煤矿低浓度瓦斯发电技术及经济性研究

煤矿低浓度瓦斯发电技术及经济性研究

曾宪平孟凡生

淮南矿业集团瓦斯利用分公司安徽省淮南市232001

摘要：中国煤矿每年排放到空气中的瓦斯占全世界总量的将近1/2[1]。瓦斯是重要的温室气体，也是一种燃料。如果能合理地将瓦斯变废为宝，不仅能够减少温室效应将多余的电量上网，还能够在一定程度上缓解中国能源紧缺的现状。瓦斯发出的电可以用于抽取瓦斯，而抽取的瓦斯又能够发电，这就形成了一种良性循环，使这项技术能够快速发展起来。

关键词：低浓度瓦斯；燃气发电；煤矿；安全

引言

煤矿瓦斯的处理方式一般分为3类：高浓度瓦斯采抽进入燃气管线；中浓度瓦斯经过提纯压缩后应用；低浓度瓦斯一般存在于煤矿乏风中，瓦斯浓度一般在30%CH4以下，可用于燃烧供热和发电用途。就煤矿低浓度瓦斯发电供热技术及其经济性进行研究，提出应用低浓度瓦斯进行热电联产的必要性，并对其经济性进行测算。

1用于发电的矿井瓦斯浓度预处理

①由于煤矿井下含水量多，空气湿度相对较大，所以抽采出的瓦斯气体里含有大量的水蒸气。这些水蒸气不但不能用于发电，还会对发电设备造成一定程度的损坏。所以必须对抽出的瓦斯气体进行脱水处理。目前比较常用的脱水方法是冷凝法，就是将抽出的气体温度降低、使水蒸气液化自动与其他气体脱离。

②由矿井直接抽采出的瓦斯里一般都会含有一些不能燃烧的有害气体，这些气体是不能够用来燃烧发电的。所以需要采用一定的方法将它们分离出去。对于粉尘，一般是采用过滤方法清除的，而其他的有害气体是利用它们的物理性质来分离。

③由于抽采的瓦斯浓度不一样，它们的压力也不一样，而在发电机组里需要瓦斯的压力是一定的，所以在送入之前必须要对瓦斯进行稳压处理以达到所需的压强。在初始阶段即瓦斯在矿井下刚刚被抽出来的时候，由于矿井下环境条件比较复杂，直接抽采出的瓦斯混合气体的压力和浓度变化幅度比较大，波动比较强烈，这时将抽采出的瓦斯气体经过均压装置，能够起到稳压的作用，以达到要求的压强范围，使发电机能够持续高效安全地运行。

④低浓瓦斯气从矿井抽采出来要经过管路输送到发电站的发电机组，而低浓瓦斯易爆炸，这就要求输送配套安全装置，确保低浓度瓦斯在输送中的安全，常用的有细水雾低浓瓦斯输送系统、两相流瓦斯输送系统。

2各种发电技术及其特点

2.1内燃机发电技术特点

内燃机能够保持理想燃烧状态的关键技术是能否自动调节燃气和空气进气量的百分比，一般这个混合气体的浓度保持在6%左右是最为理想的状态。由于矿井抽采的瓦斯不像汽油等化石燃料一样能够保持稳定的浓度，各种情况的存在使矿井抽采到的瓦斯在浓度及压力等方面变化比较频繁。这就要求内燃机的控制系统能够根据瓦斯的实时浓度和空气进行配比，使混合后的气体浓度基本保持在6%左右，该控制技术最适合浓度比较低但是流量很大的瓦斯气体发电。如果混合气体的浓度不够稳定，内燃机就会在缸内发生爆燃，这种情况最直接的后果就是增大内燃机发生回火的概率，尤其是当内燃机气缸内的温度超出一定限度后，这个回火能够破坏缸体及活塞等组件，时间长了非常容易发生内燃机机械故障。目前比较有效的解决方法是降低混合燃烧气体浓度，使内燃机缸体里瞬间燃烧的气体浓度降低，进而直接降低内燃机的热负荷，同时也降低了内燃机缸体的回火概率，提高了内燃机运行的稳定性。

同时由于空气的浓度增加也就变相增加了O2的含量，这样会提高瓦斯等燃烧性气体的燃烧效率，提高能源利用率。增加内燃机缸体内的点火能量是国产发电机厂商普遍采用的方法，目前普遍设置的值在0.2J左右。为了点燃缸体内的气体，需要提前加热缸体内的混合气体，使其能够更快达到着火点。由于在缸体主燃烧室里面燃烧的是浓度比较低的瓦斯气体，所以发热量少，表面散热排热也少，这就显著提高了内燃机的工作效率，使最大效率能够达到35%及其以上。由于瓦斯浓度在爆炸限度内，所以在使用瓦斯发电时需要特别注意，以防发生爆炸事故。为了确保瓦斯发电的安全可靠，研制出多种防爆技术，其中包括用水来封堵火星传播，用CO2干粉灭火等一系列防火防爆技术。这些技术的应用使远距离瓦斯传输成为可能，为瓦斯发电提供了安全保障。

2.2燃气轮机发电应用及其特点

众所周知燃气轮机的效率很低，能源浪费比较大，而提高核心部件的热传递效率使可燃性气体的初始温度升高，是增加或改善燃气轮机燃烧效率的关键。在燃气轮机刚刚被发明出来时，关键部件如叶片、涡轮等的主要制造材料是合金，而随着科技的发展目前已经被硬度更高、更加耐高温的陶瓷、结晶等材料等代替；而早期的对关键部件的冷却主要是采用对流的方式，现在改进为蒸汽冷却。大量实验证明，可燃性气体在进入燃气轮机前的温度每增加100℃，燃气汽轮机的燃烧效率就会相应地增加2百分点～3百分点。目前最为发达先进的温度传导技术能够将可燃性气体的温度在进入燃烧室前提高500℃～800℃，因此相应的燃气轮机燃烧效率也由一开始比较低的16百分点～25百分点直接提到了40%甚至更高。

3低浓度瓦斯电站其他效益分析

3.1环境效益

低浓度瓦斯发电机组的使用，可实现低浓度瓦斯的充分利用，一方面降低乏风瓦斯的排放对环境的污染和危害；另一方面可以实现低浓度瓦斯再利用后的低排放指标，机组排放尾气经后处理后可达到环保部门关于尾气排放的相关限值，满足排放法规。

3.2安全效益

低浓度瓦斯发电机组的应用有效降低了巷道乏风瓦斯气体的浓度，降低瓦斯气窒息死亡事故以及爆炸事故发生的可能性，为井下作业人员的生命安全提供保障，为实现矿区的安全生产提供助力。

3.3管理效益

低浓度瓦斯发电项目可增加矿区及工作人员收入，改善矿区盈利能力，确保矿区生产、生活用电安全和稳定，有效降低人员和物资管理成本。

结束语

由于矿井的不同、开采煤层的不同，抽取出的瓦斯浓度变化比较大，压强也很不稳定，这就对持续稳定高效地发电提出了挑战。而能否持续稳定地发电直接关系到能不能将发出的电输送到电网。随着瓦斯发电技术的发展，相信在不久的将来一定会突破这个技术难关，尽量让资源物尽其用，以满足国家不断增长的能源需求。

参考文献

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