從瓦斯發電探析煤礦瓦斯利用的新途徑

華晉焦煤有限責任公司電力分公司 胡建榮

1 引言

煤礦瓦斯發電是指利用煤礦采空區、封閉的巷道或采煤工作面采空區的瓦斯，經過預抽后，在礦井內利用空氣壓縮機或水煤漿燃燒器等設備，將瓦斯由高濃度壓縮成低濃度、高密度的可燃氣體，然后通過燃燒器將可燃氣體與空氣混合燃燒，從而產生電力。瓦斯發電是一項既環保又高效的能源利用技術，具有極高的利用價值，可以作為一種清潔能源進行開發和利用。瓦斯中甲烷占總含量的99.5%以上。

在煤礦生產中，因煤層賦存條件不同而產生不同的瓦斯含量，并且隨著開采深度的增加，其含量也相應增加。同時，由于煤層中存在著許多裂隙、斷層和構造裂隙等發育帶，在一定條件下會使煤層中的瓦斯含量增多。據統計分析我國目前已探明的煤炭儲量中約有30%為瓦斯含量高的煤；若將全國煤礦瓦斯抽采量按50%計算，每年至少可提取煤炭資源總量的50%。我國現有煤礦213萬處，產能10.7億t/年，年產量4.6億t。據有關部門估算目前全國煤礦累計開采煤層中煤炭平均含瓦斯1.13kg/m3；煤層中瓦斯含量在2%～5%，以1m3煤為例，按煤層瓦斯含量10%計算，則每年約有9000萬t～1億t 以上的煤被開采出來[1-2]。

2 煤礦概況

華晉焦煤電力公司發電業務主要為原華晉焦煤有限責任公司瓦斯發電廠所轄業務，主要負責發電一期、發電二期、管網工區三個工區生產運行，并負責監管白家坡低濃度瓦斯發電站和高家山低濃瓦斯發電站的安全管理，建設規模見表1。

3 煤礦瓦斯發電利用優勢

3.1 節約能源，保護環境

與火力發電廠相比，瓦斯發電具有明顯的節約能源，保護環境作用。

首先，從瓦斯的來源上看，由于我國煤炭資源賦存條件復雜、煤種分布不均、煤層透氣性差等因素的影響，煤礦瓦斯形成過程中存在著較多地質災害。瓦斯中含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等多種成分。利用煤礦瓦斯發電，一方面可以防止甲烷等有害氣體泄漏造成的環境污染和爆炸事故，另一方面可以有效地對煤系地層瓦斯進行利用，在開采過程中通過抽采處理后排放到大氣中。

其次，從煤礦瓦斯的特性上看，煤炭是一種不可再生資源，其開采過程中會產生大量的廢棄煤系地層瓦斯。煤礦井下的采空區、封閉巷道或采煤工作面采空區內都存在大量的采空區煤層和煤塵。這些煤層和煤塵中蘊含著大量的甲烷氣體，對環境有較大的危害。然而利用煤礦瓦斯發電，不僅可以實現煤礦采空區甲烷氣體有效利用，而且可以有效地減少煤礦井下廢棄煤系地層中甲烷氣體對環境和周邊居民的影響。

據統計，我國每年因煤炭開采所釋放出來的煤炭熱量占全國總熱量排放總量的10% 左右。同時，由于瓦斯燃燒熱值只有空氣燃燒熱值的60% 左右（一般為10%～30%）。有關資料顯示目前我國煤礦井下排放出來的甲烷約占全國甲烷排放總量的1/3左右[3]。如果采用煤礦瓦斯發電技術替代燃煤發電技術，其所產生的能源利用率可以提高到75%～85% 左右，這對于解決煤炭資源短缺和環境污染問題具有重要的意義。

3.2 節能減排，提高能源利用效率

瓦斯是一種可燃氣體，在空氣中濃度為10%～20%時，遇火源即可燃燒，爆炸極限為5%～15%。在開采過程中，由礦井內的瓦斯被抽放后，儲存于封閉的巷道內或采空區中，經抽放后成為低濃度瓦斯。煤礦瓦斯含有較多的甲烷、二氧化碳等溫室氣體和其他有害氣體，含量高達90%以上。當煤礦瓦斯濃度達到10%時，遇火源即可發生爆炸。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷熱值為4700～5100kcal/kg，相當于標煤的發熱量，是煤炭的2～3倍。

