科创中国

一、项目意义

       煤矿瓦斯是煤炭的伴生气体，主要成分是甲烷。近年来，我国煤矿瓦斯抽采量逐年稳步增长，2018年已达178亿立方米。然而，由于煤矿井下瓦斯抽采过程极易发生漏风，大量空气进入抽采管道，导致煤矿井下抽采瓦斯浓度普遍偏低(<30％)，具有爆炸危险性，利用难度大，因此我国煤矿井下抽采瓦斯利用率低(<40％)，大量瓦斯被直接排放到大气中，造成了巨大的能源浪费和大气温室效应；将低浓度抽采瓦斯提浓后产出容易被利用、经济价值高的较高浓度瓦斯气体，有助于提高煤矿瓦斯利用率，对于促进瓦斯抽采、保障煤矿安全、增加清洁能源供应和减少温室气体排放等均具有重要意义。

        煤矿低浓度瓦斯是甲烷和空气的混合气体，当甲烷浓度为5％～16％时，具有爆炸危险性，因此瓦斯分离提浓过程必须确保安全性。现有瓦斯分离提纯技术主要包括低温精馏分离技术、膜分离技术和变压吸附技术等，低温精馏分离技术利用不同气体的沸点差异实现气体分离，需将气体压缩至高压后再低温液化，气体压缩将极大地拓宽气体爆炸浓度极限范围，压缩时也极易产生高温引火源，因此可能导致瓦斯爆炸，并且低温精馏能耗很高，操作条件要求高，设备投资大，尤其分离甲烷含量很少的低浓度瓦斯时经济性很差；膜分离技术利用高分子膜对不同气体的选择通过性实现气体分离，膜分离技术同样需要对气体进行压缩从而在膜两侧形成较大的压力差，因此也具有较高的瓦斯爆炸风险，另外现阶段膜分离技术尚存在很多问题，如膜的选择性低、膜成本高、力学性能差等制约了膜分离技术在煤矿瓦斯分离提纯领域的应用；由此可知，低温精馏分离技术和膜分离技术均不适合在低浓度瓦斯分离提浓中采用；变压吸附技术利用吸附剂对不同气体组分的平衡吸附量或动力学吸附速度差异实现气体分离，变压吸附技术具有工艺简单、设备紧凑、运行费用低、可靠性高和适应性强等显著优势，因此被较多地应用于煤矿瓦斯气浓缩提纯。

       目前变压吸附提纯煤矿瓦斯的方法主要利用吸附平衡选择性原理，例如煤矿瓦斯提纯相关的中国发明专利2013年7月17日公开的一种公开号为CN103205297A的“一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法”、中国发明专利1986年10月29日公开的一种公开号为CN85103557的“变压吸附法富集煤矿瓦斯气中甲烷”、中国发明专利2009年12月9日公开的一种公开号为CN101596391A的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”均利用吸附平衡选择性原理，将甲烷作为强吸附组分，高甲烷浓度的产品气在解吸阶段获得。

        利用平衡选择性原理提纯含氧低浓度瓦斯具有明显的技术缺陷：(1)吸附塔内氧气浓度高，甲烷和高浓度氧气混合具有较高的爆炸危险性；(2)需采用较高的吸附压力才能取得较好的气体分离效果，如中国发明专利2013年7月17日公开的一种公开号为CN103205297A的“一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法”、中国发明专利1986年10月29日公开的一种公开号为CN85103557的“变压吸附法富集煤矿瓦斯气中甲烷”、中国发明专利2009年12月9日公开的一种公开号为CN101596391A的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”采用的吸附压力分别为0.5MPa～1MPa，0.4MPa～0.7MPa和0.8MPa～2.4MPa，因此以上方法均需要利用压缩机对煤矿瓦斯气体进行加压，瓦斯气体在高压下的爆炸浓度极限范围扩大，并且加压过程中产生的高温火源可引爆瓦斯气体，加压也大幅增加了气体分离成本；(3)高气压容易导致吸附剂粉化失效，大幅缩短吸附剂的使用寿命，采用高吸附压力需要顺向/逆向减压步骤(同上述公开专利CN85103557A、CN103205297A、CN101596391A)，增加了工艺复杂性；(4)解吸阶段吸附塔体积内含有大量弱吸附组分，因此解吸得到气体中混入大量杂质气体，导致产品气甲烷浓度较低。

       根据柯瓦尔德三角形对煤矿瓦斯爆炸浓度范围进行判定，当常温常压下瓦斯中氧气浓度小于12％，煤矿瓦斯失去爆炸危险性。

二、项目优势

       提供一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附系统及其方法，可以在微正压下安全高效去除低浓度瓦斯中的氧气和氮气，在提高气体分离安全性的条件下提高甲烷浓度，并实现瓦斯提浓后的安全输送。

三、转化需求

（1）本成果技术成熟，市场需求大，但项目大面积推广资金投入较大，需要政府给予一定的政策和资金扶持。（2）本技术成果也可在其他相关领域应用，但需要做进一步的针对性研究。