【能源革命觀察】瓦斯提濃廢氣變寶

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評論

項目課題組在實驗室測試評價工業吸附劑性能。

太原理工大學項目課題組創制的高性能超疏水甲烷吸附劑。

移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程項目現場。本欄圖片由本報通訊員攝

　　煤層氣俗稱“瓦斯”，是煤炭開採的危險“殺手”，而在科學抽採利用技術的“馴化”下，卻能變害為寶，成為優質、綠色的清潔能源。長期以來，業界對高濃度煤層氣可進行直接利用，但對於存量巨大的低濃度煤層氣，卻一直缺乏有效的利用方法，大多隻能將其當作廢氣空排。這不僅浪費了資源，更影響“雙碳”目標實現。
　　就在2023年底，隨著全國首個“移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程項目”在陽城陽泰集團武甲煤礦建成並通過驗收，這個困局迎來突破。

創新探索填補空白

　　陽城陽泰集團武甲煤礦瓦斯抽放泵站，一塊300多平方米的區域上，布設著一套嶄新的裝置。幾座高大的銀白色筒體連接著管廊，穩穩立在基軌上，在陽光的照射下熠熠生輝。
　　“這就是我們研發的全國首個移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置。通過它，能將原來2%—5%濃度的煤層氣提濃至6%—15%，實現廢氣到直燃或發電用氣的跨越。”項目執行負責人、太原理工大學化學工程與技術學院教授楊江峰高興地介紹，“試運行階段，項目各項數據均達到了預期，現在已進入成果收獲、推廣運用的新階段。”
　　時間回溯到3年前。2020年12月6日，在陽城縣政府與太原理工大學舉辦的項目對接會上，雙方圍繞煤層氣高效開發利用深入交流，鄭重簽署《綠色開採及煤層氣綜合利用研究院共建協議》《移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程技術開發（委托）合同》。由此，這一創新研發邁出堅實步伐。
　　陽泰集團誠意十足支持項目落地，投入重金啟動研究院。太原理工大學黨委副書記、氣體能源高效清潔利用山西省重點實驗室主任李晉平教授領銜實施項目，將團隊歷經10余年研發出的“硅鋁沸石分子篩”技術成果首次引入轉化。創新研制高性能超疏水甲烷吸附劑，定制開發兼具安全充壓、吸附、均壓、逆放、抽真空等功能的六床工藝，設計制造可靈活拆裝投運的“移動撬裝式”成套裝置……兩年多時間裡，雙方緊密配合、摸爬滾打，傾盡心血智慧攻克一道道難題，終將創新探索變成美好現實。
　　“通過72小時的連續運行考核，項目穩定達到各項設計值，全面完成了科技開發合同書規定的研究任務。經評議，一致同意該項目通過結題驗收。”2023年10月24日召開的結題驗收會上，中北大學原校長劉有智、煤與煤層氣共採全國重點實驗室執行主任李國富、中科院山西煤炭化學研究所課題組組長李德寶等評審專家全面肯定了項目成果，給出高度評價，“項目實現了低濃度煤層氣的高效提濃和新工藝的突破，填補了行業空白。這是具有裡程碑意義的成果，必將引領打開全域煤層氣高效利用新局面。”

