原文地址:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/3/518897.shtm
編者按:2023年5月起,“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯合發起“科學家回信”活動,邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學家、科技工作者提問、留言。活動啟動后,“學習強國”“科學網App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者李昆的提問,請中國礦業大學(北京)研究生院常務副院長王凱發出第四十六期回信。
以求索之問激發科學探討,以互動回應碰撞科學新知,“學習強國”“科學網App”愿成為公眾與科學的信使,歡迎你繼續在評論區留言。
?
讀者李昆:我在煤礦做瓦斯抽放工作,請問有什么辦法能只抽瓦斯不抽空氣?有什么辦法能讓瓦斯與空氣徹底分離?
王凱:煤礦瓦斯抽放,又稱煤礦瓦斯抽采。廣義上的瓦斯,是指煤礦井下以甲烷為主的有毒、有害氣體的總稱;狹義上的瓦斯,單獨指甲烷,它是在煤的生成和煤的變質過程中伴生的氣體。在成煤過程中生成的瓦斯,是遠古植物在堆積成煤的初期,纖維素和有機質經厭氧菌的作用分解而成。另外,在高溫、高壓的環境中,在成煤的同時,由于物理和化學作用,會繼續生成瓦斯。
瓦斯在煤層或圍巖中是以游離態和吸附態存在的,其中吸附態瓦斯約占80%~90%。在煤層進行采掘作業時,瓦斯會從煤層或圍巖涌出至采掘空間并與礦內空氣相混合。在一定條件下,采掘擾動作用會使煤層或圍巖內的破碎煤、巖和瓦斯突然向采掘空間大量噴出,具有極大的破壞性,稱為煤與瓦斯突出。
瓦斯本身無毒性,但不能供人呼吸,當礦內空氣中瓦斯濃度超過50%時,能使人因缺氧而窒息死亡。瓦斯具有可燃性,當瓦斯濃度達到5%~16%之間時遇明火可發生爆炸。煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯災害是煤礦最主要的災害之一。另外,瓦斯本身是一種綠色清潔能源,如果被直接排放到大氣中,其導致的溫室效應是CO2的20余倍。因此,加強瓦斯抽采與綜合利用,對保障煤礦安全生產、增加清潔能源供應、減少溫室效應具有重要意義。
根據瓦斯抽采和煤層開采的先后順序,可以將瓦斯抽采分為采前預抽、邊采邊抽、采后抽采等三類。在采前預抽時,由于煤層未受到采掘擾動,瓦斯仍然主要以吸附態賦存于煤層中,因此瓦斯抽采濃度較高、流量較大。比如,通過地面鉆井進行采前預抽,瓦斯抽采濃度可接近100%;通過井下穿層鉆孔或順層鉆孔進行采前預抽,最高瓦斯抽采濃度可達80%以上,如果加強鉆孔封孔效果并封堵孔周煤巖體裂隙,可進一步提高穿層或順層鉆孔的瓦斯抽采濃度。在邊采邊抽或采后抽采時,由于瓦斯已經從煤層中涌出到采掘空間中并與空氣相混合,因此不管是采用地面鉆井、井下鉆孔還是采用相鄰巷道、密閉插管,此時都難以做到只抽瓦斯不抽空氣,且抽采的瓦斯濃度相對較低。
不同的瓦斯抽采方法會抽出不同濃度的瓦斯,進而影響到瓦斯利用方式。目前主要的瓦斯利用方式包括:①甲烷濃度為80%以上的瓦斯,稱為煤層氣,通常采用高壓輸送,送入天然氣管網作為工業燃料、化工原料,為方便遠距離輸送,也可直接液化罐裝送至用戶。②甲烷濃度為30%~80%的瓦斯,稱為高濃度瓦斯,通常采用中壓輸送,利用方式主要是送入煤層氣民用管網、作為內燃式發電機組發電和作為工業燃料。③甲烷濃度為1%~30%的瓦斯,稱為低濃度瓦斯,通常是就地采用內燃式低濃度發電機組發電,也可濃縮提純至30%以上進入煤層氣民用管網,瓦斯濃縮提純技術方法主要有變壓吸附、深冷液化分離、膜分離、水合物法、溶劑吸收法等。④甲烷濃度低于1%的瓦斯,稱為超低濃度瓦斯,通常采用蓄熱氧化技術進行利用。
因此,單純追求讓瓦斯與空氣徹底分離是不現實的,可在瓦斯抽采階段盡可能采取手段提高抽采濃度,在瓦斯利用階段需根據瓦斯濃度選擇適用的瓦斯利用技術或采用濃縮提純技術提高瓦斯濃度。