新時期煤礦瓦斯發電技術與發展

達志強

摘要：隨著我國綜合實力的發展，社會發展需要更多的能源，煤礦瓦斯是清潔能源之一，并且在我國境內儲量比較大，產生的經濟效益也比較可觀。瓦斯是煤礦的伴生能源，其成分是甲烷，煤礦瓦斯發電技術不僅能夠充分利用煤礦伴生能源，也能為社會帶來能過的清潔能源，對我國發展有重要意義。本文從煤礦瓦斯發電發展情況入手，分析了不同濃度瓦斯發電技術特點，以及瓦斯發電中的關鍵技術，探討了煤礦瓦斯發電技術發展。

關鍵詞：新時期;煤礦瓦斯;發電技術;發展

我國煤礦數量非常多，每年通過煤礦排放的瓦斯占全球總量的50%。瓦斯不僅是造成全球溫室效應的氣體之一，同時也是燃料的一種。煤礦瓦斯能夠通過一些列技術進行合理利用，能夠極大的減少溫室效應，而且也能為社會提供更多的電力能源，緩解我國能源緊缺的情況。一般而言，瓦斯來自高瓦斯礦的抽放系統、礦井鉆探過程中排放，礦井通風系統攜帶。目前，礦井瓦斯最常用的利用方式就是發電。目前，我國煤礦當中伴生的瓦斯濃度有高有低，其處理技術各有不同，但通過瓦斯發電，利用電力抽取瓦斯進行循環，其發展前景非常可觀。

一、煤礦瓦斯發電發展情況

目前，我國利用瓦斯進行發電使用的技術大多是，燃氣輪機、內燃機、氧化發電。各個煤礦伴生的瓦斯濃度各有不一，有的煤礦瓦斯濃度會比較高，甚至超過30%，有的會低于1%。對于高濃度瓦斯，其開采方式是通過高強度負壓抽出，或者是在地面打井抽出。但是通過煤礦通風系統抽出，或者不同負壓抽出的，大多濃度比較低。另外，燃氣輪機、高精度內燃機是應用在高濃度瓦斯發電的技術，低精度內燃機則用在低濃度瓦斯發電當中，濃度過低的瓦斯發電，則是通過混合高濃度氣體然后進行加熱，在催化氧化設備中發電。

二、不同濃度瓦斯發電技術特點

1、高濃度瓦斯發電技術特點

一般而言，濃度超過30%就是高濃度瓦斯，這種瓦斯比較容易進行儲存和長途運輸，能夠將煤礦瓦斯通過管道輸送到其它地方，通過大型瓦斯發電廠集中利用發電，例如我國山西晉城已經建成120MW的大型瓦斯發電廠。同時也可以在瓦斯抽氣點附近建設小型的發電站。高濃度瓦斯發電技術中普遍使用內燃機，而內燃機在瓦斯發電方面能夠適應的濃度范圍比較廣，而且在后期使用、維護、保養等方面具有明顯優勢。目前內燃機技術已經在瓦斯發電使用率比較高。內燃機發電熱效率在40%，同時會有35%左右的熱能通過尾氣流失，如果放任熱能流失，則會對周邊的環境帶來污染，也會浪費瓦斯資源。所以，高濃度瓦斯發電過程中，要立足具體情況充分利用剩余熱能，將500℃以上的內燃機尾氣輸入到余熱鍋爐，能夠通過高溫蒸汽進行發電，而90℃的余熱尾氣則輸送到暖氣系統中，為周邊居民提供暖氣服務，通過這種方式，能夠有效利用高濃度瓦斯發電中產生的余熱。

