降“魔”出奇迹：让超低浓度瓦斯“改邪归正”

作为煤炭开采的副产品，煤矿瓦斯产生于煤炭开采全过程，给煤矿的安全生产带来了威胁，也会污染空气并造成温室效应。几百年来，人类为了降服煤矿瓦斯，想尽了各种办法。针对甲烷浓度大于30%的高浓度瓦斯，以及甲烷浓度大于7%小于30%的低浓度瓦斯，我们都有了合适的开发利用方式；但是针对超低浓度瓦斯的开发利用，长期以来一直是煤矿工业界的难题，同时也是业界人士苦苦追索的一个难题。

甲烷气体处理（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

01 什么是超低浓度瓦斯？

根据《煤矿瓦斯发电工程设计规范》(GB51134—2015)，超低浓度瓦斯是指甲烷浓度小于7%的煤矿瓦斯，这部分瓦斯不能直接发电，其总量巨大，约占我国煤矿瓦斯的80%以上。

采空区埋管抽采的超低浓度瓦斯，其甲烷浓度一般大于1%，总体占比较少；而另一种是风排瓦斯，也称乏风瓦斯，指在煤矿巷道通风中产生的风排瓦斯（亦称乏风瓦斯），其甲烷浓度低于0.75%。

据中国能源报2023年11月报道，我国每年由煤矿通风排入大气的甲烷相当于西气东输一年的输气量，产生的温室效应相当于2亿吨二氧化碳当量，因此充分利用乏风瓦斯意义重大。

西气东输（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

02 降魔的难题

甲烷浓度大于1%小于7%的超低浓度瓦斯，主体利用方法是稀薄燃烧，具体包括多孔介质燃烧、脉动燃烧和催化燃烧等技术。

甲烷浓度低于0.75%的风排瓦斯，利用方法有燃料和辅助燃料。燃料为主要利用方法，先将超低浓度瓦斯甲烷浓度富集到1%以上，然后通过热逆流蓄热氧化及催化贫燃燃气轮机技术进行热能利用。

目前，虽然热逆流氧化技术及催化贫燃燃气轮机技术都已实现工业化应用，但要实现风排瓦斯的燃料利用还有两个大问题：

富集问题：如何提高超低浓度瓦斯中的甲烷浓度，实现超低浓度甲烷富集。

安全问题：超低浓度瓦斯中除了甲烷，还有一定浓度的氧气和氮气，当超低浓度瓦斯中甲烷浓度富集到5%~15%时, 遇到明火，很容易引发爆炸。因此，为了保证瓦斯富集过程中不发生安全事故，超低低浓度瓦斯利用还须同时考虑空气除氧问题。

煤矿瓦斯爆炸（图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷）

03 降魔杵—变废为宝的常用技术

目前，甲烷浓度低于0.75%的超低浓度瓦斯甲烷富集技术主要有低温液化法、吸附法、吸收法、膜分离法、水合物法。

目前，工业上大规模采用的变压吸附分离技术和低温液化分离技术，其中前者的分离技术更成熟、甲烷回收率更高,在能耗和成本方面更具优势，是目前最具潜力和应用价值的技术。

而变压吸附分离利用吸附剂在不同温度下对甲烷吸附量不同实现气体分离，其成功的关键是吸附剂的选择。目前，应用较广的吸附剂有碳基吸附剂、沸石分子筛、金属有机骨架等。其中，碳基吸附剂又分为活性炭、碳分子筛、石墨烯和碳纳米管。这其中，活性炭由于具有原材料广、制备工艺简单、孔隙结构发达、比表面积大、机械与再生性能好等优势,成为变压吸附分离工艺中最常用的吸附剂。

04 展望

总体看，目前超低浓度瓦斯利用技术在点上突破，但面上仍处于实验室研究阶段，尚不能有效指导生产实践。究其原因：

一是高吸附压力和高真空度的变压吸附工艺增加了爆炸风险和操作成本；

二是富集工艺的经济性、适应性和安全性仍有待提高。

近年来，随着膜分离技术的发展，新型膜分离技术在超低浓度瓦斯脱氧技术中应用越来越多。

未来，超低浓度的瓦斯利用：

一方面要继续致力研发高选择性、高容量和高耐受性的吸附材料；

另一方面也需在整体工艺流程优化方面继续努力，寻求突破。

薄暮空潭曲，安禅制毒龙（唐·王维）。超低浓度瓦斯这条“毒龙”，未来终将会被我们征服！

参考文献：

[1]高鹏飞.乏风瓦斯提浓利用技术现状及展望[J].矿业安全与环保,2017(003):044.

[2]祝彦.低浓度瓦斯利用技术现状综述与展望[J].能源技术与管理,2022(004):047.

[3]桑树勋，袁亮，刘世奇,等. 碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻[J]. 煤炭学报,2022,47(4):1430-1451.

[4]栗硕豪,巩雨晴,付沈光,等.煤矿瓦斯变压吸附提纯甲烷的研究进展[J].中国科学:化学, 2023, 53(6):992-1007.

[5]渠沛然.甲烷控排新政倒逼低浓度瓦斯利用提速[N].中国能源报. 2023-11-20.

作者：刘汉斌 山西省煤炭地质局高级工程师

审核：李勇 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院教授

出品：科普中国

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