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。甲烷體積分數大于或等于30%的高濃度瓦斯可用于發(fā)電、燃燒，但受技術限制，大量濃度8%以下的瓦斯只能排空。山西是煤炭開采大省，推進低濃度煤礦瓦斯利用，是山西科研工作者的職責使命。
過去十幾年來，我和團隊成員一直致力于低濃度瓦斯利用的技術攻關，探索出一條“瓦斯低濃替代、梯級提質利用”的技術路線，取得多項成果。其中，我們研發(fā)的“人工沸石分子篩技術”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?？諝獾闹饕煞质堑獨?，我們研發(fā)的技術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利用打下了技術基礎。
沸石分子篩是一種具有規(guī)則孔道結構的硅鋁酸鹽材料，廣泛應用于氣體分離領域。但是，傳統的沸石分子篩表面往往帶有大量的平衡離子，對氮氣分子產生額外的吸附作用，不利于從氮氣中“篩”出甲烷。
能否調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？為了實現這個目標，我們歷經了2萬多次試驗，終于研發(fā)出一種高性能吸附材料，用它進行甲烷提濃。提濃后的甲烷根據濃度不同，有的可以發(fā)電，有的可以燃燒。這項技術獲得2021年度中國石油和化學工業(yè)聯合會技術發(fā)明獎一等獎。
2023年，通過校企合作，基于這項技術創(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)管總局聯合發(fā)布了新修訂的煤礦瓦斯排放標準，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%。新標準的出臺，為我們這項技術打開了發(fā)展空間，有望帶來更多規(guī)?；瘧玫臋C會。
今年10月底，國家能源局出臺指導意見，推進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，加快技術推廣，為保障國家能源安全、推動煤礦綠色低碳轉型提供科技支撐。
(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米以淺的地質資源量超30萬億立方米。早期進行煤層氣開發(fā)是為了確保煤礦安全生產，但隨著開發(fā)技術逐步成熟，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90年代初開始探索煤層氣開發(fā)，經過30余年技術攻關，形成了從鉆井、壓裂、排采到集輸的系列技術工藝體系，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134.3億立方米。
(本報記者付明麗整理)
記者手記
看得遠，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，而是立足現實痛點的精準選擇。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合。他帶領團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，團隊歷經2萬多次試驗，在200多種分子篩結構里“篩”了7年，才鎖定了合適的材料結構。
看得遠，才能走得穩(wěn)。創(chuàng)新路上，希望廣大科技工作者把學術追求與國家戰(zhàn)略需求、時代發(fā)展大勢更好地結合，為推動產業(yè)發(fā)展、建設科技強國貢獻更多力量。
李晉平
《人民日報》(2025年11月20日 第 07 版)