近年来，太原理工大学李晋平教授团队成功攻克煤层气富集分离关键技术，补齐了我省煤层气全域高效梯级利用的最后一块技术短板——

　　在具有温室效应的气体家族中，二氧化碳(CO₂)虽以约75.6%的占比成为“主角”，但甲烷(CH₄)这位占比仅18.6%的“低调”成员，却隐藏着惊人的气候变化影响潜力。科学界公认，在同等分子数量下甲烷的全球变暖潜能值(GWP)是二氧化碳的25倍以上。更为关键的是，与难以再次利用的二氧化碳不同，甲烷本身还是一种宝贵的清洁能源和重要的化工基础原料，其热值高达55.7MJ／kg。若能将其从“气候破坏者”转变为“价值贡献者”，实现变废为宝，无疑将在环境保护与经济发展两个维度产生巨大的协同倍增效应。

　　李晋平教授团队运用科技之力，为这些曾被视作“环境负担”的煤层气赋予了全新的生命。他们潜心攻关，帮低浓度瓦斯“脱胎换骨”，打通了其高价值利用的“最后一公里”，相关技术不仅成功落地应用，更荣获2021年度中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖等多项荣誉，让昔日的“碳包袱”真正变成了“绿色财富”。

　　梯级提质——唤醒每一缕“沉睡”的能量

　　聚焦我国国情，二氧化碳排放源分布广泛渗透于社会生产生活的方方面面，治理难度较大。而甲烷的排放则呈现出显著的集中性特征：主要来自煤炭的开采过程。这使得对甲烷的治理更具抓手。

　　山西地下蕴藏着全国最丰富煤层气资源，探明储量占全国总量近三分之一。因此煤层气的高效、高值化利用，如同一把金钥匙，不仅能开启一扇减排降碳的绿色之门，更能为区域经济高质量发展注入强劲的清洁动能。

　　如何才能让这些深埋地下的“气体宝藏”释放出最大价值？太原理工大学的李晋平教授团队给出的答案是——“瓦斯低浓替代、梯级提质利用”。

　　李晋平教授在介绍煤层气特性时强调，煤层气并非生而平等，其“禀赋”存在显著差异。“从甲烷浓度不足1%、几乎长期被视作废气的煤矿矿井乏风，到浓度超过99%、堪比常规天然气的优质资源，其间的浓度梯度极大。我们的核心目标，是为每一种气体匹配最适宜的利用路径，避免‘高材低用’的资源浪费和‘放任自流’的环境污染。”

　　基于这一认识，科学界和产业界近年来逐步形成了“全域煤层气高效梯级利用”的共识。李晋平教授团队在此基础上，深入分析其核心精髓在于：依据甲烷浓度由低至高的自然梯度，进行精准的分级与分类利用，构建一个环环相扣的能源利用链条。

　　团队分析指出，浓度低于1%的矿井乏风，虽浓度极低，但总量巨大，可通过热氧化技术产生热量；浓度在1%至30%间的低浓度抽放气，可输送至专用瓦斯发电机组，将其中蕴含的化学能转化为电能；浓度30%至50%的高浓度抽放气，便达到了安全、稳定的民用燃气标准，经过净化处理后可输入城镇燃气管网；浓度超过90%的直采煤层气，经深度净化提纯，其浓度可达99.5%以上，液化制成LNG(液化天然气)进而作为高端化工产业的“优质粮食”，生产出合成氨、甲醇、氢气等高附加值产品，真正实现资源价值最大化。

　　这条清晰的价值攀升路径揭示了一个核心规律：随着甲烷浓度的提升，其利用方式的经济价值呈现阶梯式跃升。

　　所谓“瓦斯低浓替代”，即通过技术创新，将低品位瓦斯提质升级达到高品位瓦斯的利用标准，从而用低成本的低浓气源替代高成本的高浓气源。这不仅显著降低了瓦斯利用的整体成本，大幅提升了资源利用率，更从源头上最大限度地减少了甲烷的直接排放，实现了经济效益与环境效益的统一。

