煤层气俗称“瓦斯”，是煤炭开采的危险“杀手”，而在科学抽采利用技术的“驯化”下，却能变害为宝，成为优质、绿色的清洁能源。长期以来，业界对高浓度煤层气可进行直接利用，但对于存量巨大的低浓度煤层气，却一直缺乏有效的利用方法，大多只能将其当作废气空排。这不仅浪费了资源，更影响“双碳”目标实现。

 

项目课题组在实验室测试评价工业吸附剂性能。
 

 

　　就在2023年底，随着全国首个“移动撬装式低浓度煤层气提浓装置示范工程项目”在阳城阳泰集团武甲煤矿建成并通过验收，这个困局迎来突破。

 

　　创新探索填补空白

 

　　阳城阳泰集团武甲煤矿瓦斯抽放泵站，一块300多平方米的区域上，布设着一套崭新的装置。几座高大的银白色筒体连接着管廊，稳稳立在基轨上，在阳光的照射下熠熠生辉。

 

　　“这就是我们研发的全国首个移动撬装式低浓度煤层气提浓装置。通过它，能将原来2%~5%浓度的煤层气提浓至6%~15%，实现废气到直燃或发电用气的跨越。”项目执行负责人、太原理工大学化学工程与技术学院教授杨江峰高兴地介绍，“试运行阶段，项目各项数据均达到了预期，现在已进入成果收获、推广运用的新阶段。”

 

　　时间回溯到3年前。2020年12月6日，在阳城县政府与太原理工大学举办的项目对接会上，双方围绕煤层气高效开发利用深入交流，郑重签署《绿色开采及煤层气综合利用研究院共建协议》《移动撬装式低浓度煤层气提浓装置示范工程技术开发（委托）合同》。由此，这一创新研发迈出坚实步伐。

 

　　阳泰集团诚意十足支持项目落地，投入重金启动研究院。太原理工大学党委副书记、气体能源高效清洁利用山西省重点实验室主任李晋平教授领衔实施项目，将团队历经10余年研发出的“硅铝沸石分子筛”技术成果首次引入转化。创新研制高性能超疏水甲烷吸附剂，定制开发兼具安全充压、吸附、均压、逆放、抽真空等功能的六床工艺，设计制造可灵活拆装投运的“移动撬装式”成套装置……两年多时间里，双方紧密配合、摸爬滚打，倾尽心血智慧攻克一道道难题，终将创新探索变成美好现实。

 

　　“通过72小时的连续运行考核，项目稳定达到各项设计值，全面完成了科技开发合同书规定的研究任务。经评议，一致同意该项目通过结题验收。”2023年10月24日召开的结题验收会上，中北大学原校长刘有智、煤与煤层气共采全国重点实验室执行主任李国富、中科院山西煤炭化学研究所课题组组长李德宝等评审专家全面肯定了项目成果，给出高度评价，“项目实现了低浓度煤层气的高效提浓和新工艺的突破，填补了行业空白。这是具有里程碑意义的成果，必将引领打开全域煤层气高效利用新局面。”

 

　　五大优势领先全球

 

　　实现低浓度煤层气提浓，吸附材料是关键。该项目的显著之处，就在于其研制应用的高性能超疏水甲烷吸附剂。

 

　　“这里面的东西就是吸附剂，那几座银白色大筒体里装的就是它。”拿起一个装满白色石粒的样品玻璃罐，杨江峰认真介绍，“这些石粒是我们人工合成的‘沸石’。别看它小，每一粒上面都布满成千上万个0.5纳米的均匀孔穴，可以把0.38纳米大小的甲烷吸附下来。正是靠它，才实现了煤层气的高效提浓。”

 

　　沸石是一种硅铝酸盐矿石。因在灼烧时会产生沸腾现象，故被命名为“沸石”。“这种矿石具有架状结构，在它们的晶体内，分子像蜂窝一样，稳固地连在一起，中间形成很多空腔，因而成为一种被广泛应用的过滤、吸附材料。”杨江峰说，“我们的‘硅铝沸石分子筛’技术，正是基于对其深入研究而来。针对项目，我们进一步潜心探索，创新合成出‘疏水型人工沸石’，研制出了高性能超疏水甲烷吸附剂。”

 

　　事实上，围绕吸附剂研发，业界一直都在努力。之前面世的众多产品，在性能和制备方面都不尽如人意。太原理工大学项目课题组创制的高性能超疏水甲烷吸附剂，不仅吸附能力强，还兼具耐水、绝缘、非燃、抑爆等特性，而且解决了快速制备和规模化量产的难题。“该吸附剂对低浓度煤层气的提浓效果远超市面产品，且在含湿工况条件下分离富集性能稳定，非常适用于中小规模煤矿企业低浓度煤层气提浓利用。”刘有智教授在项目结题验收会上如是评价。

 

　　吸附剂合成时间短、传质速率快；甲烷选择性高、吸附容量高、分子扩散速率快；核壳结构的包裹成形技术带来诸多安全性能；两段变压的新工艺进一步提升吸附效能；在此基础上集成的装置高效、安全、灵活，极具适用性。项目课题组以五大优势开创先河，荣获2021年度山西省自然科学一等奖（分子辨识的低碳烃吸附分离材料创制与性能调控）、2021年度中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖（沸石分子筛CH4/N2分离吸附剂创制即低浓度煤层气富集成套技术），助推我国低浓度煤层气富集技术进入全球领先水平。

 

　　深化合作开创未来

 

　　“项目按照2000Nm3/h设计，正式运行的话，每年至少可提浓100万立方米的低浓度瓦斯，不仅有效降低了排放，还能转化用于发电，增加180万元以上的收益。”武甲煤矿总工程师王波欣喜地说。这份欣喜来之不易，也仅仅只是开端。

 

　　我省是煤炭资源大省，也是储量占全国近1/3的煤层气资源大省，同时更是能源革命、实现“双碳”目标的主阵地。实施低浓度煤层气提浓利用，不仅是提升煤炭生产安全水平、降低碳排放的迫切需求，更对增加、创优能源供给具有重要意义。阳城县与太原理工大学勇担使命、果敢而为，充分发挥各自优势开展“政产学研用”密切合作，共同为行业发展蹚出了一条新路。

 

　　（下转C3版）