低濃度煤層氣發電技術的應用研究

楊根盛

（神華集團有限責任公司，北京市東城區，100011）

煤層氣 （俗稱煤礦瓦斯）是賦存于煤層中的一種非常規天然氣，由于其儲量豐富，被稱為 “第二煤炭資源”。煤層氣在煤礦開采過程中大量生成，但因其組分構成復雜，濃度很低，利用難度較大，已經成為煤礦安全生產過程中的重要隱患。

據統計資料顯示，我國煤礦煤層氣儲量約為35萬億m3，折合標準煤約為450億t。我國有超過150億m3／a的甲烷通過通風瓦斯直接排空，占我國煤礦生產煤層氣總量的84%，折合標準煤約為1850萬t／a，相當于排放約2億t的二氧化碳所產生的溫室效應，如此巨大的溫室氣體排放對大氣造成了很大影響，同時也造成了巨大的能源浪費。因此，如何清潔高效地利用這些資源，已成為我國煤炭行業的一個重要挑戰。

目前，煤層氣的利用在生產工業燃料、化工產品等方面都不太理想，主要是由于其成分復雜多變，且濃度較低。低濃度煤層氣發電技術作為一種新型的煤層氣利用途徑，通過燃燒煤層氣將其熱能轉化為電能，既生產電力能源，又減少環境污染，正在成為煤層氣利用的一種主要方式。

1 煤層氣開采利用現狀

煤層氣中CH4含量的多少決定了其利用價值的高低。由于煤層氣開采方式的不同，煤層氣中的CH4含量也存在明顯差異，如表1所示。我國90%以上的煤層氣是CH4含量低于25%的低濃度煤層氣，直接排空造成的經濟損失和環境危害十分巨大，因此低濃度煤層氣的綜合利用是煤層氣利用的主要方面。

表1 我國不同開采方式的煤層氣中CH4含量

2 煤層氣發電的技術及工藝

2.1 煤層氣發電技術難點

從煤礦開采出來的煤層氣氣體十分不穩定，其濃度不斷變化，當CH4含量在5%～16%時，很容易導致煤層氣爆炸，出現安全事故。而在實際開采過程中，我國約90%的礦井抽排出的煤層氣屬于低濃度煤層氣，CH4含量低于30%。因此，如何讓設備自動適應煤層氣濃度變化以及如何安全輸運低濃度煤層氣就成為低濃度煤層氣發電技術需要解決的兩個關鍵問題。

2.2 煤層氣發電技術的發展

20世紀80年代后期，美國、澳大利亞等國家開始利用燃氣輪機進行煤層氣發電，但是其對煤層氣體積分數要求較高，一般在40%以上。我國首個煤層氣發電項目是遼寧撫順的老虎臺電站，其煤層氣體積分數也高達40.4%。

由于燃氣輪機煤層氣發電技術對于煤層氣濃度的要求較為苛刻，且其建設的一次性投資大、建設周期長，只適合煤層氣產量較大且氣體成分較為穩定的礦井。因此，燃氣輪機煤層氣發電技術的推廣應用受礦井類型的限制十分明顯，且對廣泛存在的低濃度煤層氣適用性較差。

為了解決低濃度煤層氣的利用難題，并且避免燃氣輪機煤層氣發電技術對礦井氣源適應性較差的問題，內燃機煤層氣發電技術應運而生。在國外，內燃機煤層氣發電技術由天然氣或者沼氣為燃料的發電機組基礎上發展改進而來。由于需要自動適應煤層氣濃度變化的技術以及解決安全輸運低濃度煤層氣等技術難題，并且一般要求煤層氣氣體的體積分數大于25%，因此內燃機煤層氣發電技術在國外的工業應用機型較少。

在國內，勝利集團應用電控技術、預燃技術以及數字化點火技術等先進技術，可以根據煤層氣濃度的變化自動調節混合氣的空燃比例，較好地解決了內燃機的煤層氣濃度適應性難題，能夠使用體積分數為6%～30%的低濃度煤層氣進行發電。目前，國內常見的煤層氣發電機組主要技術參數見表2。

表2 煤層氣發電機組技術參數比較

從表2中可以看出，國產的內燃機煤層氣發電機組具有明顯的技術優勢，不僅系統較為簡單，而且利用瓦斯的體積分數范圍比國外設備大，可以作為主流的低濃度煤層氣發電技術進行大面積推廣。

