白芨溝煤礦瓦斯綜合利用技術(shù)及實(shí)踐

摘 要：隨著煤炭開采業(yè)的發(fā)展，瓦斯利用也逐步得到重視和應(yīng)用。白芨溝煤礦是高瓦斯礦井，從1993年開始利用瓦斯，抽采的瓦斯經(jīng)過瓦斯利用預(yù)處理系統(tǒng)脫水和調(diào)壓后，主要供礦區(qū)居民炊事用氣和各單位冬季取暖，同時(shí)也作為生產(chǎn)天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的原料。持續(xù)到2012年，白芨溝煤礦的瓦斯利用總量已經(jīng)累積了5.14億m3，瓦斯利用率為90%，我們?cè)趯?duì)瓦斯進(jìn)行開發(fā)利用的同時(shí)也在保護(hù)著我們周圍的生態(tài)環(huán)境，這樣不僅能夠節(jié)能環(huán)保，而且對(duì)瓦斯進(jìn)行資源開發(fā)，可以獲得良好的生產(chǎn)和社會(huì)效益白芨溝煤礦的瓦斯綜合利用對(duì)其它礦井因地制宜地利用瓦斯具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：瓦斯；綜合利用；預(yù)處理系統(tǒng)炭黑

瓦斯的危險(xiǎn)性不容小覷，它在煤礦的五大自然災(zāi)害中占據(jù)著一部分，它的存在會(huì)對(duì)礦井的安全有很大的影響，如果在開挖過程中發(fā)生安全安全事故，其危害是不容小覷的，它會(huì)對(duì)工人的生命財(cái)產(chǎn)安全都造成不可磨滅的影響。

要想對(duì)瓦斯災(zāi)害從根本上進(jìn)行治理的話，首當(dāng)其沖的就是進(jìn)行瓦斯的開挖抽采工作，目前來看，我國(guó)對(duì)瓦斯的抽采量已經(jīng)有了很大的提升，但工人在進(jìn)行瓦斯開采工作時(shí)隨時(shí)都有著生命危險(xiǎn)。

瓦斯是一種類似于二氧化碳的溫室氣體，但它所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)卻比二氧化碳的危害大的多，是CO2的25倍，而且對(duì)臭氧層也極具殺傷力，其破壞能力是CO2的7倍，所以如果想抽出后在大氣中直接排出是不可取的，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且會(huì)對(duì)人們的身體造成影響。

如果從物理的角度分析瓦斯，瓦斯是一種高效、方便的易燃性氣體，在前些年來看，我國(guó)對(duì)瓦斯的排放并不是很重視，使得排放量居于世界首位，這樣一來，我國(guó)對(duì)瓦斯的認(rèn)識(shí)較晚，在開發(fā)過程中沒有珍惜瓦斯這種高效易燃的能源，相反，卻使得溫室效應(yīng)加劇。

目前來看，很多工礦業(yè)企業(yè)為了能夠可持續(xù)生產(chǎn)，大多數(shù)企業(yè)把瓦斯利用在發(fā)電、民用燃料、化工等方面。

就此狀況，我國(guó)為了能夠加強(qiáng)對(duì)瓦斯的利用和開發(fā)強(qiáng)度，提出了“以抽保用、以用促抽”的關(guān)于瓦斯利用的政策。

從圖1中可以清楚的看到2006年到2011年，在這幾年之間瓦斯的利用率的走向趨勢(shì)可以清楚地看到，我國(guó)的瓦斯利用量呈上升趨勢(shì)，但瓦斯利用率卻呈下降趨勢(shì)，從好的方向來說，這說明了我國(guó)在瓦斯的利用和開發(fā)上還有很大的潛力值得開發(fā)。

因此，我們根據(jù)對(duì)工況企業(yè)礦區(qū)開發(fā)的實(shí)際條件進(jìn)行研究，分析當(dāng)?shù)剡m合開發(fā)瓦斯的先進(jìn)技術(shù)，這樣不僅對(duì)我國(guó)瓦斯能源進(jìn)行充分的開發(fā)和利用，而且對(duì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益也有著很大的幫助。