五大優勢領先全球

　　實現低濃度煤層氣提濃，吸附材料是關鍵。該項目的顯著之處，就在於其研制應用的高性能超疏水甲烷吸附劑。
　　“這裡面的東西就是吸附劑，那幾座銀白色大筒體裡裝的就是它。”拿起一個裝滿白色石粒的樣品玻璃罐，楊江峰認真介紹，“這些石粒是我們人工合成的‘沸石’。別看它小，每一粒上面都布滿成千上萬個0.5納米的均勻孔穴，可以把0.38納米大小的甲烷吸附下來。正是靠它，才實現了煤層氣的高效提濃。”
　　沸石是一種硅鋁酸鹽礦石。因在灼燒時會產生沸騰現象，故被命名為“沸石”。“這種礦石具有架狀結構，在它們的晶體內，分子像蜂窩一樣，穩固地連在一起，中間形成很多空腔，因而成為一種被廣泛應用的過濾、吸附材料。”楊江峰說，“我們的‘硅鋁沸石分子篩’技術，正是基於對其深入研究而來。針對項目，我們進一步潛心探索，創新合成出‘疏水型人工沸石’，研制出了高性能超疏水甲烷吸附劑。”
　　事實上，圍繞吸附劑研發，業界一直都在努力。之前面世的眾多產品，在性能和制備方面都不盡如人意。太原理工大學項目課題組創制的高性能超疏水甲烷吸附劑，不僅吸附能力強，還兼具耐水、絕緣、非燃、抑爆等特性，而且解決了快速制備和規模化量產的難題。“該吸附劑對低濃度煤層氣的提濃效果遠超市面產品，且在含濕工況條件下分離富集性能穩定，非常適用於中小規模煤礦企業低濃度煤層氣提濃利用。”劉有智教授在項目結題驗收會上如是評價。
　　吸附劑合成時間短、傳質速率快﹔甲烷選擇性高、吸附容量高、分子擴散速率快﹔核殼結構的包裹成形技術帶來諸多安全性能﹔兩段變壓的新工藝進一步提升吸附效能﹔在此基礎上集成的裝置高效、安全、靈活，極具適用性。項目課題組以五大優勢開創先河，榮獲2021年度山西省自然科學一等獎（分子辨識的低碳烴吸附分離材料創制與性能調控）、2021年度中國石油和化學工業聯合會技術發明一等獎（沸石分子篩CH4/N2分離吸附劑創制即低濃度煤層氣富集成套技術），助推我國低濃度煤層氣富集技術進入全球領先水平。

深化合作開創未來

　　“項目按照2000Nm?/h設計，正式運行的話，每年至少可提濃100萬立方米的低濃度瓦斯，不僅有效降低了排放，還能轉化用於發電，增加180萬元以上的收益。”武甲煤礦總工程師王波欣喜地說。這份欣喜來之不易，也僅僅只是開端。
　　我省是煤炭資源大省，也是儲量佔全國近1/3的煤層氣資源大省，同時更是能源革命、實現“雙碳”目標的主陣地。實施低濃度煤層氣提濃利用，不僅是提升煤炭生產安全水平、降低碳排放的迫切需求，更對增加、創優能源供給具有重要意義。陽城縣與太原理工大學勇擔使命、果敢而為，充分發揮各自優勢開展“政產學研用”密切合作，共同為行業發展蹚出了一條新路。
　　“項目的經濟效益、生態效益和應用前景不言而喻，能與太原理工大學合作建成這一項目無比光榮自豪，這將為我們高質量發展帶來無限機遇。”陽泰集團黨委書記、董事長李敏杰告訴記者，當前，企業正進一步深化與太原理工大學的合作，探索建立互利共贏的良性合作機制，全面推動校企合作邁向更高的水平。在鞏固提升示范項目成果的基礎上加快總結推廣應用，力爭把握領先機遇，跑贏高質量轉型發展新賽道。
　　“通過這次項目合作，使團隊真正將低濃度煤層氣的提濃富集原理搞通了，吸附材料過關了，工藝完善了，流程打通了，操作穩定了，效果明顯了，項目解題了，從此心裡有底了。正是得益於雙方的無比信任、風雨同舟，項目才能取得如此成效。”項目領銜人李晉平教授坦言，項目的建成只是起步，依托他們掌握的技術，不僅能將2%—5%濃度的煤層氣提濃至6%—15%用於發電，也能把8%提濃至20%—30%用於工業、民用，同時還可以將30%提濃至90%，成為優質的管道輸送用氣，真正實現全域煤層氣的高效利用。
　　“加快煤層氣開發利用，是我國推進能源生產和消費革命的重要途徑，也是保障國家能源安全的重要支撐。我們將與各方持續深化合作，加快技術推廣和創新探索腳步，共同開創廣闊未來，努力為能源革命、能源安全作出新的更大貢獻。”李晉平說。

本報記者王天曉

(責編：王丹)

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