望过高，一次性投资成本大，煤矿瓦斯量持续减少，且低浓度瓦斯利用率较低。本文通过研究彬长大佛寺矿瓦斯抽采和综合利用方式，分析现状总结经验，为进一步扩大瓦斯综合利用事业提供经验。1.实验分析(1)地质分析表1 煤质分析工业分析水分灰分挥发分固定碳4.2314.3830.2546.12元素分析碳氢氮氧78.455.421.239.46彬长煤田瓦斯赋存量高，根据钻孔瓦斯含量统计及实际揭露情况：地下水活动滞怠，延安组裂隙承压含水岩组赋水性弱，所以地下水活动对该处煤层瓦斯的影响较小；煤层顶板多为泥岩，炭质泥岩，底板多为铝土泥岩，厚度较大且整体性好，对瓦斯保存有利；煤层稳定，结构简单，煤质呈黑色，块状，半暗型，玻璃光泽，阶梯状断口，视密度为1.39t/m3，局部含有12层夹矸，厚度0.10.3m；整个煤田所在区域断层、褶曲等构造相对较少，整体地质环境对煤层瓦斯的保存有利；煤层瓦斯含量与煤层厚度、埋深具有一定的正相关性，即随着煤层厚度、埋深的增大，煤层瓦斯含量缓慢增大，彬长煤田埋深在600900m左右，属埋深较深煤层。经煤质化验，煤层瓦斯赋存量202302技术应用与研究133Modern Chemical Research当代化工研究202302技术应用与研究133Modern Chemical Research当代化工研究较高，具备开采价值。(2)煤质分析大佛寺主采煤层4#煤层都是低热变质烟煤层，为不粘煤层31号，煤质分析见表1。(3)瓦斯吸附解吸瓦斯吸附0123456705101520瓦斯吸附量(cm3g-1)压力(M Pa)瓦斯吸附量 Langmuir拟合曲线0123456705101520瓦斯吸附量(cm3g-1)压力(M Pa)瓦斯吸附量 Langmuir拟合曲线（MPa）图1 4#煤等温吸附曲线结合表1可知煤中水分越高，可能占据的有效吸附点位就越多，相对留给甲烷分子有效点位就会减少，煤的饱和吸附量就会降低。因而随着煤基质水分的增加，兰氏体积呈减小趋势，而灰分对甲烷气体没有吸附效应，因此灰分含量的增加，必然会导致兰氏体积的减少。瓦斯解吸010203040500.00.30.60.91.21.5解吸率解吸时间(小时)瓦斯解吸率图2 4#煤样解吸速率由图2可知残余气含量为零或者非常低，甲烷气体几乎得到解吸，损失气体含量较大，用直接法计算的损失气含量明显偏低。根据排采数据分析，实际损失气量最高可达30%以上。(4)煤层渗透性裂隙特征表2 裂隙特征4#煤层裂隙特征裂隙长度/cm高度/cm宽度/m密度/条/cm主裂隙0.013.30.013.513305.2次裂隙0.010.60.012.811303.7表3 渗透率特征4#煤层渗透率测定埋深/m513.30596.10567.60499.45渗透率/mD5.733.553.083.064#煤层裂隙宽度较大，平均1038m，密度一般35条/10cm，渗透性较好。渗透率可知4#煤层渗透率为3.065.73mD，主煤层渗透率较大，渗透性较好。2.煤层气抽采(1)我国煤层气抽采2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018-020406080100120140160180200 抽采量 利用量 利用率时间(年)煤层气抽采量和利用量/亿m305101520253035404550 煤层气利用率(%)图3 20102018年煤层气抽采、利用统计由图3可知我国煤层气抽采量波动范围较小，整体利用率有小幅度上升，但是相比于发达国家利用率较低，抽采量较高但是利用量和利用率有待提高。(2)大佛寺煤层气抽采表4 煤层气抽采月份月/月123456抽采量/万m3343347419379405378月份/月789101112抽采量/万m3402301375406407401大佛寺煤矿含煤层气资源面积75.42km2，总资源量25.23108m3，可采资源量为18.92108m3，资源丰富度为0.33108m3/km2。2022年23口井目前以直井为主，辅以多分支水平井和U型分支水平井，其中多分支水平井产量最高，结合采前预抽、区域预抽、掘前预抽、高位定向钻孔、和顶板释放孔，2022年煤层气抽采大约为4563万m3，通过与天然气公司和发电厂合作，满足民用燃料的同时实现经济价值。