1 瓦斯抽采的基本狀況分析

1.1 工礦區(qū)礦井情況分析

白芨溝煤礦的井田面積約為11.27平方千米，當(dāng)?shù)孛禾康目偞鎯?chǔ)量高達(dá)1.4億噸，位于汝箕溝礦區(qū)的背部，該地區(qū)因“三低六高”其高質(zhì)量無煤煙而揚(yáng)名，白芨溝的煤礦是工礦業(yè)冶金和化工生產(chǎn)中所需要的原料，同時(shí)這種，煤礦因?yàn)槠涓哔|(zhì)量無煤煙的特點(diǎn)也是環(huán)保煤礦。目前來看，該煤礦主要開采二三層的煤礦，它的煤層的透氣系數(shù)都在易抽采和可以抽采的范圍中，同時(shí)，礦井內(nèi)豐富的瓦斯資源高達(dá)20.27億立方米，在這些豐富的瓦斯資源中可抽取的高達(dá)63.9%。也就是說，白芨溝煤礦是瓦斯資源非常肺腑的礦井，如果合理開采更有助于為工礦業(yè)造福。

1.2 瓦斯抽采

白芨溝煤礦的開采時(shí)間很早，是在20世紀(jì)90年代后期就已經(jīng)開始抽放煤礦了，但其正式建立永久式開采是在1990年才開始的，直到2006年，白芨溝一共建成了三座永久性的抽采泵站，這三個(gè)泵站分別叫南二瓦斯泵站、中央瓦斯泵站和南三瓦斯泵站。應(yīng)用到實(shí)際中去后發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)瓦斯泵站的抽采瓦斯的能力很弱，它們分別是南二瓦斯泵站和南三瓦斯泵站，它們的能力不能夠滿足礦井每天日漸增大的抽采需求，因此在2010年該地建立了第三個(gè)瓦斯站叫做新南瓦斯泵站。時(shí)至今日，之前的兩個(gè)能力較弱的泵站已經(jīng)不再運(yùn)行了，代替它們的是新建的泵站和中央泵站，隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，這兩個(gè)泵站基本上就可以滿足了瓦斯站綜合利用的抽采需求。

白芨溝采用的瓦斯抽取方法有以下幾種方法，它們分別是，較遠(yuǎn)距離鉆孔、穿層鉆孔、順層鉆孔還有采空區(qū)瓦斯抽采。自1993年到2012年，這19年間，白芨溝煤礦抽采出大量豐富的瓦斯資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)瓦斯的總量高達(dá)5.72億立方米，這里面可利用的瓦斯總量高達(dá)5.14億立方米，由此可見瓦斯的利用率在不斷的增加。1999年至2012年的瓦斯具體抽采量請(qǐng)見圖2。

2 怎樣充分利用礦井瓦斯

白芨溝煤礦的瓦斯利用方式主要有兩種，一種是用來民用，一種是用來工用。民用來說，礦區(qū)的煤礦瓦斯可以為整個(gè)礦區(qū)兩千多戶人口做飯、取暖，為人們供給所需要的能量，同時(shí)他還可以為礦區(qū)街道或者公安等單位取暖。工用則用瓦斯供給炭黑廠用來生產(chǎn)炭黑。所用的氣的來源從目前來說，主要由中央泵站、新南三泵站擔(dān)負(fù)。

2.1 在利用瓦斯前的處理

一般來說，在瓦斯泵站下抽取的瓦斯一定帶有許多水分，這些水分如果不加以處理就直接的輸送與利用，想必會(huì)出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題：

1）首先瓦斯的熱度會(huì)大幅度的降低，同時(shí)管道的運(yùn)輸能力也隨之下降；

2）當(dāng)溫度降低而且運(yùn)輸能力下降的時(shí)候，瓦斯的水分會(huì)被迫用處導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)積水的情況發(fā)生，這樣一來就會(huì)增加了流動(dòng)的阻力而且會(huì)增加管道被瓦斯氣體中呈酸性氣體侵蝕的幾率，損害管道的質(zhì)量；

3）在冬天溫度下降，氣溫寒冷的情況下，瓦斯傳送的管道很容易結(jié)冰，這樣就會(huì)影響瓦斯輸送的效率。

以上的這三個(gè)問題是經(jīng)常會(huì)遇到的問題，我們一白芨溝煤礦為例子，白芨溝煤礦建立了一系列的瓦斯利用前的處理系統(tǒng)，把礦井中抽采的瓦斯利用這種系統(tǒng)進(jìn)行脫水處理后在運(yùn)輸?shù)接脩艉凸I(yè)礦廠的手中，這樣在瓦斯利用前對(duì)瓦斯進(jìn)行處理，減少了很多不必要的麻煩和損失。和圖3中所呈現(xiàn)的一樣。