據測算，我國每年約有3億t 煤炭因礦井瓦斯泄漏而被污染，排放的污染物中，含有二氧化硫、氮氧化物和粉塵等有害物質超過10萬t，產生的溫室氣體二氧化碳占到了溫室氣體排放總量的40% 以上，如果對煤礦瓦斯進行回收利用，每年可減少二氧化碳排放量約280萬t[4]。經測定，每產生1kg 甲烷（CH4）所放出的熱量為71.85cal，將這些熱量進行回收利用，其發電量可達1kWh，如利用煤礦瓦斯發電一年發電量約1100萬kWh。煤礦瓦斯發電技術已基本成熟，機組熱效率可達35%～40%，可以實現能源梯級利用和循環經濟的目標，采用煤礦瓦斯發電技術還可以減少污染物排放，減少溫室氣體排放和空氣污染。瓦斯排放后不會對大氣環境造成影響，煤的燃燒過程會釋放多種有害氣體和粒子，如二氧化硫、氮氧化物和粉塵，這些物質對環境造成嚴重污染。

相比之下，煤礦瓦斯發電過程中，主要排放的是二氧化碳，雖然其是一種溫室氣體，但與煤燃燒產生的其他有害氣體相比，其對環境的直接毒性影響較小。通過先進的瓦斯發電技術，可以將煤礦瓦斯轉化為電能，這不僅減少了煤炭燃燒產生的有害排放，也提高了能源利用的效率。此外，將瓦斯轉化為能源還有助于減少溫室氣體的排放，對抗氣候變化。因此，煤礦瓦斯發電是一種具有顯著環境和社會效益的能源解決方案，有助于節約能源，提高能源利用效率，改善生態環境。

3.3 轉型之路：煤礦瓦斯發電對提升安全與勞動條件的影響

瓦斯作為一種重要的工業氣體，在煤礦井下廣泛存在，利用煤礦瓦斯發電，既能夠提高煤礦的經濟效益，又能夠降低對環境的污染。瓦斯發電必須選擇高技術含量的設備和高質量的輔助設備，并保證生產過程中的安全。目前我國煤礦開采普遍采用小煤柱回采工藝，工作面回采速度較快，采空區內大量存在瓦斯。

據不完全統計，我國每年開采煤柱面積達1000萬t 以上，占煤炭總產量的5%以上。開采煤柱造成瓦斯涌出量的增加，且大部分礦井采用“一進一回”方式開采。因此，煤柱抽放是當前煤礦安全生產中的重要環節。通過煤柱抽放使采空區內的瓦斯被釋放出來，利用瓦斯發電設備將瓦斯經壓縮、冷卻、除塵、燃燒等處理后轉化為潔凈可利用的電能。另外由于煤礦開采煤層一般較厚，導致煤層瓦斯涌出量增加，一般在0.5m3/t 以上，如果采用抽放后利用瓦斯發電方式將大大減少礦井涌水量[5]。煤礦瓦斯發電后減少了粉塵排放，降低了有害氣體排放對環境造成的污染。因此，煤礦瓦斯發電是煤礦安全生產和勞動條件改善的有效途徑。

4 煤礦瓦斯發電利用

4.1 瓦斯設備性能參數

該煤礦裝備的瓦斯利用裝備性能見表2。

表2 瓦斯設備性能參數

4.2 瓦斯抽放狀況

華晉焦煤電力公司瓦斯抽放泵站正在進行改造，依據華晉焦煤電力公司供應的瓦斯抽放設計資料，至礦井最低開采深度+1000m 標高時，設計瓦斯抽放量為3480m3/min。

4.3 應用效益

2022年1～12月電力分公司發電量、供電量、瓦斯消耗情況及廠用電率見表3。

表3 利用情況

5 結語

綜上所述，煤礦瓦斯發電的原理是利用瓦斯中含有的甲烷、二氧化碳、水蒸氣等可燃氣體燃燒后產生的熱能帶動發電機組發電，同時可以將其排放的廢熱加以利用。瓦斯燃燒產生的熱能可轉化為機械能，再由機械能推動發電機發電，從而實現能量循環。煤礦瓦斯發電作為一種清潔能源，具有較高的社會效益。本文得出的結論如下。

一是煤炭開采過程中產生的瓦斯主要成分是甲烷，是一種可燃氣體。如果能夠將瓦斯加以利用，就可以減少對煤炭資源的浪費。同時，由于煤礦瓦斯是一種清潔能源，可以減少對大氣環境的污染。二是煤礦瓦斯發電作為一種環保能源，可以減少因煤礦瓦斯燃燒而產生的溫室效應，提升了總發電量15.9%。三是煤礦瓦斯發電可以增加就業崗位。利用煤礦瓦斯發電企業是一個高科技產業，其工作環境好，工作時間長，可以吸納大量的勞動力就業。四是煤礦瓦斯發電企業利用瓦斯發電過程中產生的余熱可以為附近居民提供生活熱水和采暖。