「悪魔」を鎮圧し奇跡を起こす：超低濃度ガスで「悪を善に戻す」

石炭採掘の副産物として、炭鉱ガスは石炭採掘プロセス全体を通じて生成され、炭鉱の安全な生産に脅威を与えるだけでなく、大気を汚染し、温室効果を引き起こします。何百年もの間、人類は炭鉱ガスを制御するためにさまざまな方法を試みてきました。メタン濃度30％以上の高濃度ガス、メタン濃度7％以上30％未満の低濃​​度ガスに適した開発・利用方法を有しています。しかし、超低濃度ガスの開発と利用は石炭採掘業界にとって長年の難題であり、業界関係者が解決に苦慮してきた問題でもある。

メタンガス処理（著作権画像は図書館から提供されており、転載すると著作権紛争が発生する可能性があります）

01 超低濃度ガスとは？

「炭鉱ガス発電プロジェクト設計コード」（GB51134-2015）によると、超低濃度ガスとはメタン濃度が7％未満の炭鉱ガスを指します。この部分のガスは直接発電には使用できません。その総量は膨大で、中国の炭鉱ガスの80％以上を占めています。

埋設パイプを通じて採取される超低濃度ガスは、一般的にメタン濃度が1%を超えており、全体の割合は小さい。もう1つは風排気ガス（虚空ガスとも呼ばれる）で、炭鉱のトンネルの換気で発生する風排気ガス（虚空ガスとも呼ばれる）を指し、そのメタン濃度は0.75％未満です。

2023年11月の中国エネルギーニュースの報道によると、中国の炭鉱換気によって毎年大気中に排出されるメタンは、西東ガスパイプラインの年間ガス輸送量に相当し、生み出される温室効果は二酸化炭素換算で2億トンに相当するという。したがって、風力ガスの不足を最大限活用することは非常に意義深いことです。

西東ガスパイプライン（ギャラリーからの著作権画像。転載は著作権紛争につながる可能性があります）

02 悪魔を鎮める難しさ

メタン濃度が1%を超え7%未満の超低濃度ガスの場合、主な利用方法は希薄燃焼であり、具体的には多孔質媒体燃焼、脈動燃焼、触媒燃焼などの技術が含まれます。

メタン濃度が0.75%以下の排気ガスは燃料や補助燃料として利用できます。主な利用方法は、超低濃度メタンを燃料で1％以上に濃縮し、高温向流蓄熱酸化と触媒希薄燃焼ガスタービン技術により熱エネルギーを利用することです。

現在、熱向流酸化技術と触媒希薄燃焼ガスタービン技術は産業化されているものの、風力排気ガスの燃料利用を実現するには依然として2つの大きな問題が残っています。

濃縮問題：超低濃度ガス中のメタン濃度を高め、超低濃度メタン濃縮を実現する方法。

安全性の問題: 超低濃度ガスには、メタンに加えて、一定濃度の酸素と窒素も含まれています。超低濃度ガス中のメタン濃度が5%～15%に高くなると、直火に触れると簡単に爆発を起こす可能性があります。したがって、ガス濃縮プロセス中に安全事故が発生しないようにするために、超低濃度ガスおよび低濃度ガスの利用では、空気の脱酸素化の問題も考慮する必要があります。

炭鉱ガス爆発（ギャラリーからの著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

03 悪魔を鎮める杵 ― ゴミを宝物に変える一般的なテクニック

現在、メタン濃度が0.75％未満の超低濃度ガスからメタンを濃縮する主な技術としては、低温液化法、吸着法、吸収法、膜分離法、ハイドレート法などがある。

現在、圧力スイング吸着分離技術と低温液化分離技術が産業界で広く使用されています。このうち前者は分離技術がより成熟しており、メタン回収率が高く、エネルギー消費とコストの面でより多くの利点があります。これは現在、最も大​​きな可能性と応用価値を持つ技術です。

圧力スイング吸着分離では、異なる温度における吸着剤の異なるメタン吸着量を利用してガス分離を実現します。成功の鍵は吸着剤の選択です。現在、最も広く使用されている吸着剤としては、炭素系吸着剤、ゼオライト分子ふるい、金属有機構造体などがあります。その中でも、炭素系吸着剤は、活性炭、炭素分子ふるい、グラフェン、カーボンナノチューブに分けられます。その中で、活性炭は、原材料の範囲が広く、調製プロセスが簡単で、細孔構造が発達しており、比表面積が大きく、機械的特性と再生特性が優れているなどの利点があるため、圧力スイング吸着分離プロセスで最も一般的に使用される吸着剤となっています。

04 展望

全体的に、超低濃度ガス利用技術はいくつかのブレークスルーを達成しましたが、まだ実験室研究段階にあり、生産の実践を効果的に導くことはできません。理由：

まず、高吸着圧力と高真空圧スイング吸着プロセスにより、爆発のリスクと運用コストが増加します。

第二に、濃縮プロセスの経済性、適応性、安全性は依然として改善する必要がある。

近年、膜分離技術の発展に伴い、超低濃度ガスの脱酸素技術にも新たな膜分離技術がますます多く使用されるようになっています。

将来的には、超低濃度ガスの利用：

一方で、高選択性、高容量、高耐性の吸着材料の研究開発に引き続き取り組む必要があります。

一方で、プロセス全体を最適化し、突破口を模索するためにも、引き続き努力を重ねていく必要があります。

夕暮れには、空の池が曲がりくねり、瞑想することで毒の龍を飼いならすことができます（王維、唐代）。超低濃度ガスの「毒竜」は、将来必ず我々によって征服されるだろう！

参考文献:

[1] 高鵬飛空気欠乏ガス飽和精鉱の利用技術の現状と展望[J]。鉱山安全と環境保護、2017(003):044。

[2] 朱彦低濃度ガス利用技術のレビューと展望[J].エネルギー技術と管理、2022(004):047。

[3] Sang Shuxun、Yuan Liang、Liu Shiqi、他。カーボンニュートラル地質技術の展望と石炭の低炭素化におけるその応用[J]。中国石炭学会誌、2022年、47(4):1430-1451。

[4] Li Shuohao、Gong Yuqing、Fu Shenguang、他。圧力スイング吸着法による炭鉱ガスからのメタン精製に関する研究の進歩[J]。中国科学：化学、2023年、53(6):992-1007。

[5] 瞿培然新たなメタン排出抑制政策により、低濃度ガスの利用が加速される[N]。中国エネルギーニュース。 2023-11-20。

著者: 劉 漢斌、山西省石炭地質局上級エンジニア

査読者: 李勇、中国鉱業大学地球科学・測量工学部教授 (北京)

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社