探索低濃度瓦斯變廢為寶(邁向“十五五”的創(chuàng)新圖景)

加快建設(shè)新型能源體系。

——摘自“十五五”規(guī)劃建議

煤礦瓦斯，又被稱為“煤層氣”，伴隨煤礦的開采排出，其主要成分是甲烷。甲烷得到合理利用，就是清潔能源。甲烷體積分?jǐn)?shù)大于或等于30%的高濃度瓦斯可用于發(fā)電、燃燒，但受技術(shù)限制，大量濃度8%以下的瓦斯只能排空。山西是煤炭開采大省，推進(jìn)低濃度煤礦瓦斯利用，是山西科研工作者的職責(zé)使命。

過去十幾年來，我和團(tuán)隊成員一直致力于低濃度瓦斯利用的技術(shù)攻關(guān)，探索出一條“瓦斯低濃替代、梯級提質(zhì)利用”的技術(shù)路線，取得多項成果。其中，我們研發(fā)的“人工沸石分子篩技術(shù)”解決了濃度為2%—8%的瓦斯利用難題。

低濃度煤礦瓦斯中混入大量空氣，甲烷濃度被稀釋，是阻礙其高效利用的重要因素。空氣的主要成分是氮氣，我們研發(fā)的技術(shù)能將甲烷與氮氣高效分離，不僅能降低瓦斯富集提濃的下限，讓原來不能直接利用的低濃度瓦斯變得能用，也為瓦斯的全濃度梯級提質(zhì)利用打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

沸石分子篩是一種具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽材料，廣泛應(yīng)用于氣體分離領(lǐng)域。但是，傳統(tǒng)的沸石分子篩表面往往帶有大量的平衡離子，對氮氣分子產(chǎn)生額外的吸附作用，不利于從氮氣中“篩”出甲烷。

能否調(diào)整沸石分子篩中硅和鋁的比例，保留材料對甲烷更多的吸附力？為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們歷經(jīng)了2萬多次試驗，終于研發(fā)出一種高性能吸附材料，用它進(jìn)行甲烷提濃。提濃后的甲烷根據(jù)濃度不同，有的可以發(fā)電，有的可以燃燒。這項技術(shù)獲得2021年度中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

2023年，通過校企合作，基于這項技術(shù)創(chuàng)建的示范項目在山西一家煤礦企業(yè)落地。投用那天，看著儀表盤上甲烷濃度的變化，大家都很激動。目前，項目已經(jīng)安全、連續(xù)運行近兩年。今年底，還將在第二家煤礦企業(yè)落地。

去年底，生態(tài)環(huán)境部和市場監(jiān)管總局聯(lián)合發(fā)布了新修訂的煤礦瓦斯排放標(biāo)準(zhǔn)，我國將煤礦瓦斯甲烷體積濃度排放限值由30%大幅收緊至8%。新標(biāo)準(zhǔn)的出臺，為我們這項技術(shù)打開了發(fā)展空間，有望帶來更多規(guī)?；瘧?yīng)用的機會。

今年10月底，國家能源局出臺指導(dǎo)意見，推進(jìn)煤炭與新能源融合發(fā)展。其中提到，“加強煤礦瓦斯全濃度利用，積極發(fā)展瓦斯發(fā)電、供熱、提純等利用方式”。今年，我和團(tuán)隊成員申請的兩個國家級課題，都是聚焦于低濃度煤礦瓦斯的高效清潔利用。展望“十五五”，我們將繼續(xù)優(yōu)化低濃度瓦斯提純技術(shù)，加快技術(shù)推廣，為保障國家能源安全、推動煤礦綠色低碳轉(zhuǎn)型提供科技支撐。

(作者為懷柔實驗室山西研究院副院長、太原理工大學(xué)教授，本報記者付明麗采訪整理)

延伸閱讀

2024年山西累計抽采煤層氣超134億立方米

煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，屬于非常規(guī)天然氣。我國煤層氣資源豐富，埋深2000米以淺的地質(zhì)資源量超30萬億立方米。早期進(jìn)行煤層氣開發(fā)是為了確保煤礦安全生產(chǎn)，但隨著開發(fā)技術(shù)逐步成熟，煤層氣成為增強我國天然氣自主保障能力的重要補充氣源。

山西上世紀(jì)90年代初開始探索煤層氣開發(fā)，經(jīng)過30余年技術(shù)攻關(guān)，形成了從鉆井、壓裂、排采到集輸?shù)南盗屑夹g(shù)工藝體系，探索出“先采氣后采煤、采氣采煤一體化”的煤礦瓦斯治理利用模式，形成高階煤、薄煤層、中深層乃至深層煤層氣多類型、多層系、差異化開發(fā)的格局。

“十四五”時期，山西加快煤層氣增儲上產(chǎn)步伐，初步建成沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣兩大國家煤層氣產(chǎn)業(yè)基地，建成潘莊、鄭莊等6個10億立方米級氣田。2024年，山西累計抽采煤層氣達(dá)134.3億立方米。

(本報記者付明麗整理)

記者手記

看得遠(yuǎn)，才能走得穩(wěn)

在行業(yè)空白時入局、在政策落地前破題，采訪中，李晉平團(tuán)隊的前瞻性給記者留下了深刻印象。

科研的前瞻性，從來不是漫無邊際的空想，而是立足現(xiàn)實痛點的精準(zhǔn)選擇。李晉平是土生土長的山西人，他的科研方向始終與山西能源革命的需求緊密結(jié)合。他帶領(lǐng)團(tuán)隊不僅成功破解低濃度瓦斯利用這一行業(yè)難題，還在低碳烯烴分離、綠氫制備等前沿領(lǐng)域取得創(chuàng)新成果。

科研的前瞻性，更需要沉得下心的長期主義。為了將甲烷、氮氣高效分離，團(tuán)隊歷經(jīng)2萬多次試驗，在200多種分子篩結(jié)構(gòu)里“篩”了7年，才鎖定了合適的材料結(jié)構(gòu)。

看得遠(yuǎn)，才能走得穩(wěn)。創(chuàng)新路上，希望廣大科技工作者把學(xué)術(shù)追求與國家戰(zhàn)略需求、時代發(fā)展大勢更好地結(jié)合，為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展、建設(shè)科技強國貢獻(xiàn)更多力量。

李晉平