煤礦瓦斯發電技術研究

齊永建

(山西晉城煤業集團沁水晉煤瓦斯發電公司，山西 048000)

煤礦瓦斯發電技術研究

齊永建

(山西晉城煤業集團沁水晉煤瓦斯發電公司，山西 048000)

本文根據煤礦高、低濃度瓦斯與乏風發電的設備及技術創新成果，就高濃瓦斯發電中熱能的綜合利用、內燃機發電技術，低濃瓦斯發電過程中低濃瓦斯的安全輸送技術，乏風的利用技術等進行了細致分析，有利于進行適合的煤礦瓦斯發電方案選擇。

高濃瓦斯 低濃瓦斯 乏風 內燃機

1 高濃度瓦斯發電

瓦斯濃度30%以上的高濃度瓦斯便于儲存和遠距離輸送，可將不同氣源點的瓦斯通過管路輸送至某地，集中建設大型瓦斯發電廠，如山西晉城地區已建成裝機容量120MW的國內最大的瓦斯發電廠，也可在氣源點附近就近利用建設小型電站。

1.1 高濃度瓦斯發電流程

由于內燃機具有適用瓦斯濃度的范圍比較寬，維護和保養方便等優點，在煤礦瓦斯發電領域已經廣泛推廣使用，利用內燃機瓦斯發電流程如圖1。

圖1 內燃機瓦斯發電流程圖

內燃機發電熱效率雖然可達40%左右，相對較高，但仍有約35%～40%左右的熱能通過燃機尾氣和缸套水散熱被排放掉，這部分熱能如不充分利用將會對環境造成熱污染和資源的浪費。對此高濃度瓦斯發電要根據實際情況充分考慮余熱的利用，利用內燃機500℃以上的高溫尾氣通過余熱鍋爐，產生高溫蒸汽驅動汽輪機發電。利用90℃左右的缸套水通過板換換熱給居民區供暖。經過余熱的充分回收利用，瓦斯氣中所蘊含的熱能80%以上可得到利用。

1.2 內燃機發電技術

不同廠家生產的內燃機雖有一定的差異但結構基本相同，一般都包含燃氣進排氣系統、點燃系統、冷卻系統、潤滑系統、控制系統五大系統。燃氣進排氣系統包括燃氣、空氣過濾器，計量閥，節流閥和進排氣門等，燃氣、空氣通過凈化過濾后充分混合進入燃機缸內燃燒將熱能轉化為動能，推動活塞帶動連桿、曲軸運動輸出功率。冷卻系統通過缸套水泵、中冷水泵的工作使冷卻液在散熱水箱與燃機本體間不斷循環，為燃機缸體、瓦斯氣、機油進行冷卻。點燃系統通過點火變壓器、火花塞的工作點燃缸內混合氣。潤滑系統通過機油泵將潤滑油送至燃機連桿瓦、曲軸瓦等轉動部件對其進行潤滑降溫?？刂葡到y通過控制計量閥、節流閥等閥門動作自動調整瓦斯氣進氣量，使其與空氣充分混合后濃度達到6%～8%，進入缸內進行燃燒。通過監測燃氣進氣壓力、溫度傳感器，機油溫度、壓力傳感器，發動機速度正時傳感器，爆燃傳感器等采集到的各類信號控制燃機各系統的協調工作、監測燃機的運行狀態。

2 低濃度瓦斯發電技術

2.1 低濃度瓦發電簡述

我國煤礦所抽采的瓦斯60%以上為濃度30%以下的低濃斯。以前根據煤礦安全工作規程規定，利用瓦斯時，瓦斯濃度不得低于30%，因此大量的低濃瓦斯得不到有效利用。隨著低濃瓦斯輸送、發電技術的不斷發展，目前新版煤礦安全工作規程關于濃度低于30%的瓦斯的相關規定已更改為“不得做為燃氣直接燃燒，用于內燃機發電或作其它用途時，瓦斯的利用、輸送必須按有關標準的規定”為低濃度瓦斯利用從制度上掃清了障礙。

2.2 低濃度瓦斯發電

低濃度瓦斯發電與高濃瓦發電的最大區別是低濃度瓦斯進入機組前不允許設立儲氣罐，必須經過安全輸送系統的傳輸，才能經瓦斯預處理系統脫水、除雜后供內燃機使用。實現低濃度瓦斯安全輸送的主要方法有細水霧安全輸送、水蒸汽安全輸送、氣水二相流安全輸送、惰化激活安全輸送等幾種，工作原理不盡相同，目的都是為解決低濃度瓦斯在輸送過程中一旦遇火爆炸問題，實現阻火、防爆和抑爆。細水霧輸送技術已經過了工業試驗，2005年世界第一座利用內燃機經過細水霧輸送的低濃度瓦斯發電站在淮南謝一礦投運。

細水霧輸送裝置主要有截止閥、濕式阻火泄爆裝置、泄壓溢流閥、水霧發生器、脫水器、循環水泵與管道組成。煤礦瓦斯抽放泵站輸出的瓦斯首先經過濕式阻火泄爆裝置，再經過金屬波紋帶瓦斯管道專用阻火器，隨后經過管道細水霧阻火，細水霧與煤礦瓦斯在管道內混合輸送，管路末端脫水裝置將混合在瓦斯中的水份脫出。細水霧發生器在管道上的設置距離不準超過20m，水霧霧珠直徑小于400μm。由于低濃度瓦斯不允許儲存，因此需在瓦斯管路上設置放散閥門，根據機組瓦斯用量情況，及時調整瓦斯輸送壓力，多余氣體及時排空。經過這些安全措施的保障，最終低濃瓦斯即可被送至內燃機，實現瓦斯發電。

