淺談低濃度瓦斯發電技術的應用及改進

郭來同

（山東勝動燃氣綜合利用有限責任公司，山東 東營257000）

0 引言

瓦斯化學名稱為甲烷，是附著于煤炭中煤基質顆粒表面或溶解于煤層水中的一類烴類氣體，無色無味且易燃易爆，在煤炭勘探、采集中容易造成事故。甲烷在空氣中的濃度達到5%～16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。但合理利用瓦斯，可以將其轉化為優質產能。我國大多數煤礦使用高負壓、大流量的抽采系統來抽采瓦斯。在政府的支持和扶持下，業內專家學者對低濃度瓦斯發電技術進行了研究和改進，以探索低濃度瓦斯的利用途徑，減少資源浪費。

1 低濃度瓦斯發電技術概述

1.1 發電原理

濃度在30%以下的瓦斯可以通過水環式抽采泵從地下煤層抽采出來，經過安全性較強的輸送管道輸入發電機組缸體，一般應用較多的是500GF1－3RW瓦斯發電機組，在發電機組缸體內經點燃爆炸來推動活塞運動，從而將化學能轉化為機械能并進一步產生電能，使低濃度瓦斯得到充分利用。而基于這樣的原理，一般的發電站或者發電系統主要由氣體輸送系統、冷卻水循環系統、高低壓電氣系統、水霧輸送系統和整個發電機組的監控系統構成，使用全電子控制技術來調控和監測整個發電過程。

1.2 關鍵技術

低濃度瓦斯發電在實際應用中需要幾種核心技術來支撐整個發電過程的順利進行，如可靠性高的阻火技術、全電子控制技術、電控燃氣混合器技術、數字式點燃技術以及瓦斯與空氣混合增壓技術等。

在整個機組系統中，首先要保證運行和氣體傳輸的安全性，因此需要設置安全可靠的阻火器，在發電站總進氣管、機組進氣總管、混合器前的燃氣管線、中冷器與增壓器之間及進氣管調速節氣門間都需分別安裝不同類型的阻火器。另外，在瓦斯輸送時不僅需要保證輸送管道不漏氣、不易燃，還需配置細水霧輸送裝置。安置數量由輸送管道長度和輸送瓦斯規模等多方面因素決定。電控燃氣混合器技術，簡言之，就是通過電子控制技術來調節混合氣的混合比例和空燃比，而瓦斯與空氣混合增壓技術則是需要增壓器和中冷器來促進瓦斯空氣的混合效果和混合比例，提高發電機功率并降低產生的熱負荷。發電技術在不斷改善，目前點火技術上多用電控單元來根據實際情況調控點火時間、點火強度等，確保點火操作處于最佳的環境中。

1.3 主要內容

2004年以來，勝利油田勝利動力機械集團（以下簡為勝動集團）研發成功的“煤礦瓦斯細水霧輸送及發電技術”使低濃度瓦斯發電技術得到了快速發展。新版《煤礦安全規程》對濃度在30%以下的瓦斯用于內燃機發電作出了明確的規定：抽采的瓦斯濃度低于30%時，不得作為燃氣直接燃燒；用于內燃機發電或作其他用途時，瓦斯的利用、輸送必須按有關標準的規定，并制定安全技術措施。一般而言，500GF1－3RW低濃度瓦斯發電機組對瓦斯的基本要求如下：（1）瓦斯濃度＞6%；（2）壓力（調壓閥前）不低于3kPa；（3）進氣溫度≤35℃。

低濃度煤礦瓦斯發電機組于2005年7月2日通過了國家安全總局組織的技術鑒定，2005年12月25日通過了國家安全總局組織的產品鑒定。沒有通過鑒定的機組由于安全不能得到保障及發電技術不過關，不能應用。通常而言，瓦斯發電的設計和改進需要解決2個主要問題：發電機組要適應瓦斯濃度和壓力變化的要求、要保證發電過程和瓦斯抽采輸送過程的安全。

