国际领先｜浓度大于3%煤矿瓦斯直燃热·电·冷联供技术介绍

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技术研发背景

煤矿瓦斯，主要成分为甲烷，在煤矿采动之前赋存于煤炭和围岩当中，称之为煤层气，煤矿开采时逸出混合空气，称之为瓦斯。这种气体无色、无臭、无味且易燃、易爆。在常温常压条件下，当瓦斯中甲烷的浓度达到5%～16%(爆炸极限)时，如遇明火，就会发生“瓦斯爆炸”，因此瓦斯一直是煤矿开采过程中最为重要的安全课题。

而瓦斯直接排放不仅会造成能源浪费，还会加剧温室效应。因为瓦斯中的甲烷是一种重要的温室气体，其温室效应是二氧化碳的26倍，所以，提升抽采瓦斯资源的利用率势在必行。在国家双碳目标、绿色发展战略背景下，在《中美联合公报》发布的国际共识中，我国十四五发展规划当中明确对甲烷等温室气体排放加大管控力度，生态环境部应对气候变化司发表5条建议推动《中美联合公报》甲烷控排的落实，而这一系列政策落实的关键，在于技术的创新。

瓦斯资源利用方式↑

煤矿瓦斯利用的难点在于，所含甲烷的浓度受各种因素影响，变化较大。行业根据不同的应用条件，对其做了如下区分：甲烷浓度大于等于30%的为高浓度瓦斯，浓度3%～30%的为低浓度瓦斯，抽排泵站抽出的浓度低于3%的我们称它超低浓度瓦斯，从风井排出的浓度低于0.75%的瓦斯称为风排瓦斯或者“乏风”。

当前瓦斯应用通常按照不同浓度进行梯度利用，高浓度瓦斯通常作为化工原料、燃料使用;抽采的浓度9%～30%的低浓度瓦斯可以通过往复式内燃机发电机组(瓦斯发电机组)进行利用;而抽采的浓度3%～9%的低浓度瓦斯之前没有成熟的直接利用技术，通常有两种间接利用方法：

一是与高浓度瓦斯掺混至浓度大于9%后通过瓦斯发电机组利用。

二是采用乏风氧化技术，利用煤矿乏风或空气稀释至浓度1.2%以下进行逆流蓄热氧化。

前者由于高浓度瓦斯气资源的限制而造成非常有限的掺混利用，后者综合热效率低，经济效益差，没有得到大范围推广。

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技术研发成果

针对煤矿瓦斯利用现状，北京君发与安徽理工大学合作，由国家工程院袁亮院士亲自挂帅，专门组建了包括两位博导教授、四位副教授、五位博士后，四位工程师及多名博士和硕士生等在内的跨学科多专业的专家学者组成煤矿低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术研究团队，根据袁亮院士关于煤矿瓦斯利用浓度全覆盖以及抽采瓦斯零排放的战略规划，研究团队通过不懈的实验研究，建立了低浓度瓦斯安全稳定燃烧的理论体系，科学的解决了低浓度瓦斯遇到明火就会发生爆炸的世界性难题，并对本技术的工业化应用示范装置及控制系统进行优化和提升。经过多年的研究攻关，自主研发了煤矿低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术（专利号：ZL2015-2-0510229.X;ZL2016-2-0500214.X;ZL2016-1-0363954.8;ZL2019-2-1159849.8）。

此技术安全高效的解决了浓度3%～9%的低浓度瓦斯利用难题，填补了国际与国内对这个浓度瓦斯直接利用的技术空白，该技术研发取得了重大突破，工业化应用取得了重大进展。

2020年8月4日在山西襄垣，中国煤炭工业协会组织，由中国工程院蔡美峰院士任主任委员的十一位业内专家组成的专家委员会，对“煤矿低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术”进行了鉴定。鉴定委员会一致认为，该研究成果达到国际领先水平，同意通过鉴定。建议：加大成果推广应用力度。该技术于2020年申报了安徽省科技成果。

技术成熟之后是工业化应用的开展。该技术的第一套利用低浓度瓦斯供热工业化装置于2018年10月在山西省长治市七一煤矿瓦斯发电站建成并投用，于2019年12月被山西省列为山西省瓦斯综合利用试点示范项目。

2021年山西吕梁寨崖底煤矿3MW低浓度瓦斯发电项目建成发电，利用瓦斯泵站抽出的5%～8%低浓度瓦斯，年可发电量2160万度，折合节约标准煤5698吨。年销毁CH₄1200万立方米，折合减排CO₂19.22万吨，尾部排烟NOx<20mg/Nm3，入选了国家能源局能源领域首台（套）重大技术装备项目。