細水霧輸送雖然解決了低濃度瓦斯的輸送問題，但仍然存在一定的局限性，低濃度瓦斯不便于長距離輸送，只能在氣源點附近就近利用。

3 乏風發電技術

礦井乏風是煤礦瓦斯最難利用的部分，主要障礙是流量大，濃度低。乏風在發電上的利用方式主要兩種：(1)作為輔助燃料助燃，將乏風替代空氣，以減少主燃料的使用。如將乏風送入內燃機、燃氣輪機等。(2)做為主燃料，利用熱逆流氧化技術或熱逆流氧化催化技術利用甲烷氧化產生的熱量使水加熱從而帶動汽輪機發電。

3.1 乏風輔助燃燒

單位體積乏風中瓦斯濃度含量非常低，一般為0.5%左右，如不能大量利用，經濟效益與環保意義都不大。乏風替代空氣助燃內燃機、燃氣輪機、瓦斯鍋爐理論上可行，但除去瓦斯鍋爐對空氣的潔凈度要求不高外，內燃機、燃氣輪機對空氣中雜質都有一定的要求。多數內燃機要求空氣中灰塵直徑需小于1μm，但乏風做為礦井的回風，其中攜帶了大量的煤塵，如何有效的去除煤塵是困擾乏風助燃的一個重要問題。例如對晉城礦區寺河礦西風井乏風中攜帶的煤塵進行實驗分析，煤塵顆粒大于1μm的煤塵含量為48.23 mg /m3，乏風助燃某型單機功率1800kW進口內燃機組為例相關數據如表1。

表1 某型單機功率1800kW進口內燃機組相關數據

通過表1可看出，如利用風井所產生的乏風給單機功率1800kW燃機助燃，可供60臺燃機使用，24小時可利用瓦斯5.8萬標m3，但24小時乏風所攜帶的煤塵量也高達625.4kg，大量的煤塵會堵塞空氣濾網，使燃機不能正常進氣。如何高效除塵是制約乏風助燃的一個關鍵問題，需進一步尋求更加高效方便的除塵方式。

3.2 乏風氧化

乏風氧化處理裝置從原理上分為兩種，逆流式瓦斯氧化裝置與逆流式瓦斯催化氧化裝置，其主要工藝區別在于采用氧化催化劑能夠使甲烷的氧化過程在350～800℃的溫度下進行，否則甲烷氧化將在800～1000℃進行。國、內外雖然都對觸媒式甲烷氧化裝置進行了大量研究，但催化氧化裝置仍存在催化劑活性、穩定性難以保證等問題，若乏風中含硫則催化劑易中毒、壽命短，成本高，另外在氧化反應溫度降低的同時也減少了熱量的回收利用率。目前投入工業使用的主要是逆流式瓦斯熱氧化裝置，已建成、投運多座示范電站。

逆流式瓦斯熱氧化裝置工作原理：首先將蓄熱陶瓷氧化床加熱到800～1000℃的高溫，乏風中的甲烷在反應器中氧化釋放熱量，利用釋放的熱量實現蓄熱和余熱的交替轉換，送入反應器的氣體不斷變換運動方向，使進氣在蓄熱器中吸熱升溫，以保證氧化過程的自維持。乏風氧化產生的熱量除去自維持外，其余熱量以高溫煙氣的方式帶入余熱鍋爐，加熱余熱鍋爐中的水產生高溫過熱蒸汽，帶動汽輪機發電。乏風氧化技術由于設備結構較簡單，乏風處理量大，瓦斯利用效果比較好越來越得到企業的重視。2007年阜新礦業集團王營礦投運處理量為12500m3/h的國內自主研發的逆流式瓦斯熱氧化裝置，成功產出飽和蒸汽。2014年潞安集團高河煤礦，利用乏風氧化釋放的熱量給水加熱產出過熱蒸汽驅動汽輪機發電，建成世界最大的裝機容量30MW的乏風發電站。

[1] 高增麗，高振強，劉永啟，蘇慶泉，礦井乏風瓦斯治理利用現狀與發展[J].冶金能源，2010,5：43-46.

[2] 張國昌，煤礦瓦斯發電技術綜述[J].車用發動機2008, 5：9-15.

[3] 李磊，低濃瓦斯發電技術研究與展望,礦業安全與環保[J].2014，41(2):86-89.

[4] 賈劍，乏風氧化及余熱利用技術在山西潞安高河煤礦的應用[J].礦業安全與環保，2014,41(6)：68-27.

[5] 王玉麟，王君杰.低濃瓦斯綜合利用新技術研究[R].全國暖通空調制冷學術年會論文集，2010.

(責任編輯 黃 嵐)

Study on CMM Power Generation Technology

QI Yongjian

(Qinshui JAMG Gas Power Generation Company, Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Shanxi 048000)

On the basis of the power generation equipment and technology innovation for CMM with high and low concentration as well as VAM, the paper analyzes the comprehensive utilization of heat during power generation process of CMM with high concentration, power generation technology of internal combustion engine, safety transportation technology of CMM with low concentration during power generation process, VAM utilization technology, etc., which will help to select a suitable utilization plan.

CMM with high concentration; CMM with low concentration; VAM; internal combustion engine

齊永建，山西晉城煤業集團沁水晉煤瓦斯發電公司。