探索低浓度瓦斯变废为宝(迈向“十五五”的创新图景)

加快建设新型能源体系。

——摘自“十五五”规划建议

煤矿瓦斯，又被称为“煤层气”，伴随煤矿的开采排出，其主要成分是甲烷。甲烷得到合理利用，就是清洁能源。甲烷体积分数大于或等于30%的高浓度瓦斯可用于发电、燃烧，但受技术限制，大量浓度8%以下的瓦斯只能排空。山西是煤炭开采大省，推进低浓度煤矿瓦斯利用，是山西科研工作者的职责使命。

过去十几年来，我和团队成员一直致力于低浓度瓦斯利用的技术攻关，探索出一条“瓦斯低浓替代、梯级提质利用”的技术路线，取得多项成果。其中，我们研发的“人工沸石分子筛技术”解决了浓度为2%—8%的瓦斯利用难题。

低浓度煤矿瓦斯中混入大量空气，甲烷浓度被稀释，是阻碍其高效利用的重要因素。空气的主要成分是氮气，我们研发的技术能将甲烷与氮气高效分离，不仅能降低瓦斯富集提浓的下限，让原来不能直接利用的低浓度瓦斯变得能用，也为瓦斯的全浓度梯级提质利用打下了技术基础。

沸石分子筛是一种具有规则孔道结构的硅铝酸盐材料，广泛应用于气体分离领域。但是，传统的沸石分子筛表面往往带有大量的平衡离子，对氮气分子产生额外的吸附作用，不利于从氮气中“筛”出甲烷。

能否调整沸石分子筛中硅和铝的比例，保留材料对甲烷更多的吸附力？为了实现这个目标，我们历经了2万多次试验，终于研发出一种高性能吸附材料，用它进行甲烷提浓。提浓后的甲烷根据浓度不同，有的可以发电，有的可以燃烧。这项技术获得2021年度中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖。

2023年，通过校企合作，基于这项技术创建的示范项目在山西一家煤矿企业落地。投用那天，看着仪表盘上甲烷浓度的变化，大家都很激动。目前，项目已经安全、连续运行近两年。今年底，还将在第二家煤矿企业落地。

去年底，生态环境部和市场监管总局联合发布了新修订的煤矿瓦斯排放标准，我国将煤矿瓦斯甲烷体积浓度排放限值由30%大幅收紧至8%。新标准的出台，为我们这项技术打开了发展空间，有望带来更多规模化应用的机会。

今年10月底，国家能源局出台指导意见，推进煤炭与新能源融合发展。其中提到，“加强煤矿瓦斯全浓度利用，积极发展瓦斯发电、供热、提纯等利用方式”。今年，我和团队成员申请的两个国家级课题，都是聚焦于低浓度煤矿瓦斯的高效清洁利用。展望“十五五”，我们将继续优化低浓度瓦斯提纯技术，加快技术推广，为保障国家能源安全、推动煤矿绿色低碳转型提供科技支撑。

(作者为怀柔实验室山西研究院副院长、太原理工大学教授，本报记者付明丽采访整理)

延伸阅读

2024年山西累计抽采煤层气超134亿立方米

煤层气是一种优质清洁能源，属于非常规天然气。我国煤层气资源丰富，埋深2000米以浅的地质资源量超30万亿立方米。早期进行煤层气开发是为了确保煤矿安全生产，但随着开发技术逐步成熟，煤层气成为增强我国天然气自主保障能力的重要补充气源。

山西上世纪90年代初开始探索煤层气开发，经过30余年技术攻关，形成了从钻井、压裂、排采到集输的系列技术工艺体系，探索出“先采气后采煤、采气采煤一体化”的煤矿瓦斯治理利用模式，形成高阶煤、薄煤层、中深层乃至深层煤层气多类型、多层系、差异化开发的格局。

“十四五”时期，山西加快煤层气增储上产步伐，初步建成沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘两大国家煤层气产业基地，建成潘庄、郑庄等6个10亿立方米级气田。2024年，山西累计抽采煤层气达134.3亿立方米。

(本报记者付明丽整理)

记者手记

看得远，才能走得稳

在行业空白时入局、在政策落地前破题，采访中，李晋平团队的前瞻性给记者留下了深刻印象。

科研的前瞻性，从来不是漫无边际的空想，而是立足现实痛点的精准选择。李晋平是土生土长的山西人，他的科研方向始终与山西能源革命的需求紧密结合。他带领团队不仅成功破解低浓度瓦斯利用这一行业难题，还在低碳烯烃分离、绿氢制备等前沿领域取得创新成果。

科研的前瞻性，更需要沉得下心的长期主义。为了将甲烷、氮气高效分离，团队历经2万多次试验，在200多种分子筛结构里“筛”了7年，才锁定了合适的材料结构。

看得远，才能走得稳。创新路上，希望广大科技工作者把学术追求与国家战略需求、时代发展大势更好地结合，为推动产业发展、建设科技强国贡献更多力量。

李晋平