　　而“梯级提质利用”，则强调通过量身定制的技术路径，使不同品阶的瓦斯都能找到其最优利用效率的归宿，并通过“提浓”这一关键步骤，打通低浓度瓦斯实现高价值利用的通道，达到效率全域最优。

　　具体到可操作工艺，一幅瓦斯全浓度利用的壮阔画卷徐徐展开：传统技术难以利用的极低浓度乏风(＜1%)，经创新提浓技术富集至1.2%左右，即可进入热氧化工艺，变废为宝；8%以下的极低浓瓦斯，提浓至10%以上，便可稳定驱动低浓度瓦斯发电机组，并网发电；30%以下的中低浓度瓦斯，提浓至30%以上，即可安全可靠地作为工业燃气或锅炉燃料使用；而30%以上的较高浓度瓦斯，经提浓至90%以上，便能作为天然气使用。至此，煤矿瓦斯的利用不再存在盲区与断点。低品位瓦斯得以“晋级”至高品位舞台，经济性与利用率双双获得跃升，最终实现甲烷排放的全域最小化。

　　如何实现低成本、高效率、大规模的气体提浓？这道困扰全球科学家和工程师数十年的世界性难题，不断呼唤着李晋平团队的智慧。

　　创新破局——理论原创颠覆常规，技术贯通实现应用

　　煤矿瓦斯中甲烷往往与大量空气混合，稀释了甲烷的浓度，成为阻碍其高效利用的“元凶"之一。而空气的主要成分是氮气(N₂)，因此将甲烷与氮气高效、经济地分离，就成为提升气体品质的关键技术环节。

　　自上世纪80年代起，全球范围内的科学家和工程师们便纷纷投身于CH₄／N₂分离技术的研究。但令人遗憾的是，在长达数十年的时间里，受限于材料和工艺的发展，始终未能找到一种真正兼具经济性、高效性、安全性且适于大规模工业化应用的完美解决方案。

　　彼时，国际上进行气体分离所采用的主流技术各有局限：深冷分离利用甲烷与氮气液化温度的差异进行分离，但其核心缺陷在于制冷过程能耗巨大，成本高昂；膜分离技术虽操作灵活，但高性能分离膜造价昂贵，且易受杂质影响寿命短、稳定性差。

　　要想成功地实现工业化应用，就必须要克服现有问题，找到一种节能、经济、环保的吸附分离方案。李晋平教授团队在经过深思熟虑后，创造性地将目光投向了变压吸附分离技术。这项技术发端于20世纪60年代，在氢气提纯、空气中氧气氮气分离等方向有着非常成熟、广泛的工业应用。

　　“我对变压吸附技术是有着特殊感情的。”李晋平教授回忆道，“它的核心原理非常巧妙——通过调节压力这个简单的物理变量，来控制气体的吸附与脱附，整个过程节能且可循环。不像一些化工分离过程需要高温或添加溶剂，它更‘绿色’，也更容易在煤矿这种特殊环境下安全、连续地运行。关键在于，我们能否为它找到一颗强大的‘心脏’——高性能吸附材料。材料一旦取得突破，整个技术体系就能向工业应用跨出一大步。”

　　以往科学家们研究过包括活性炭吸附剂，金属有机框架材料等吸附剂，但都因成本和工艺的限制无法实现大规模工业应用。要想在此基础上实现突破，李晋平教授团队必须从零开始，从低浓度甲烷吸附－分离的基础模型与热力学、动力学机理入手，以扎实的基础理论原始创新，来撬动新型吸附剂的开发与工程实践。

　　逆向思维：变“筛氮”为“亲甲烷”，巧妙调控材料表面离子。传统的沸石分子筛其表面往往带有大量的平衡离子，会对氮气分子产生额外的吸附作用，这反而不利于从氮气背景中“抓”出甲烷。