2 低濃度瓦斯發電技術的應用

低濃度瓦斯發電技術經研發和不斷創新之后在我國大部分煤礦中得到應用，在其所有應用形式中，燃氣內燃機式發電最具優勢，其他還有鍋爐與蒸汽輪機發電模式、燃氣輪機與蒸汽輪機發電組合模式。在使用瓦斯發電時，燃氣內燃機式發電模式具有燃燒充分完全、排放有害氣體少、抗爆燃性能好、經濟效益高和混合氣發火范圍廣等絕對性優勢，它除了在勝動集團應用外，還在全國得到了推廣，如東三省、河南、安徽、貴州和重慶等產煤大省。早在2009年，全國瓦斯發電裝機容量就超過了92萬kW。國家發改委在落實煤層氣發電上網加價政策之后，國內相關企業煤層氣發電利用積極性高漲，因此煤層氣發電裝機規模也在逐年上升，技術研發和裝備制造水平不斷提高。

但低濃度瓦斯發電機組在使用中也會出現各種障礙和技術上的不足，如靖遠煤業的煤礦使用的是鍋爐與蒸汽輪機模式，因長期氣量不足而使設備發電效率相對較低，頻繁開關設備也加大了設備的損耗率和故障率，2007年之后，工作效率只在17%左右。同樣，燃氣內燃機式發電技術的應用也存在以上問題，并且機組在維修和保養上更復雜，也更容易出現問題。

3 改進低濃度瓦斯發電技術的措施

3.1 提高瓦斯發電效率

為提高發電效率，在發電機組中可以布置循環式設備，以充分利用機組產生的熱量，且其占地面積小，損耗率降低。對發電機組的增壓室進行改進，如配合小噴流技術進行瓦斯預處理、采用二體增壓閥進行完全封閉提高增壓效果等。不同的瓦斯濃度會產生不同的發電效率，因此，通過摸索最優的搭配得到適合的瓦斯濃度可以改善整體發電效率。

3.2 提高發電及瓦斯運送安全性

從2010年開始，國家安監局頒布了煤礦用非金屬瓦斯輸送管材安全技術條件、瓦斯管道輸送自動阻爆裝置技術條件和細水霧混合安全輸送裝備技術規范等10項低濃度瓦斯輸送和利用標準，一方面規范煤礦安全生產，另一方面也有助于學者進行這些方面的安全性技術研究。采取加強輸送管道的材料安全性、使用專門的漏氣監測裝置、合理配置防火阻爆裝置等措施能使安全事故發生率大大降低。具體如安全設施安設段管道應選用鋼管，其他輸送管道可選用非金屬管，輸送管道材料需進行防腐蝕、防漏氣、防砸壞、防靜電處理。對發電機房和配電室等地配置的照明裝置采用防爆燈具，設應急照明，在變壓器上也要進行瓦斯、過流和速斷等保護。而瓦斯抽采泵房、輸氣站加壓機房和低濃度瓦斯管道系統中所選用的電氣設備、儀表均應滿足礦用防爆要求。非防爆設備和儀表應集中安設到專門的儀表間（或配電間），并采取相應的隔離措施和消防措施。

3.3 提高瓦斯利用度

目前低濃度煤層氣發電技術較成熟，發電機組運行功率一般為400～420kW，投資額約為8000～9500元／kW。在實際應用中，各個煤礦的煤層規模、瓦斯濃度和瓦斯量等情況不同，需要不同功率和利用度高的機組來適應不同情況。可以從瓦斯抽采、輸送和點燃利用全過程來降低瓦斯的損耗，提高可使用瓦斯的數量。或者使用智能控制技術來對瓦斯添加混合進行精確控制，進而提高瓦斯氣體的利用率。對于通風瓦斯，可以經過增壓和濃度濃縮來進行利用，從國內外相關研究成果和實踐經驗中可知，通風瓦斯主要有熱氧化、催化氧化和作為輔助燃料3種利用方式。在這3種利用方式中，熱氧化技術是已實現工業化運行、最為成熟的技術。

4 結語

筆者從國內相關理論研究和實際應用中搜集低濃度瓦斯發電技術的基本資料，并對其應用情況和改進措施進行總結分析。各種改進措施都需要在保證瓦斯輸送和發電過程安全性的基礎上對發電技術進行更新和完善。低濃度瓦斯發電技術能夠將低濃度瓦斯轉化為可利用的電能，不僅可產生較大的經濟效益，更對促進煤礦安全生產、資源有效利用和環境保護有重大貢獻。

［1］王琳.低濃度瓦斯發電技術的改進［J］.煤礦機電，2008（1）

［2］傅國廷.低濃度瓦斯發電技術及應用［J］.煤，2009（11）