在瓦斯泵站輸出的瓦斯溫度小于200攝氏度的情況下，經(jīng)過儲(chǔ)氣罐分離出來的水，接著通過風(fēng)機(jī)把其壓縮到0.2MPa為止，這樣就能對(duì)瓦斯進(jìn)行干燥處理后通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)壓力，最后運(yùn)送到瓦斯將要被利用的地點(diǎn)，完成這個(gè)瓦斯利用處理系統(tǒng)。此外，這個(gè)系統(tǒng)還可以解決管道出現(xiàn)積水或者冬天由于氣溫下降導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)冰等問題有很大作用。

2.1.1 從儲(chǔ)氣罐方面來看

儲(chǔ)氣罐一般采用的是10000m3低壓式螺旋儲(chǔ)氣罐，它整體呈原型塔狀結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)圖為一個(gè)儲(chǔ)水槽和三個(gè)塔層，如圖4所示，它的直徑如圖，分別為26.4m、25.5m、24.6m和23.7m。

提到它的作用，主要有三個(gè)：

1）它能夠?qū)⑤斔偷耐咚怪械乃蜌夥蛛x；

2）如果瓦斯泵站要發(fā)生故障，可以及時(shí)的對(duì)瓦斯泵站補(bǔ)充一定的瓦斯，在一定程度上保證供氣順利進(jìn)行，從而把供氣系統(tǒng)的可靠性不斷提高[ 5 ]；

3）可以使瓦斯泵站在輸送過程中的瓦斯得到緩沖，從而降低其他因素對(duì)瓦斯輸氣系統(tǒng)的妨礙。

2.1.2從加壓器方面來看

白芨溝煤礦一共劃分了12個(gè)煤礦區(qū)域，并且在每個(gè)煤礦區(qū)域分別設(shè)有調(diào)壓站，每個(gè)站點(diǎn)有幾個(gè)專門的設(shè)備，比如：閥門、調(diào)節(jié)壓力器、過濾器、安全設(shè)備等等，這些設(shè)備的核心就是調(diào)節(jié)壓力器，它的目的就是為了把輸氣管網(wǎng)中不能夠運(yùn)送的壓力調(diào)節(jié)到下一級(jí)管網(wǎng)中，利用用戶所需要的壓力值進(jìn)行分配，這樣就能夠使瓦斯的壓力保持穩(wěn)定的狀態(tài)。調(diào)節(jié)站作為一個(gè)樞紐作用，對(duì)管道的運(yùn)輸和安全穩(wěn)定起到了保障性的作用。

2.2 如何合理利用瓦斯

2.2.1 生活中瓦斯的使用

瓦斯在生活中的使用用途廣泛，以白芨溝煤礦的抽采為例，它的煤礦主要就是供礦區(qū)的兩千多戶居民進(jìn)行炊事用氣以及礦區(qū)的各單位在冬季取暖。每個(gè)灶頭的用氣量較小，每年礦區(qū)抽采的瓦斯足夠居民在日常生活中的需要。

居民在做飯時(shí)使用的燃?xì)庠钜部梢杂猛咚箽庠顏泶妫@樣的用途相對(duì)來說比較方便還節(jié)約，假如使用液化氣灶，那么就需要把氣孔大小與供氣壓力進(jìn)行一定的調(diào)整。

2.2.2 關(guān)于天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑

天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的生產(chǎn)技術(shù)是利用氣爐法生產(chǎn)的，它是一種生產(chǎn)炭黑的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)來說，天然氣半補(bǔ)強(qiáng)的生產(chǎn)大多都是利用天然氣作為生產(chǎn)原料，在原料中可占到94%的比例，我國(guó)目前只利用瓦斯煤礦來生產(chǎn)天然氣半補(bǔ)強(qiáng)太黑的就只有白芨溝煤礦廠，自白芨溝煤礦廠建廠至今天，已經(jīng)擁有了兩條生產(chǎn)天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的生產(chǎn)線技術(shù)。

天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑有其獨(dú)特的原理：當(dāng)把礦井的瓦斯當(dāng)作燃料的時(shí)候，在炭黑的反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒、分裂、解析，從而制成一種類似于軟質(zhì)的炭黑產(chǎn)品，它的主要應(yīng)用就是在橡膠行業(yè)匯總。在生產(chǎn)炭黑的時(shí)候瓦斯?jié)舛鹊男枨蠛芨?，瓦斯的濃度不能夠低?0%，利用瓦斯作為原料的優(yōu)勢(shì)就是煤礦瓦斯中沒有二氧化硫，這樣生產(chǎn)出來的產(chǎn)品它的物理性能和化學(xué)性能都很穩(wěn)定，這樣就會(huì)加強(qiáng)了橡膠的補(bǔ)強(qiáng)性能，而且減少了會(huì)腐蝕的可能性。