在高濃度瓦斯發電過程中使用的內燃機，雖然其生產廠家不同，部分結構也會有不同，但總體而言，其基礎結構是一樣的，都是由燃氣進氣排氣、點燃、冷卻、潤滑、控制幾個系統組成。燃氣進氣排氣系統中包含了燃氣、過濾器、進氣排氣門等，燃氣和空氣通過過濾器融合后，進入到內燃機缸體內燃燒，熱能轉化成動能并推動活塞、連桿等運動，并輸出功率。冷卻系統則是利用缸套、中冷水泵的工作，將冷卻液循環在散熱水箱和燃機之間，實現冷卻的目的。點燃系統則是利用點火變壓器和火花塞實現混合氣體的點燃。潤滑系統則是利用機油泵將潤滑油潤滑的目的。控制系統則是利用計量閥、節流閥的工作，合理調整瓦斯進入量，從而實現瓦斯在混合氣體中的比例為7%左右，在燃氣缸體內燃燒。

2、低濃度瓦斯發電技術特點

我國境內煤礦伴生的瓦斯，一般以上都是30%濃度以下的低濃度瓦斯。另外，我國以前的煤礦安全相關的法規規定，濃度低于30%的瓦斯不能使用，所以我國境內很多低濃度瓦斯沒有進行充分利用。隨著我國科技的發展，低濃度瓦斯發電技術不斷創新，低濃度瓦斯發電已經比較成熟，國內已經建成多個低濃度瓦斯發電站，同時我國相關規定的改進已經為低濃度瓦斯的利用開拓了發展空間。

同比高濃度瓦斯發電技術相比，低濃度瓦斯發電過程中，瓦斯進入發電機組前不能設立儲氣罐，而是必須通過安全輸送系統，才能完成瓦斯預處理，在去除雜質之后進入發電機組。低濃度瓦斯的安全輸送包含了，細水霧、水蒸氣、汽水二相流、惰化激活安全輸送技術，這些輸送技術的原理各有不同，但其最終目的都是解決瓦斯輸送中遇到明火產生危險，從而達成防爆的目的。目前，細水霧安全輸送已經投入使用當中，如我國淮南謝一礦已經投入使用。細水霧安全輸送技術當中使用的設備包含了，截止閥、濕式阻火泄爆設備、泄壓溢流閥、稅務發生器、循環水泵、管道等。而煤礦低濃度瓦斯在抽出之后，先通過濕式阻火泄爆設備，通過帶有阻火器的專用瓦斯管道，經過帶有細水霧阻火的管道，從而實現細水霧和瓦斯的充分混合以及輸送，然后將混合水霧的瓦斯通過脫水裝置將瓦斯中的水分脫出。另外，輸送管道上的細水霧發生器之間的間隔不能超過二十厘米，同時水霧霧珠直徑要小于400～m。根據相關規定，低濃度瓦斯不能設立儲氣罐，所以無法儲存，需要在輸送管道上配置放散閥門，從而根據瓦斯發電機組的具體情況，實時調節瓦斯輸送，同時也需要及時將多余的氣體排出。通過這一系列的安全保障技術，從而將低濃度瓦斯輸送到發電機組中進行發電。雖然細水霧輸送技術能夠實現低濃度瓦斯的輸送，但仍舊存在一些問題，如低濃度瓦斯輸送距離有限，所以，低濃度瓦斯只能就地、就近使用。

3、乏風氧化發電技術特點

煤礦當中的乏風，是煤礦瓦斯當中利用比較困難的瓦斯，其問題是流量大而瓦斯濃度低。目前，煤礦乏風的利用方面有，代替空氣減少燃料的消耗，例如將乏風輸送到內燃機當中;作為主要燃料，通過熱逆流氧化技術等，利用甲烷氧化過程中釋放大量的熱，從而加熱水推動汽輪機進行發電。

