一 技术背景

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。

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，我国发展规划当中明确对甲烷等温室气体排放加大管控力度。

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。

此技术安全高效的解决了浓度2.5%～9%的低浓度瓦斯利用难题，填补了技术空白，该技术研发取得了重大突破，工业化应用取得了重大进展。

二 技术简介

2.1 技术特点

1>  燃烧安全；

2>  燃烧稳定；

3>  热量利用率高；

4> 不易熄火、不易回火设备运行安全；

5>  燃烧充分、环保排放达标；

2.2 核心技术原理

1>  独特设计的聚能岛技术。将热量全部锁住聚能岛内，瓦斯在高温区热解热量向两侧扩散，扩散到前段的热量对低浓度瓦斯进行预热，使瓦斯进入聚能岛后达到热解温度发生氧化反应，扩散到后端的热量对聚能岛未反应完全的瓦斯进行处理使全部瓦斯100%反应。聚能岛使反应区温度始终维持在高温。提供氧化所需的外部环境。同时可以锁住热量使对外辐射的热量全部用作低浓瓦斯处理。使反应持续并稳定进行。

2>  聚能岛使瓦斯全部发生氧化反应，除去部分散热损失外。理论可达到100%的热风抽取率。搭配余热锅炉使锅炉尾气温度控制在150-180℃，热量利用率达到90%以上，相对于循环烟气式RTO氧化设备，热量利用率提高30%以上，相对于旋转式RTO氧化设备，热量利用率提高50%以上。

3>  聚能岛采用高温蓄热陶瓷制作，耐温达1400℃，氧化维持温度在1000-1050℃左右，聚能岛可在此温度下长期稳定运行。相对于RTO蓄热体的温度不会持续变化，长期处于在一个稳定的温度下运行。有效避免了RTO温度的频繁变化。使蓄热体使用寿命更持久。

4> 低浓瓦斯在1000℃左右反应，远远低于氮氧化合物产生的温度，显著减少NOX的排放，最终NOx排放低于国内燃气锅炉所要求的排放指标。

5>  本瓦斯聚能氧化系统，体积小，内部采用国内先进的高温陶瓷模块进行耐火保温设计，使相关散热损失减少。提高系统的综合热量利用率

6>  运行瓦斯浓度远低于爆炸极限，配合系统的负压运行，避免瓦斯聚集。大大提高系统运行的安全系数

7>  系统采用DCS控制，设置各关键点位的超温，超浓保护。使浓度精准控制在安全范围内，当任一参数超过设定值触发紧急保护措施，保证系统运行的安全。

2.3 技术参数（以5T余热锅炉配套设备为例）

2.4 收益计算

如上技术参数：

产生5吨蒸汽，消耗低浓瓦斯11000m³/H，可节约天燃气435m³/H，按冬季山西地方天然气单价8元/m³折算，可节约3480元/H。冬季供暖4个月 120天计算，供暖季可节约燃气10022400元，效果显著。（常规气价4元/m³亦可节约燃气费用500万余元/供暖季）

部分煤矿高浓瓦斯用于发电，受内燃机技术限制，现阶段每立方纯量瓦斯可产生3-4Kw.h电能，11000m³/H折算纯量瓦斯为385m³/H，可发电1540Kw.h。可为煤矿节约电费924元/H。

以上对比发现冬季瓦斯供暖相对瓦斯发电经济效益更加显著。针对部分煤矿低浓瓦斯不稳定，可利用部分高浓瓦斯进行掺混，到达热解浓度。使煤矿瓦斯冬季供暖，夏季发电得到充分利用，达到热、电、联产综合利用。使经济效益最大化。

三 工艺简介

系统包括1套瓦斯掺混及安全输送系统、1套11000m³/H瓦斯热解装置、1套5T/H饱和蒸汽余热锅炉系统、1套集中控制系统。

3.1 工艺流程说明：

3.1.1瓦斯掺混及安全输送系统

本系统按照《AQ1076-2009 煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》、《NB/T 51013-2014煤矿风排瓦斯蓄热氧化装置工程应用安全要求》等规范的要求进行设计，在安全方面设计多重安全可靠的保障措施。

低浓度瓦斯经过安全输送后，先后经过在线湿式放散阀、溢流式水封阻火器、脱水器、原位式激光浓度分析仪、瓦斯紧急切断阀、瓦斯流量调节阀等设备，进入二次掺混器与乏风混合，混合后瓦斯浓度控制在3%左右，通过管道输送后设置原位式激光瓦斯浓度分析仪、瓦斯进气开关阀、新鲜空气阀、吹扫风机、主风机等设备，最终符合浓度要求的瓦斯经过主风机送入瓦斯热值装置。

本瓦斯安全输送及掺混部分主要技术特点：

（1）系统设置多重阻爆、抑爆及泄爆装置，并配备多重检测设施，确保装置稳定、安全运行。

（2）实时监控。装置的各子系统集中控制、系统协调。瓦斯与乏风或空气两级掺混调节，严格控制掺混后浓度，确保配气掺混调节系统响应及时、运行安全。

（3）多重安全保护控制系统，控制系统具有故障诊断与安全保护功能，主要对浓度、各种温度、阀门位置反馈信号等参数进行监测 ，并按照一定规则执行相应保护措施，确保设备运行安全。

3.1.2瓦斯热解系统

本系统采用聚能热解技术可利用体积浓度范围为3-3.5%的超低浓度瓦斯，进行取热利用。

 用柴油燃烧器将蓄热陶瓷高温区加热到瓦斯反应温度，掺混后3-3.5% vol的瓦斯经过安全保护阀组流入热解炉本体，热解炉本体布置聚能氧化装置；气体通过均布器均匀分布在聚能氧化去加热反应。产出的高温烟气经高温烟道流向余热利用设备。

5.3.3 余热回收系统

配套饱和蒸汽型余热锅炉，主要包括：余热锅炉本体、供水泵组和电控系统等部分构成，系统制取0.7MPa，165℃饱和蒸汽，蒸汽产量5t/h。

配套锅炉具体参数如下：

3.2 技术路线图