我国煤层气（煤矿瓦斯）产业发展可谓一波三折，发展速度较为缓慢。由于瓦斯抽采难度大、浓度低，产业长期难破成本偏高、利用率低的困局。其中，成本偏高的原因之一，是由于井下瓦斯抽采系统运行效率低、能耗高。
有数据显示，我国年产500万吨以上的部分高瓦斯矿井的瓦斯抽采系统，仅年耗电量就高达数千万甚至上亿元。难题如何破解？
5年前，中国矿业大学周福宝教授团队开始着手解决该问题。该团队经过深入研究与分析，得出结论——主要问题出在瓦斯抽采系统的动力源上，瓦斯抽采水环真空泵安全性好，但运行效率仅为15-40%，且能耗很大。经过科技攻关，该团队自主研发了矿用水环真空泵绿色高效抽采新技术，并在山西潞安集团余吾煤业有限公司成功应用。
“可以做到抽采瓦斯和节能减排两不误，特别是在节水方面，很好地解决了耗水多又必须进行瓦斯抽采保障安全的矛盾，节水同时又提高运行效率。可以说，这个创新性的成果为瓦斯安全抽采及利用提供了坚实的技术支撑，不仅具有极大的经济效益，还对我国节电、节水具有重要意义。”在11月3日召开的“矿用水环真空泵绿色高效抽采技术”现场咨询交流会上，中国工程院院士、安徽理工大学校长袁亮认为，该技术处于行业内领先水平，应用前景广阔。
节能效率提高到22%
加强煤矿瓦斯抽采是预防煤矿瓦斯事故的最重要举措，国家也通过瓦斯“零超限”要求倒逼煤炭企业落实瓦斯抽采措施。记者了解到，作为瓦斯抽采系统的动力源，水环真空泵以水作为工作介质，以等温压缩方式进行抽排气，具有安全可靠的性能，因此被广泛应用于煤矿瓦斯抽采。
但为何之前用的瓦斯抽采泵会造成抽采系统运行效率低、能耗高？“水环真空泵本来就是高耗低效的机械产品，瓦斯抽采条件复杂、多变且不可控更是给节能‘拉了后腿’。”与会专家告诉记者，很多煤矿的泵站耗电费用占到了总耗电量的1/4，这与我国目前能源紧张的现状以及节能减排要求极不适应。
“水环真空泵最早是从德国西门子技术引进国内的，经过一百余年的发展已成为一款成熟的产品，但水环真空泵的高耗低效是亟需解决的世界性难题。为此，我们首创了基于提效剂的矿用水环真空泵绿色高效抽采技术。一方面，发明了高分子提效剂，大幅降低瓦斯抽采泵的运行功耗；另一方面，开发了地面与井下两种抽采模式，突破了水环真空泵高耗能、高耗水的技术瓶颈。该技术已在欧洲、美国等地区申请了国际PCT专利，并已获得国内授权发明专利。”周福宝对记者表示，相关部门对已运行装备出具的检测结果报告显示，该技术节能率达到22%。
技术负责人、中国矿业大学张一帆博士告诉记者，团队还在实验室搭建了中型水环真空泵性能测试平台，可实现瓦斯抽采系统不同运行工况下的动态、精确模拟及实时监测。根据该平台的测试结果，水环真空泵运行效率大大提高，由30.33%提高至40.18%；轴功率也由55.83千瓦降低至45.75千瓦，节能率为23.5%。
著名瓦斯防治专家、中国矿业大学教授俞启香在接受记者采访时指出：“他们另辟蹊径，在水中加入安全环保的物质，大大减少了阻力从而降低运行功率，又做了技术创新，将原来的系统改为闭路循环系统，节能率大幅提高。工作做得很细很扎实，可以说，困扰行业已久的瓦斯抽采高耗能问题获得了突破。”
节电节水效果显著
据悉，余吾煤矿为高瓦斯矿井，同时运行大型水环真空泵20余台，仅泵站年耗电量就在7000万度以上，亟需开展节能技术改造。
张一帆告诉记者，在余吾煤矿搭建的特大型水环真空泵节能实验系统，包括功率为800千瓦的大型水环真空泵、换热设备、气液分离器、进气管路、数据监控及处理系统。
“在地面和井下运行十个月，节能效果非常稳定、明显。”余吾煤矿总工程师王志坚介绍，新技术在该矿南风井地面瓦斯泵站和井下南翼移动瓦斯泵站应用效果很好。
王志坚进一步介绍，在南风井地面瓦斯泵站，建成了我国首座基于高分子提效剂的全封闭式水环真空泵绿色高效抽采系统，并通过采集提效剂进出口温度、换热器压差等参数，实现了智能调控水环真空泵补排液，保证监测系统稳定运行。应用新技术后，水环真空泵电机的功率由635千瓦降至492千瓦，大幅减轻了电机负荷，这样也可延长电机寿命。目前每天可节约3434度电，单台泵年节电量为125.3万度，节电率为23.4%；每天耗水量由之前的15吨降至5吨，节水率为66.7%。由此推算，经改造后的南风井地面瓦斯抽采泵站每年的节能效益可达250.6万元。
在余吾煤矿井下南翼移动瓦斯泵站，改装两台额定功率为250千瓦的瓦斯抽采泵后，运行电流显著降低，平均节能效果在20%以上，该泵站年节电量可达148.2万度，每年可节约77万元。
仅需对原有设备进行改装
“地面瓦斯抽采泵站型号大、耗水量大，并且基础建设很复杂，比如有高位水池、低位水池、循环水管路等，我们的技术只需要将其工作介质由自然冷却改进为强制对流换热，将原有的半开式水池循环改进为全封闭机组式循环即可；井下移动瓦斯抽采泵站一般型号小、耗水量大、基础设施简单，可采用自主研制的气动搅拌溶解装置，对固态提效剂进行充分溶解以作为工作介质循环运行。也就是说，该技术只需在原有设备上就可以进行改造。”周福宝告诉记者。
除了节能效果显著，该技术还可提高瓦斯抽采量。南风井测得的数据显示，抽气量由每分钟591立方米提至598立方米。
“目前潞安集团下属所有矿井瓦斯抽采泵年耗电量约4亿千瓦以上。王志坚指出：“若对所有矿井进行整体节能改造，每年节电量将超过8000万度。”
“我国近半数矿井都是高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井，如果所有矿井都可以应用该技术，节水、节电效果将很可观。希望该项先进技术可尽快推向全国，也建议国家和地方政府加大政策支持力度。”袁亮说。对此，与会专家也一致认为，该技术应用前景可观，若推广至全国矿井，节能经济效益很是可观；同时，也可以促进我国水环真空泵产业升级换代，提升煤矿生产安全水平，社会效益也十分显著；此外，还可推广应用于我国化工、电厂等使用水环真空泵的行业领域。
原标题：瓦斯抽采高耗能难题获解