　　李晋平教授团队巧妙地运用了“逆向思维”：“我们想到，如果能调整沸石分子筛的‘基因’，也就是硅和铝的比例，就能改变材料平衡离子数量。”他解释道，通过精确调控硅铝比，使材料骨架整体电性趋于中性，从而显著削弱了对氮气的“额外关照”。这一转变，相当于变相提升了材料对甲烷的亲和力，使吸附目标更好的集中于甲烷，从根本上扭转了分离的思路。

　　精雕细琢：为甲烷分子打造专属“座椅”。确定了“亲甲烷”的战略方向后，下一步是如何让材料的“筛选”动作足够精准。李晋平对此作了一个形象的比喻：“这就像为甲烷分子量身定做一把‘座椅’，关键尺寸必须分毫不差。”团队通过精密合成控制，将吸附材料的孔道尺寸精确调控在约0.38纳米。这个尺寸刚好允许一个甲烷分子“舒适”地嵌入，而尺寸和动力学直径略有差异的氮气分子则被有效排除。这种在分子尺度上的精准识别，为实现高效分离奠定了基础。

　　结构革命：纳米尺度修“高速”，晶种诱导促生长。然而，微孔道在实现精准筛选的同时，也出现了孔道被第一个甲烷分子卡住入口后其他的分子也无法通过的窘境。这一现象导致气体扩散阻力大、吸附容量低、脱附困难等一系列问题。为此李晋平教授团队在纳米尺度上对材料的晶体结构进行了一场“革命性”的设计。

　　“我们采用晶种诱导迭代生长这一先进工艺，把较大的晶体纳米化。成功制备出了由众多纳米晶粒自组装而成的、类似‘红血球’的独特微观结构。”他进一步解释，这种结构的关键优势在于，纳米晶粒之间的缝隙自然形成了无数介孔通道，犹如在材料内部修建了四通八达的“高速公路网”，使得甲烷气体能够迅速抵达内部的每一个吸附位点，实现了吸附容量与扩散速率的双提升。

　　2021年4月30日，中国石油和化学工业联合会组织专家在北京召开了“沸石分子筛CH₄／N₂分离吸附剂创制及低浓度煤层气富集成套技术”科技成果鉴定会。鉴定委员会专家一致认为，该技术创新性强，指标先进，低浓度煤层气富集技术达到了国际领先水平，同意通过鉴定。从基础理论的原始创新，到吸附材料的分子设计，再到宏观结构的巧妙调控，李晋平教授团队完成了一场贯穿微观与宏观、理论与实践的完整科技攻关，为煤层气的全浓度梯级提质利用奠定了坚实的核心技术基础。

　　落地生金——从实验室走向产业链

　　“我在团队中最大的贡献，就是让整个团队能几十年来谋定一个目标不乱跑，坚守主攻方向。用长期主义，潜心做对国家和社会真正有意义、能落地的事情。不以论文数量论英雄，而以技术能否真正工业化、能否推动行业进步和国家战略作为最终衡量标准。”回顾数十载风雨科研路，李晋平教授总结道。

　　随着煤层气提质利用项目的不断深入推进，一个个曾经看似不可逾越的技术壁垒被逐一攻克，一项项繁琐的工艺流程在持续优化中趋于完美。更重要的是，在这一漫长的攻坚过程中，团队培养锻造出了一大批兼具理论基础和工程能力的优秀青年科技人才，形成了结构合理、薪火相传的科研梯队。

　　尤为可贵的是，李晋平教授团队践行了一种“一张蓝图绘到底”的穿透式科研模式，真正实现了从基础理论原始创新到关键技术突破，再到最终工业化应用的完整闭环，圆满兑现了项目立项之初所设定的助力国家温室气体减排与煤层气有效资源化利用的初心和使命。