乏風氧化技術所用的設備，從原理上而言，分為逆流式瓦斯氧化和逆流式瓦斯催化兩種，二者之間的主要不同之處是，一個是通過氧化催化劑，將甲烷氧化過程放在350-800攝氏度之間，如果不通過氧化催化劑，其氧化過程則在800-1000攝氏度之間。目前，全球都對觸媒式氧化設備進行研究，但氧化催化設備仍舊存在很多問題，如催化劑活性和穩定性都無法保證，如果乏風當中含有硫等元素，就會造成催化劑中毒、成本比較高、使用壽命短等，同時也會降低氧化溫度和熱量回收率。目前，我國工業領域當中普遍使用的是逆流式瓦斯熱氧化技術，而且國內也有多個發電站投入使用。逆流式瓦斯熱氧化技術，是把蓄熱陶瓷楊華創溫度控制在800-1000攝氏度，瓦斯在反應器中快速氧化并釋放熱能，通過熱能的釋放，實現儲熱、余熱的不斷交替，同時通過不斷變換送進反應器的氣體，讓氣體在蓄熱器中快速升溫，確保整個氧化過程的自動循環。瓦斯氧化過程中產生的熱能，除了用于維持氧化過程的循環持續之外，剩下的熱能則以高溫氣體的方式進入余熱鍋爐，加熱鍋爐中的水產生水蒸氣，進而推動汽輪機進行發電。乏風氧化技術所使用的發電設備比較簡單，而且處理量非常客觀，所以這種氧化技術收到了眾多企業的關注。

三、瓦斯發電中的關鍵技術

從瓦斯發電設備而言，燃氣輪機的應用比較適合高濃度瓦斯，而且瓦斯壓力要求在1.0MPa以上，還需要利用壓縮機提升瓦斯壓力。瓦斯在高溫高壓條件下，其燃爆上限、著火范圍都會提升，但瓦斯濃度偏低時就會爆炸，所以，一旦瓦斯濃度低于35%，就不能使用。另外，低濃度瓦斯會加大壓縮機的排量、功耗，造成總體經濟效益的下降。而燃氣內燃機中的燃燒過程在燃燒室內，和外界環境是隔離的。從工作原理上來看，燃氣汽輪機不僅能夠用于高濃度瓦斯，也能用于低濃度瓦斯，成為發動機燃料，但是燃燒過程出現回火則是客觀現象，如果不能避免回火，那么就會引爆周圍的瓦斯。從煤礦瓦斯發電技術來看，其關鍵技術在于瓦斯混合、自動控制、安全阻火等方面，具體如下。

真空鍍膜片混合技術。在甲烷體積在煤層氣中超過75%，那么通過該技術可以調整混合燃氣壓力，以及節流閥的開合程度，能夠隨著功率的變化匹配空氣和燃氣的比例。但是該技術也存在一些問題，如不能自動適應瓦斯濃度變化。但是我國大部分煤礦煤層氣成分相對穩定，而且其變化也比較緩慢，同天然氣類似，所以該技術能夠廣泛應用在瓦斯濃度比較高的煤礦當中;文丘里電控混合技術。該技術是利用了文丘里管的原理，通過空氣在文丘里管道中的負壓力，實現瓦斯進入混合器。如果瓦斯濃度產生改變的時候，該技術能夠自動進行調控，改變混合器通道的開口大小，改變混合氣中瓦斯的濃度。這種混合器能夠適應瓦斯體積30-50%和45-75%的需要;雙碟門電控混合技術。該技術一般應用于低濃度瓦斯，一般情況下，瓦斯體積分數25%，空氣和瓦斯體積比是3：1，瓦斯體積分數10%，空氣和瓦斯體積比為9：1。但是一般的混合器滿足不了如此低濃度的混合需求，但該技術適應范圍比較寬泛，能夠適應瓦斯體積分數6-30%的混合;瓦斯低壓進氣混合技術，對于濃度比較高的煤礦瓦斯，可以利用增壓混合的方式進行混合。煤礦瓦斯抽出的壓力大多在10KPA，其體積分數為10-55%，適合瓦斯和空氣增壓預混，這種方式瓦斯0壓力就能滿足混合要求，所以，整個發電機組的供氣壓力保持在3-5KPA就能維持運行，具有很高的投資價值;TEM電子管理技術。該技術是通過計算機技術，實現各種數據的采集、顯示、控制、報警、記錄、通訊等功能，計算機在讀取發動機功率轉速等數據的情況下，發出相應的信號控制混合器電機，從而實現調整空氣和瓦斯的進氣量，確保混合氣濃度在一定范圍內;瓦斯阻火技術。該技術的原理是，火焰在金屬板材質的狹窄通道中通過，因為火焰表面的化學反應和散熱不匹配，而造成火焰熄滅。火焰通過一定的速度進入金屬板之間，因為火焰非常接近狹縫冷壁，化學反應中的自由基和自由原子與冷壁相互碰撞，這個過程等同于熱量流向冷壁邊界，進而成為熄火層，伴隨火焰的通過，熄火層變大變厚，最終實現火焰熄滅的效果;濕式液位自控水封阻火技術。該技術原理是火焰通過水層，能量被吸收而實現滅火效果;瓦斯細水霧滅火技術，該技術滅火主要從冷卻和稀釋入手，冷卻方面體現在，細水霧顆粒比較小，但表面積更大，受熱會快速氣化，水霧在氣化當中，從燃燒的火焰中吸取熱量，降低燃燒區域溫度，直至講到燃燒臨界溫度以下，從而終端燃燒。稀釋的方面體現在，火焰通過細水霧過程中，細水霧被蒸發成蒸汽，從液態變為氣態，其表面積膨脹1700多倍，拉大了燃燒分子之間的距離，從而實現滅火的效果。

