瓦斯發電技術與節能減排探究

申建祥，唐文杰

（1.潞安集團瓦斯研究院，山西 長治046202；2.山西潞安礦業（集團）有限責任公司瓦斯研究院，山西 長治046000）

瓦斯發電是一種新能源發電技術，其主要是借助瓦斯燃燒來將熱能轉化為電能。作為一種新興的新能源發電技術，在節能減排和環境的保護等方面發揮著重要作用，對發電產業的發展以及能源的利用等意義重大。

1 瓦斯發電發展概述

瓦斯是一種非常規的天然氣體類型，主要是煤礦采煤過程所散發有害的氣體，其主要的成分是甲烷，具有無色、無味、易爆和易燃等特點。如果空氣內甲烷的濃度（體積分數）在10%時，再遇到明火就易出現爆炸，但也是一種具有高利用價值的潔凈性能源。在傳統的瓦斯發電中，主要是借助燃氣輪機進行發電，對瓦斯進行加壓，在高溫加壓的狀態下達到爆炸上限。一般來說，燃氣輪機在發電中對瓦斯的濃度要求比較高，這對壓縮設備其壓縮量和功耗會增加。而在內燃機的瓦斯發電出現后，則超過30%濃度（體積分數）的瓦斯實現了使用，現階段內燃機的瓦斯發電逐漸得到了市場廣泛使用，同時隨著對新能源不斷的開發，則內燃機的發電機組也對瓦斯的濃度具有更好的適應性，其機組單機的容量逐漸發生增大，且自動化的水平也逐漸提高[1]。

2 瓦斯發電技術的應用

2.1 燃氣輪機瓦斯發電

煤層上直接進行瓦斯氣的鉆孔開采，則甲烷的濃度比較高，且危險系數也比較低，能夠通過加壓罐裝進行運輸，也能夠通過遠距離管道進行輸送。

對于燃氣輪機來說，其是將空氣和燃氣當作工質的一種旋轉式發動機，是由飛機中噴氣式的發動機逐漸演變的，主要包括燃氣輪機、壓氣機和燃燒室三部分結構。其工作原理主要是葉輪式的壓縮機先從外部進行對空氣的吸收，再壓縮后送到燃燒室內，并且氣體燃料也同時噴入到燃燒室內，和高溫壓縮的空氣進行混合，在定壓條件下燃燒。后生成高溫高壓的煙氣，進入到燃氣輪機內膨脹進行做功，來推動動力葉片發生高速旋轉，從而對發電機實現驅動發電[2]。

2.2 內燃機瓦斯發電

瓦斯發電技術的不斷發展，逐漸出現了內燃機的瓦斯發電技術，此技術具有啟動時間短、燃氣的供氣壓力比較低、發電效率高、系統簡單和運行靈活等特點，同時還可以通過設置余熱鍋爐和蒸汽輪機進行聯合發電。盡管系統比較復雜，但有效地提升了燃氣利用的效率。

對于內燃機瓦斯發電機組來說，發電的原理主要是空氣通過濾清器過濾后，進入到渦輪增壓器進行增壓，再導入到內燃機的氣缸混合器內，且瓦斯通過壓力的調節閥后進入到混合器內，兩者發生混合；借助電子點火進行爆燃做功，來推動活塞移動以及曲軸轉動，所產生的動力帶動發電機工作；再通過發電機把動能轉換電能；最后通過輸變電裝置完成電能的輸出。一般為了確保內燃機以及發電機等兩大主機能夠正常運行，還需要進行電氣系統、燃氣儲存系統、加壓與處理系統和循環冷卻系統等一些輔助性系統配置[3]。

2.3 乏風瓦斯發電

在進行煤炭的開采中，要使工作人員呼吸到新鮮的空氣，需要朝井下進行傳送清潔空氣。此時由井下通風位置所排廢氣內就存在微量的瓦斯，容易導致大氣污染以及能源浪費。而乏風瓦斯的發電就是把瓦斯濃度超過0.2%乏風向氧化器內置入，并實施燃燒，通過燃燒的能量進行瓦斯銷毀，同時借助燃燒產生的余熱進行熱水制取，并實現汽輪機發電。

3 瓦斯發電技術的節能減排

3.1 瓦斯預處理

在瓦斯發電技術使用中，瓦斯的預處理是重要的環節。瓦斯內往往含有很多水分、粉塵、硅氧烷和硫化物等復雜性的氣體，通過瓦斯預處理就能夠對其實施有效地凈化。完成處理后，將其輸送到內燃發電機內實施發電。在瓦斯預處理中，先要把瓦斯放在除濕性過濾器內實施脫水處理，將氣體內水分降低；再借助過濾功能將氣體內一些粉塵進行處理，接著將瓦斯放在羅茨的風機內，對氣體實施加壓處理；再使用冷卻器冷凍的功能將氣體內有害氣體實施冷凝，達到脫硫的目的；最后使用精密性過濾器，將氣體實施較為精密性的過濾處理，后輸送至內燃發電機內實施發電。在瓦斯預處理中，其系統內一般具備自動化穩壓功能，能夠對內燃發電機內供氣壓力進行穩定。在此系統內還具備氣體溫度調節裝置和風機超壓保護性裝置，從而保證氣體溫度和壓力滿足內燃機的實際要求[4]。

3.2 余熱回收

在瓦斯內甲烷的含量超過30%時，則內燃發電機方可實現正常性工作。在瓦斯燃燒時，其內燃發動機排出煙氣的溫度一般會超過400℃。若將此類煙氣直接性向外排放，不僅對周圍環境造成污染，還導致這些煙氣熱能浪費，因此在瓦斯發電技術中就進行了余熱回收系統的設置。通過余熱回收系統，借助余熱鍋爐能對部分熱量實現回收，后再將內燃機內排出的余熱產生蒸汽，從而借助這些蒸汽提供生活和生產需要，最后再將換熱后的氣體接排放到大氣內，實現了節能環保的目的。

3.3 控制進入發電機前瓦斯氣體的濃度和氣量

在瓦斯發電時，如果瓦斯濃度或者氣流量出現減少時，發電機組的轉速和發出的電能頻率就會降低，甚至可能會導致內燃機出現失速和停機現象。如果瓦斯濃度或者氣流量出現持續性增大，會增加發電機組的轉速，實現發出電能頻率提升[5]。但如果瓦斯氣量以及濃度增大，還會導致其燃燒效率下降，進而導致能源浪費。因此這就需要做好對瓦斯濃度以及流量的合理控制，通過對瓦斯參數的測定，來進行DCS的控制平臺和線性控制的策略制定，從而對瓦斯的氣量以及濃度實施調節，達到節能減排的效果。

4 結語

瓦斯發電技術是一種新型的新能源發電技術，在節能減排方面具有著顯著效果，為了更好發揮瓦斯發電技術的作用，還需要對此技術不斷進行探索和研究，也是其技術發展中需要重點關注的內容。