　　正是在这份坚守下，2023年10月24日，由山西省阳城县阳泰集团实业有限公司委托太原理工大学研发的“移动撬装式低浓度煤层气提浓装置示范工程项目”，在阳城县正式顺利通过结题验收。装置的成功运行，不仅标志着李晋平教授团队十余年的心血结晶终于成功实现商业化落地，更是“政产学研用”深度协同融合创新的典范之作。

　　项目通过成果转让方式，使科研团队获得了合理的回报，反哺进一步的深入研究，形成了“技术突破－产业应用－收益反馈－再创新”的可持续良性循环。

　　杨江峰，太原理工大学化学与化工学院教授、该项目执行负责人。他在总结该项目取得的辉煌成就时，自豪地指出该项目成功实现了“五个第一”，即第一次将硅铝沸石分子筛应用于瓦斯富集工业示范，第一次提出并实现疏水型吸附剂用于含水瓦斯富集，第一次采用液环压缩机安全提升瓦斯的压力，第一次设计含氧低浓度瓦斯增压后提浓技术，第一次实现2%－6%的利用填补了该段浓度瓦斯的利用空白。

　　同时，该示范工程展现出引人瞩目的“五大优势”：即吸附剂兼具绝缘和非燃烧性，吸附剂兼具耐水性和抑爆性，模拟细水雾输送及增压机制，极大提升低浓瓦斯提浓效率，完美实现全域煤层气的利用。

　　丰硕的成果也赢得了学界与业界的广泛认可和高度评价，团队先后荣获2019年度山西省自然科学一等奖(获奖项目：甲烷和低碳烃吸附剂研究)、2021年度中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖(获奖项目：沸石分子筛CH₄／N₂分离吸附剂创制及低浓度煤层气富集成套技术)和2021年度山西省自然科学一等奖(获奖项目：分子辨识的低碳烃吸附分离材料创制与性能调控)。

　　2024年12月1日，生态环境部和国家市场监督管理总局联合发布了新修订的《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准》(GB21522—2024)。新标准明确规定，自2027年4月1日起，甲烷的排放浓度限值将从现行的30%大幅收紧至8%。这一环保法规的落地，为煤炭行业带来了严峻的减排挑战。

　　李晋平教授对此充满信心：“新标准的出台，正是我们这项技术价值的‘试金石’和‘助推器’。它意味着，过去大量浓度在8%到30%之间、利用经济性不高的瓦斯，未来必须进行高效富集处理。我们研发的梯级提浓技术，恰恰能为行业提供一条完全符合新规的解决方案，这必将极大地推动技术的规模化应用。”

　　记者手记：

　　2025年7月8日，习近平总书记在山西考察时强调：“能源转型，不是简单把煤炭产量、消费量减下来，而是要在扛牢国家电煤保供责任前提下，推动煤炭清洁低碳发展、多元化利用、综合储运，加快绿色低碳技术攻关，推动煤炭产业由低端向高端、煤炭产品由初级燃料向高价值产品攀升”。

　　李晋平教授团队“煤层气梯级提质利用”的研究思路和科研成果，与这一重要指示精神高度契合。该技术充分立足山西自身的资源产业基础，将曾经被直接排放或简单燃烧的煤层气，通过科技创新实现了从“燃料”到“原料”的梯级增值利用，真正做到了“变废为宝”。这不仅是将温室气体减排压力转化为产业发展动力的生动实践，更是推动煤炭产业自身走向清洁低碳、实现高质量发展的具体路径。

　　当前，全球能源格局深刻变革，某些西方国家在气候变化问题上的政策出现倒退。在此复杂背景下，山西作为国家重要的能源基地，加快推进煤层气等非常规天然气的开发利用，不仅是推进能源革命、实现区域绿色转型的关键举措，更是保障国家能源安全、提升自主可控能力、展现全球气候治理领导力的战略支撑。李晋平教授团队在温室气体减排与战略资源回收利用领域取得的这一系列突破性成就，在当下更显难能可贵。

　　|来 源：山西日报 齿轮派融媒体工作室出品