47%36%11%5%1%瓦斯浓度 80-100%30-80%8-30%3-8%0-3%瓦斯浓度以及占比瓦斯体积分数以及占比瓦斯体积分数图4 瓦斯体积分数占比202302技术应用与研究134Modern Chemical Research当代化工研究202302技术应用与研究134Modern Chemical Research当代化工研究3.煤层气瓦斯发电(1)瓦斯利用途径由图4可知高浓度瓦斯80%占比最少，其可直接应用于汽车、工业、民用燃料；中高浓度瓦斯（30%CH4体积分数80%）应用范围广，可以发电或者提纯后压缩作为汽车燃料；低浓度瓦斯（8%CH4体积分数30%）可应用于发电利用；超低浓度瓦斯（CH4体积分数8%）通过乏风蓄热氧化发电技术、瓦斯直燃技术进行利用。(2)低浓度瓦斯发电大佛寺煤矿一期、二期瓦斯发电瓦斯发电至今累计发电7.5亿度，销毁利用瓦斯纯量3.6亿Nm3，累计减排CO2当量360万吨，节约标煤20万吨，有效减少了环境污染，降低温室气体排放。在2022年低浓度一期发电总量为3400万度，低浓度二期年发电总量1587万度，低浓度黄陵发电厂全年累计发电量为3900万度。大佛寺煤矿通风瓦斯（乏风）氧化发电发电公司将1#、2#风井0.2%0.75%和抽采体积分数低于8%的瓦斯混合气体输送到氧化装置掺混点，自动混合为0.9%1.0%，供氧化装置氧化反应，产生蒸汽推动汽轮发电机发电，实现低浓度瓦斯回收利用，项目年发电3200万度，年减排CO2当量约56万吨。大佛寺煤矿低浓度瓦斯直燃技术发电计划将瓦斯直燃项目7%8%瓦斯直接输送至直燃装置进行燃烧，燃烧均匀且强度高达2500kW/m2。该技术设计了独特的点火和燃烧器，迷宫式的温度场，保障低浓度瓦斯安全点燃、稳定燃烧，确保系统安全稳定运行。该项目建设规模为4MW，每年实际销毁低浓度瓦斯73.6万m3，减排CO2当量约1.45万吨，每天供应热水145t满足员工洗浴。(3)低浓度瓦斯发电烟气余热利用烟气开发项目通过24台燃气机组产生的烟气余热建设42.4t/h+32t/h余热锅炉，将产生2.45MPa、400、15.6t/h过热蒸汽，送至4.5MW汽轮发电机组用于发电，同时利用烟气余热可为大佛寺煤矿4000余职工提供生活和洗浴用水，每年节省标煤5363t，为节能减排做出贡献。4.煤层气开采利用存在问题及建议措施(1)存在问题煤层气开发期望过高，注意力集中于工程实践，资金投入与产出不成正比。低浓度瓦斯利用技术有待提高，特别是瓦斯直燃技术和乏风瓦斯发电技术不成熟，目前发电和供热成本较高。高浓度瓦斯打井开采和发电成本高，政府补贴不稳定，且煤层气提纯主要用于民用和发电，工业利用途径少。项目立项与审批手续复杂，周期较长，极大延误了煤层气开发与利用项目进度。(2)措施建议对煤层气开采保持清醒认识，注重实验研究与工程实践结合，避免无效投入。坚持煤层气开发“四个统一”原则，由国家企业统一标准化开采建设，严格执行“先抽后采”政策方针，将采煤采气一体化、井下和地面抽采充分结合。针对煤层气“三低现象”，坚持理论与技术创新，将低浓度瓦斯应用技术进一步推进，加大科研投入与关键技术研发力度。加强政府的扶持力度，稳定发电和抽采补贴，促进企业发展，扩宽煤层气利用渠道，简化项目的行政审批手续，加快项目建设。5.结论彬长矿业煤层气综合利用应因地适宜，地面开采就地利用、余气外输，实现高浓度煤层气商业化。低浓度通过发电利用，鼓励煤矿自产自用，余电并网销售，自给自足的前途下创造效益，将超低浓度瓦斯进行回收利用，选择氧化后再供热、瓦斯直燃技术等方式利用。煤层气综合利用不仅符合当下清洁能源的政策，而且提高煤矿安全生产的同时为企业带来新的经济增长点，实现资源、环境和社会效益最大化。【参考文献】1罗申国,宋沛鑫,冯大伟.我国煤层气开发利用现状及综合利用途径分析J.煤炭加工与综合利用,2020(07):83-87.2徐云飞.李阳煤业瓦斯综合利用的实践与探索J.能源与节能,2021(03):180-208.3闫亮.煤矿风井地面瓦斯抽采技术及综合利用技术研究应用J.山西冶金,2021,44(01):74-82.4崔中桐,于彬,游吉.新田煤矿瓦斯发电站余热利用技术研究J.内蒙古煤炭经济,2021(01):59-60.5张丽民.余吾煤业瓦斯综合利用探讨J.煤,2018,27(12):83-84.6曹帅,朱世阳.彬长矿区瓦斯治理及综合利用技术C/煤矿绿色高效开采技术研究陕西省煤炭学会学术年会论文集,2016:279-282.【作者简介】周营振（1985-），男，汉族，河南周口人，本科，机电工程师，研究方向：机电应用。