作為煤炭開采的副產品，煤礦瓦斯產生于煤炭開采全過程，給煤礦的安全生產帶來了威脅，也會污染空氣并造成溫室效應。幾百年來，人類為了降服煤礦瓦斯，想盡了各種辦法。針對甲烷濃度大于30%的高濃度瓦斯，以及甲烷濃度大于7%小于30%的低濃度瓦斯，我們都有了合適的開發利用方式；但是針對超低濃度瓦斯的開發利用，長期以來一直是煤礦工業界的難題，同時也是業界人士苦苦追索的一個難題。

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甲烷氣體處理（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

01 什么是超低濃度瓦斯？

根據《煤礦瓦斯發電工程設計規范》(GB51134—2015)，超低濃度瓦斯是指甲烷濃度小于7%的煤礦瓦斯，這部分瓦斯不能直接發電，其總量巨大，約占我國煤礦瓦斯的80%以上。

采空區埋管抽采的超低濃度瓦斯，其甲烷濃度一般大于1%，總體占比較少；而另一種是風排瓦斯，也稱乏風瓦斯，指在煤礦巷道通風中產生的風排瓦斯（亦稱乏風瓦斯），其甲烷濃度低于0.75%。

據中國能源報2023年11月報道，我國每年由煤礦通風排入大氣的甲烷相當于西氣東輸一年的輸氣量，產生的溫室效應相當于2億噸二氧化碳當量，因此充分利用乏風瓦斯意義重大。

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西氣東輸（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

02 降魔的難題

甲烷濃度大于1%小于7%的超低濃度瓦斯，主體利用方法是稀薄燃燒，具體包括多孔介質燃燒、脈動燃燒和催化燃燒等技術。

甲烷濃度低于0.75%的風排瓦斯，利用方法有燃料和輔助燃料。燃料為主要利用方法，先將超低濃度瓦斯甲烷濃度富集到1%以上，然后通過熱逆流蓄熱氧化及催化貧燃燃氣輪機技術進行熱能利用。

目前，雖然熱逆流氧化技術及催化貧燃燃氣輪機技術都已實現工業化應用，但要實現風排瓦斯的燃料利用還有兩個大問題：

富集問題：如何提高超低濃度瓦斯中的甲烷濃度，實現超低濃度甲烷富集。

安全問題：超低濃度瓦斯中除了甲烷，還有一定濃度的氧氣和氮氣，當超低濃度瓦斯中甲烷濃度富集到5%~15%時, 遇到明火，很容易引發爆炸。因此，為了保證瓦斯富集過程中不發生安全事故，超低低濃度瓦斯利用還須同時考慮空氣除氧問題。

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煤礦瓦斯爆炸（圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛）

03 降魔杵—變廢為寶的常用技術

目前，甲烷濃度低于0.75%的超低濃度瓦斯甲烷富集技術主要有低溫液化法、吸附法、吸收法、膜分離法、水合物法。

目前，工業上大規模采用的變壓吸附分離技術和低溫液化分離技術，其中前者的分離技術更成熟、甲烷回收率更高,在能耗和成本方面更具優勢，是目前最具潛力和應用價值的技術。

而變壓吸附分離利用吸附劑在不同溫度下對甲烷吸附量不同實現氣體分離，其成功的關鍵是吸附劑的選擇。目前，應用較廣的吸附劑有碳基吸附劑、沸石分子篩、金屬有機骨架等。其中，碳基吸附劑又分為活性炭、碳分子篩、石墨烯和碳納米管。這其中，活性炭由于具有原材料廣、制備工藝簡單、孔隙結構發達、比表面積大、機械與再生性能好等優勢,成為變壓吸附分離工藝中最常用的吸附劑。

04 展望

總體看，目前超低濃度瓦斯利用技術在點上突破，但面上仍處于實驗室研究階段，尚不能有效指導生產實踐。究其原因：

一是高吸附壓力和高真空度的變壓吸附工藝增加了爆炸風險和操作成本；

二是富集工藝的經濟性、適應性和安全性仍有待提高。

近年來，隨著膜分離技術的發展，新型膜分離技術在超低濃度瓦斯脫氧技術中應用越來越多。

未來，超低濃度的瓦斯利用：

一方面要繼續致力研發高選擇性、高容量和高耐受性的吸附材料；

另一方面也需在整體工藝流程優化方面繼續努力，尋求突破。

薄暮空潭曲，安禪制毒龍（唐·王維）。超低濃度瓦斯這條“毒龍”，未來終將會被我們征服！

參考文獻：

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[5]渠沛然.甲烷控排新政倒逼低濃度瓦斯利用提速[N].中國能源報. 2023-11-20.

作者：劉漢斌 山西省煤炭地質局高級工程師

審核：李勇 中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院教授

出品：科普中國

監制：中國科學技術出版社有限公司、中科數創（北京）數字傳媒有限公司

來源: 科普中國

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