2.3 煤層氣發電設備

目前，煤層氣發電設備主要有燃氣輪機和內燃機兩種。其中，燃氣輪機或蒸汽輪機發電比較適合高濃度煤層氣，只適合煤層氣產量大且氣體成分較穩定的大型礦井，熱效率一般小于30%。由于其要求煤層氣壓力達到1 MPa以上，因此必須配套多級壓縮機提升煤層氣壓力，達到高溫高壓時很容易發生爆炸。因此如果煤層氣體積分數低于35%，就不能運行。此外，低濃度煤層氣也會對壓縮機提出更高要求，從而導致功耗增加，投資效益變差。

內燃機的燃燒過程在封閉的燃燒室內進行，對煤層氣的壓力及濃度要求較低，由于內燃機發電設備的投資較少，建設周期短，且功率范圍可根據煤層氣產量的大小確定，內燃機發電設備移動較為方便，因此非常適合各種大、中、小型煤礦。這是解決低濃度煤層氣應用難題的首選途徑。但是內燃機存在進氣管回火的問題，如果不能消除回火，那么將有可能使爆炸范圍內的低濃度煤層氣發生爆炸。目前，常用瓦斯管道阻火器、濕式液位自控水封阻火技術、瓦斯細水霧滅火技術等方式來消除回火，效果非常理想。

2.4 煤層氣發電工藝

現階段煤層氣發電成熟工藝有3種：燃氣鍋爐帶蒸汽輪機發電、燃氣輪機發電、燃氣內燃機發電。煤層氣發電裝置的技術經濟性對比見表3。

由于井下抽采出的煤層氣濃度變化范圍較大，其組分濃度會隨著工作面的推進、煤層的不同而出現波動，采用燃氣內燃機發電機組能夠提高煤層氣的利用率和發電效率，從而更為靈活地適應各類煤礦的煤層氣組分和濃度的波動情況。隨著內燃機煤層氣發電技術的應用，將以前直接排空的低濃度煤層氣燃燒轉化為電能，既避免了資源浪費，又減少了環境污染。

3 煤層氣發電電價效益測算

2009 年，全國利用煤層氣發電量僅為20億kW·h／a，用氣量為7億m3／a，不到煤層氣排放量的7%，因此煤層氣發電具有很大的發展空間。煤層氣發電在一定程度上能夠改善能源結構，實現煤礦資源的綜合利用，具有安全、環保、節能等顯著特點，可以創造良好的經濟效益和社會效益。

按照2007年國家發改委的規定，煤層氣發電的上網電價比照生物質發電的上網電價，即在當地燃煤脫硫上網電價的基礎上增加0.25元／kW·h。2011年，山西省企業的煤層氣發電上網電價為0.509元／kW·h。為此，以1 個裝機容量為5×2000kW 煤層氣發電機組為例，建立電價效益測算模型。假設每臺機組配置8人，總部管理12人，人均工資為5 萬元／a，折舊率為15%，材料及維修費率為10%，貸款利息為8%，得到不同上網電價、不同利用小時條件下的投資收益如圖1所示。

表3 煤層氣發電裝置的技術經濟性對比表

圖1 不同上網電價、不同利用小時條件下的凈利潤

不同上網電價、不同利用小時條件下的投資回收年限如圖2所示。可以看出，煤層氣發電技術相比傳統的發電技術，除了能夠減排溫室氣體，也能夠帶來良好的經濟效益。如果利用小時數能夠達到6000h／a，上網電價大于0.5 元／kW·h，其投資回收年限將為7.08年，遠低于傳統的火力發電廠。1個裝機容量為5×2000kW 的煤層氣發電廠的發電 量 將 達 到6×107kW／a，可 利 用 純 煤 層 氣2042.46萬m3／a，減排二氧化碳26.24萬t／a，創造經濟效益3000萬元／a。

2014年以來，神華集團大力推廣應用煤層氣發電技術，旗下部分煤層氣電廠的經濟參數見表4。

圖2 不同上網電價、不同利用小時條件下的投資回收年限

表4 神華集團部分煤層氣電廠經濟參數

4 結論

煤礦中的低濃度煤層氣，如果直接排空不僅會造成大量的能源浪費，還會生成溫室氣體。利用內燃機煤層氣發電技術可以有效地利用煤礦中的低濃度煤層氣氣體，產生良好的 環境效益和經濟效益。如果內燃機煤層氣發電機組利用小時數超過6000h／a，上網電價大于0.5元／kW·h，則其投資回收年限將遠低于傳統的火力發電機組，具有很強的競爭力。目前，我國低濃度煤層氣氣體利用率不到7%，因此大力推廣內燃機煤層氣氣體發電技術，實現煤礦資源的綜合利用將大有可為。

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