四、煤礦瓦斯發電技術發展前景

目前，我國燃氣機輪技術進行發電所使用的燃料都是高熱值的可燃氣體，但是濃度比較低的瓦斯則無法充分利用，所以我國燃氣輪機將會發展該方面的可能性，從不斷改進機械結構等，讓燃氣輪機能夠適應濃度范圍更加廣泛的瓦斯，這樣才能有效利用煤礦瓦斯能源。就當前低濃度瓦斯利用情況來看，仍舊有非常多的問題，如將濃度不同的煤礦瓦斯進行混合，從而提高瓦斯的濃度，這個問題涉及的技術問題就非常多，也需要進一步探索，提高混合瓦斯的安全性、高效性，最終能夠應用到內燃機發電機組中。從我國電網并網來看，我國小容量電站和電網之間的連接仍舊有比較廣泛的發展空間，需要電網部門盡快解決相關的技術問題，改善小電站入網的技術問題，促使煤礦瓦斯發電能夠在自身利用之余，將多余電量輸送到其它地方，提升能源利用效率。

從瓦斯發電的發展前景來看，瓦斯發電需要的投入小，成本低，回收快速，而且碳排放也比較少，瓦斯發電所產生的經濟、環境、社會等效益非常明顯。而且隨著瓦斯發電技術的發展，其設備的安全性、可靠性等都得到了巨大的提升。但瓦斯發電過程中仍舊有部分制約因素，如當下的瓦斯發電技術大多都適用于高濃度煤礦瓦斯，對于乏風瓦斯的利用技術不夠成熟，部分技術甚至停留在了實驗室，沒有進行商業化，低濃度瓦斯發電技術雖然相對成熟，但瓦斯濃度介于臨界爆炸值范圍內，需要嚴格規瓦斯發電設計及低濃度瓦斯傳輸設計，同時也要需加強防范措施和安全設施。還有部分設備需要依賴進口，而國產設備又不達標。從我國政策方面來看，國家對瓦斯發電的政策支持并不積極，所以政府需要對煤電氣一體化發展又足夠的政策傾斜，才能促進瓦斯發電技術的發展。

結語

綜上所述，隨著我國綜合實力的發展，在節能減排和碳中和的政策背景下，煤礦瓦斯發電技術有助于節能減排，同時也能充分利用我國煤礦伴生的瓦斯資源，并且創造相應的經濟效益。我國煤礦瓦斯儲量大，伴隨發電技術的發展，未來煤礦瓦斯發電市場非常廣闊。

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