低浓度瓦斯直燃发电厂项目介绍视频 ↑

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技术简介

（一）攻克的技术难题

1.点火困难;

2.点火容易爆炸;

3.容易熄火、并具有在熄火时发生聚集爆炸的风险;

4.容易回火，并具有在回火时发生爆炸的风险;

5.点火延迟，燃烧不充分。

（二）创新的科学理论

针对上述难题，科研团队展开了对瓦斯燃烧的全面试验研究，并在反复试验中发现了传统瓦斯爆炸三要素理论之外的第四个必要条件，这个发现改变了我们对传统爆炸理论的认知，最终我们形成了瓦斯爆炸“四要素理论”，并在此理论指导下成功实现了爆炸极限瓦斯的安全稳定燃烧利用，为技术的发明奠定了理论基础。

（三）技术路线图

热能岛，是科研团队为利用煤矿低浓度瓦斯安全稳定燃烧技术发明的装置名称。其主要构成包括：预处理器、点火器、辅助燃烧器、主燃烧器、迷宫式燃烧室、热能载移装置和自动化控制系统等。

（四）技术核心工作原理

安全点火：首先点火器点燃液化气，低浓度瓦斯经预处理器处理达到点燃条件后，进入辅助燃烧器，被液化气火焰点燃，液化气关闭，低浓度瓦斯燃烧将燃烧室温度加热至800℃，再通过主燃烧器输入低浓度瓦斯至燃烧室点燃燃烧。

稳定燃烧：燃烧自动控制系统调节燃烧的火焰温度和炉膛温度，燃烧的火焰和整个炉膛温度达到900℃以上，正常控制1000±50℃，确保足够的反应温度。为杜绝回火爆炸和燃烧过程的熄火爆炸，系统增设了回火保护和熄火保护两大自动控制功能以及防回火和稳定燃烧的硬件设施。系统运行稳定，不易熄火，运行过程不会因瓦斯抽采泵站的气量、浓度以及压力设计范围内的波动造成停运，只会因瓦斯气量、浓度、压力的波动而产生燃烧负荷的线性变化。

充分燃烧：炉膛内匠心设计的烟气迂回扰动迷宫式温度场极大地延长了瓦斯气及可燃成分在炉膛内的氧化反应时间，实现了瓦斯的完全燃烧，氧化率达到99.9%。

低氮燃烧：自主开发的燃烧系统控制软件，将火焰温度严格控制在1000±50℃，显著地减少了NOx的排放，其NOx排放低于国内燃气锅炉所要求的超净排放指标值。

热能利用：由于设备体积小，相应的系统散热损失也少，从燃烧室出来的高温烟气进入余热锅炉再经过省煤器，大部分能量被水蒸汽带走做功，尾部低温烟气热能载移装置将低温烟气热能传递给低浓度瓦斯气，提高进入热能岛的瓦斯气的初始温度，系统排烟温度80℃，提高了热效率，系统综合热效率≥90%。

安全保护：本套设备科学地解决了点火困难、爆炸、熄火等难题，设置了点火保护、熄火保护等各种自动保护功能，确保系统安全稳定可靠。

（五）热能岛技术参数

（六）热能岛优势特性

设备使用寿命长，可达20～25年;

对瓦斯浓度和压力适应范围宽;

年运行时间超过8000小时;

处理体积量少，工程总投资小;

自动实现各种情况下的安全保护;

动力设备的功耗少，噪音 < 60dB;

瓦斯资源利用率提高30%以上;

综合热效率 > 90%;

尾部烟气NOx ≤ 30mg/Nm3。

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预期经济效益及社会效益

我国每年在采煤的同时排放的纯瓦斯近370亿立方，其中，浓度≥3%的煤矿瓦斯约占53%，这部分瓦斯如果得到充分的利用，采用热电联供模式：冬季供热，其余季节发电，按照供热量折合天燃气价值计算，年供热量折合天然气89亿标准立方米，

按照天然气市场价格3.5元/立方计算可节省天燃气成本约312亿元，节约标煤1081万吨；年发电量270亿kw·h，按照每度电0.45元计算，年发电产值121亿元，节约标煤809万吨，合计每年创造经济价值433亿元。

按照联合国大气污染排放标准(CH₄的温室气体效应是CO₂的26倍)折算，因新技术提高了低浓度瓦斯的利用率，每年可以减少温室气体排放3.3亿吨(折合CO₂量)，随着不远将来甲烷减排纳入碳交易市场，这一项的收入也将计入经济效益当中。