煤礦瓦斯發電技術的研究與應用

張軍

【摘要】瓦斯是煤礦開采的衍生品，不利于煤礦的安全開采。瓦斯排放會產生溫室效應，污染環境。煤礦瓦斯發電，既可以有效地解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產，又有利于增加潔凈能源供應、減少溫室氣體排放，達到保護生命、保護資源、保護環境的多重目標。文章針對不同濃度范圍瓦斯的特點，闡述了高濃度和低濃度兩種瓦斯輸送、處理工藝及內燃機發電、余熱利用技術，并論述了瓦斯發電項目設計要點。

【關鍵詞】煤礦瓦斯；發電技術；內燃機；余熱利用；節能減排

煤礦瓦斯是指儲集在煤層中的一種非常規天然氣（主要成分為甲烷），在煤礦開采過程中自動散發出來的一種有害氣體，無色、無味、易燃、易爆。當空氣中甲烷的體積分數達到5%一16%時，遇明火就會發生爆炸。瓦斯是煤礦安全的“殺手”，但同時也是一種潔凈能源，有較高的利用價值，被稱為“第二煤炭資源”。

1 煤礦瓦斯發電技術研究

目前利用煤礦瓦斯發電的主要方式有：燃氣鍋爐汽輪機發電、燃氣輪機發電、燃氣內燃機發電等。由于煤礦瓦斯氣體濃度相對不高，發熱量較低，燃氣輪機、燃氣鍋爐帶汽輪機發電方式系統復雜、占地面積大、發電效率低，不宜采用；另外燃氣輪機對進氣質量、壓力要求高0.9MPa，壓縮溫升使瓦斯濃度易于達到爆炸極限。內燃式瓦斯發電機組具有建站周期短，基建、運行費用低，機組配置靈活等特點，可單臺或多臺并網發電。它相對于燃氣輪機發電及燃氣鍋爐一汽輪機發電來說，具有效率高、燃料氣人口壓力低、單機發電容量小等特點。適用瓦斯濃度范圍為7%～50%、溫度范圍為5～50℃。

1.1 內燃機瓦斯發電技術

內燃式瓦斯發電機組不僅可以燃用高濃度瓦斯，還可以燃用低濃度瓦斯。它通過機組燃氣閉環控制系統，將瓦斯與空氣中的氧自動混合，根據燃燒室容積及壓縮比，對空燃比進行精確控制，保證稀薄燃燒及高效發電做功。自動檢測燃氣進氣溫度、燃氣進氣壓力、燃氣閥后絕對壓力、溫度、功率、轉速、均值排溫等參數，自動調整機組運行工況，適應現場瓦斯濃度及壓力波動，保證機組平穩運行，具有濃度適應范圍廣、抗波動能力強、自動化程度高的特點。內燃式瓦斯發電機組采用了預燃技術和數字點火技術，通過這兩項技術，可以有效地增加點火能量，降低排汽溫度，提高機組效率。

1.2 高濃度瓦斯輸送技術

高濃度瓦斯從抽放站引出經過水封阻火器、氣水分離器及干式阻火器至集裝箱式氣體預處理裝置處理后送至發電機組發電，當瓦斯過剩或機組故障檢修時，瓦斯通過火炬燃燒后排空。

1.2.1 集裝箱式瓦斯預處理工藝

氣體預處理過程是自動控制的。它將瓦斯進行脫水、除塵、冷卻、加壓，并對瓦斯流量、濃度、壓力、溫度、濕度等參數進行監控，根據凝結水水位自動排水和報警。

1.2.2 火炬

瓦斯濃度在30%以上的高濃度瓦斯發電工程，當瓦斯發電機組不能消耗所有的瓦斯氣時或發電機組故障、正常檢修期間，高濃度瓦斯需放空時，自動點燃火炬燃燒后再排放大氣。當瓦斯濃度波動變化，濃度低于30%時，火炬停止工作，瓦斯直接排空。火炬形式為落地封閉式火炬，流量調節范圍根據總的瓦斯流量及機組的配置情況來確定。火炬的處理氣量和燃氣發電機組的用氣量動態匹配。

1.3 低濃度瓦斯輸送技術

低濃度瓦斯從抽放站引出利用水位自控式水封阻火泄爆裝置、絲網過濾器、瓦斯管道專用阻火器、溢流水封阻火泄爆裝置、低溫濕式放散閥及低濃度瓦斯與細水霧混合安全輸送等技術，實現瓦斯的安全輸送，確保機組正常發電。

低濃度瓦斯與細水霧混合安全輸送系統主要包括細水霧發生系統、脫水系統和控制系統，系統主要由濕式阻火泄爆裝置、阻火器、水霧發生器、脫水器、循環水泵、水池及管道閥門組成。

1.4 余熱利用技術

瓦斯發電機組燃燒后的煙氣排放溫度約為500～600℃。為了節能，在每臺機組排氣管道上安裝一臺蒸汽余熱鍋爐，將軟化水通過給水泵送人余熱鍋爐中回收機組的排氣余熱，使排煙溫度降到150℃左右。生成的蒸汽匯集后送至熱用戶，凝結水回收至軟化水箱循環使用。

軟化水系統由過濾器、全自動軟化水裝置、管道泵、軟化水箱等組成，軟化水作為蒸汽余熱鍋爐的補水和發電機組內循環冷卻水系統補水以及霧化水池的補水。

2 煤礦瓦斯發電項目設計應注意的問題

2.1 瓦斯氣源的分析與處理

煤礦瓦斯分高濃度（>30%）瓦斯和低濃度（3%～30%）瓦斯，我國60%以上的瓦斯是低濃度瓦斯。在確定瓦斯發電機組裝機容量前，要分析高、低濃度瓦斯氣量及瓦斯濃度的波動性，為瓦斯機組的選型和容量確定提供可靠的科學依據。

為確保瓦斯發電機組氣源穩定可靠，一般對于高濃度瓦斯設儲氣罐或緩沖罐，由于低濃度瓦斯的易爆性，為了安全起見，低濃度瓦斯不設儲氣罐。高濃度瓦斯可以遠距離輸送，低濃度瓦斯一般就近發電消化。

2.2 機組選型

國產機組主要有勝動集團、中油濟柴的1100kW、1000kw、800kW和500kW系列，進口機組主要有美國卡特彼勒、德國薩爾能源公司的1800kW和2000kW系列。

從機組的綜合技術性能來說，國外設備具有領先水平。從對煤礦瓦斯的適應性來說，國產設備更有優勢。進口機組要求瓦斯濃度必須達到30%以上，要求進氣壓力20kPa以上。而國產機組能適應低濃度低壓力瓦斯。

2.3 設備結構及布置

根據瓦斯氣源的穩定性及電站服務年限確定機組的布置形式。對于氣源穩定可靠、服務年限長的電站，采用室內固定安裝機組，在設計時要充分考慮發電機房的通風散熱、防爆泄爆和噪聲治理問題。對于氣源波動大、服務年限短的發電站，可采用集裝箱式機組。

3 結語

煤礦瓦斯發電不僅節能減排，而且變廢為寶、化害為利，具有可觀的經濟效益、社會效益和環境效益。我國煤礦瓦斯儲量巨大，隨著瓦斯發電技術的日趨成熟，相信利用煤礦瓦斯發電，市場前景廣闊。

參考文獻：

[1]齊芳平.淮南礦區煤礦瓦斯發電項目研究[J].中國煤層氣，2008，5（2）：43-46