天然氣半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的生產(chǎn)過程是：運(yùn)輸管道中的瓦斯在經(jīng)過閥門控制的同時(shí)進(jìn)入到火嘴箱中與炭黑進(jìn)行反應(yīng)，這個(gè)時(shí)候，供風(fēng)機(jī)可以把空氣預(yù)熱器傳送到風(fēng)殼中進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)爐中，瓦斯和空氣燃燒發(fā)生反應(yīng)，一部分瓦斯在高溫下裂變成炭黑，通過冷水結(jié)束反應(yīng)，在經(jīng)過冷卻塔和換熱設(shè)備冷卻進(jìn)入最終的收集系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)收集。所得到的炭黑經(jīng)過進(jìn)一步的加工包裝成制成品，最后把剩余的氣體燃燒之后進(jìn)行過濾，在排放到大氣中，這樣就節(jié)約了經(jīng)濟(jì)和資源。具體工藝流程見圖5 。

2.3 兩大效益：經(jīng)濟(jì)與社會(huì)

白芨溝煤礦自從上個(gè)世紀(jì)90年代起就使用瓦斯，并且使用瓦斯的利用率很高，在1998年之后還建成了很多二期工程的炭黑廠，使瓦斯的利用率大幅度的提升到百分之百，在近些年中，因?yàn)椴煽諈^(qū)的瓦斯抽取的濃度不符合利用的要求，所以瓦斯的利用率有所下降，直到2012年，白芨溝的瓦斯利用量已經(jīng)高達(dá)5.14億m3，同時(shí)瓦斯的利用率也高達(dá)90%之多，瓦斯的利用量和瓦斯利用率如圖6所示。

白芨溝煤礦充分利用瓦斯，這樣不僅能夠緩解瓦斯對(duì)環(huán)境造成的不良影響，同時(shí)把瓦斯充分利用，促進(jìn)了瓦斯的抽采工作，產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

1）在居民日常使用瓦斯上，瓦斯為整個(gè)礦區(qū)兩千多戶居民提供了生活用氣和冬天的取暖條件，瓦斯提供的能源與煤炭資源相比每年大約可以節(jié)省4000t，節(jié)省的資金高達(dá)100多萬。

2）每年白芨溝煤礦的年產(chǎn)天然氣的直接經(jīng)濟(jì)效益約為100萬元，新型生產(chǎn)方式同時(shí)也解決了目前就業(yè)難的問題，減輕了當(dāng)代大學(xué)生就業(yè)難的問題。

3）瓦斯的充分利用能夠促進(jìn)煤層的資源開發(fā)，同時(shí)瓦斯的利用會(huì)逐漸改善工礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，從而提高空氣質(zhì)量。

3 結(jié)論

目前在我國(guó)來說，對(duì)礦井瓦斯進(jìn)行資源的綜合利用和開發(fā)是一條可行的道路，也是堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路的重要措施。瓦斯使白芨溝獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，兼顧了對(duì)周圍環(huán)境的影響，可以說是一石二鳥的方法。瓦斯在民用和工用兩個(gè)方面，不僅能使瓦斯對(duì)環(huán)境的影響減少，同時(shí)排放也大幅度的減少，從而促進(jìn)了我國(guó)工礦業(yè)對(duì)瓦斯資源的開發(fā)，創(chuàng)造了很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

但是，縱向來看，白芨溝煤礦在瓦斯利用的深度與廣度層次來說，還是相對(duì)欠缺些東西，要對(duì)觀念進(jìn)行徹底的轉(zhuǎn)變、對(duì)可利用的范圍進(jìn)行探索欲與擴(kuò)大、實(shí)時(shí)的提高利用率等，從而促進(jìn)瓦斯資源的綜合發(fā)展，為礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)、“綠色”做出更大貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

鄭學(xué)軍（1972），男，寧夏賀蘭人，現(xiàn)任神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司汝箕溝無煙煤分公司治安保衛(wèi)二隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，助理工程師，本科，從事礦井“一通三防”工作10年。