低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究

楊根盛

（神華集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)，100011）

煤層氣 （俗稱煤礦瓦斯）是賦存于煤層中的一種非常規(guī)天然氣，由于其儲量豐富，被稱為 “第二煤炭資源”。煤層氣在煤礦開采過程中大量生成，但因其組分構(gòu)成復(fù)雜，濃度很低，利用難度較大，已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)過程中的重要隱患。

據(jù)統(tǒng)計資料顯示，我國煤礦煤層氣儲量約為35萬億m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為450億t。我國有超過150億m3／a的甲烷通過通風(fēng)瓦斯直接排空，占我國煤礦生產(chǎn)煤層氣總量的84%，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為1850萬t／a，相當(dāng)于排放約2億t的二氧化碳所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，如此巨大的溫室氣體排放對大氣造成了很大影響，同時也造成了巨大的能源浪費。因此，如何清潔高效地利用這些資源，已成為我國煤炭行業(yè)的一個重要挑戰(zhàn)。

目前，煤層氣的利用在生產(chǎn)工業(yè)燃料、化工產(chǎn)品等方面都不太理想，主要是由于其成分復(fù)雜多變，且濃度較低。低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)作為一種新型的煤層氣利用途徑，通過燃燒煤層氣將其熱能轉(zhuǎn)化為電能，既生產(chǎn)電力能源，又減少環(huán)境污染，正在成為煤層氣利用的一種主要方式。

1 煤層氣開采利用現(xiàn)狀

煤層氣中CH4含量的多少決定了其利用價值的高低。由于煤層氣開采方式的不同，煤層氣中的CH4含量也存在明顯差異，如表1所示。我國90%以上的煤層氣是CH4含量低于25%的低濃度煤層氣，直接排空造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害十分巨大，因此低濃度煤層氣的綜合利用是煤層氣利用的主要方面。

表1 我國不同開采方式的煤層氣中CH4含量

2 煤層氣發(fā)電的技術(shù)及工藝

2.1 煤層氣發(fā)電技術(shù)難點

從煤礦開采出來的煤層氣氣體十分不穩(wěn)定，其濃度不斷變化，當(dāng)CH4含量在5%～16%時，很容易導(dǎo)致煤層氣爆炸，出現(xiàn)安全事故。而在實際開采過程中，我國約90%的礦井抽排出的煤層氣屬于低濃度煤層氣，CH4含量低于30%。因此，如何讓設(shè)備自動適應(yīng)煤層氣濃度變化以及如何安全輸運低濃度煤層氣就成為低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)需要解決的兩個關(guān)鍵問題。

2.2 煤層氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代后期，美國、澳大利亞等國家開始利用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行煤層氣發(fā)電，但是其對煤層氣體積分?jǐn)?shù)要求較高，一般在40%以上。我國首個煤層氣發(fā)電項目是遼寧撫順的老虎臺電站，其煤層氣體積分?jǐn)?shù)也高達(dá)40.4%。

由于燃?xì)廨啓C(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)對于煤層氣濃度的要求較為苛刻，且其建設(shè)的一次性投資大、建設(shè)周期長，只適合煤層氣產(chǎn)量較大且氣體成分較為穩(wěn)定的礦井。因此，燃?xì)廨啓C(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用受礦井類型的限制十分明顯，且對廣泛存在的低濃度煤層氣適用性較差。

為了解決低濃度煤層氣的利用難題，并且避免燃?xì)廨啓C(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)對礦井氣源適應(yīng)性較差的問題，內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)運而生。在國外，內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)由天然氣或者沼氣為燃料的發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)而來。由于需要自動適應(yīng)煤層氣濃度變化的技術(shù)以及解決安全輸運低濃度煤層氣等技術(shù)難題，并且一般要求煤層氣氣體的體積分?jǐn)?shù)大于25%，因此內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)在國外的工業(yè)應(yīng)用機(jī)型較少。

在國內(nèi)，勝利集團(tuán)應(yīng)用電控技術(shù)、預(yù)燃技術(shù)以及數(shù)字化點火技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可以根據(jù)煤層氣濃度的變化自動調(diào)節(jié)混合氣的空燃比例，較好地解決了內(nèi)燃機(jī)的煤層氣濃度適應(yīng)性難題，能夠使用體積分?jǐn)?shù)為6%～30%的低濃度煤層氣進(jìn)行發(fā)電。目前，國內(nèi)常見的煤層氣發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 煤層氣發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)比較

從表2中可以看出，國產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電機(jī)組具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，不僅系統(tǒng)較為簡單，而且利用瓦斯的體積分?jǐn)?shù)范圍比國外設(shè)備大，可以作為主流的低濃度煤層氣發(fā)電技術(shù)進(jìn)行大面積推廣。

2.3 煤層氣發(fā)電設(shè)備

目前，煤層氣發(fā)電設(shè)備主要有燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)兩種。其中，燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)發(fā)電比較適合高濃度煤層氣，只適合煤層氣產(chǎn)量大且氣體成分較穩(wěn)定的大型礦井，熱效率一般小于30%。由于其要求煤層氣壓力達(dá)到1 MPa以上，因此必須配套多級壓縮機(jī)提升煤層氣壓力，達(dá)到高溫高壓時很容易發(fā)生爆炸。因此如果煤層氣體積分?jǐn)?shù)低于35%，就不能運行。此外，低濃度煤層氣也會對壓縮機(jī)提出更高要求，從而導(dǎo)致功耗增加，投資效益變差。

內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程在封閉的燃燒室內(nèi)進(jìn)行，對煤層氣的壓力及濃度要求較低，由于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電設(shè)備的投資較少，建設(shè)周期短，且功率范圍可根據(jù)煤層氣產(chǎn)量的大小確定，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電設(shè)備移動較為方便，因此非常適合各種大、中、小型煤礦。這是解決低濃度煤層氣應(yīng)用難題的首選途徑。但是內(nèi)燃機(jī)存在進(jìn)氣管回火的問題，如果不能消除回火，那么將有可能使爆炸范圍內(nèi)的低濃度煤層氣發(fā)生爆炸。目前，常用瓦斯管道阻火器、濕式液位自控水封阻火技術(shù)、瓦斯細(xì)水霧滅火技術(shù)等方式來消除回火，效果非常理想。

2.4 煤層氣發(fā)電工藝

現(xiàn)階段煤層氣發(fā)電成熟工藝有3種：燃?xì)忮仩t帶蒸汽輪機(jī)發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電。煤層氣發(fā)電裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比見表3。

由于井下抽采出的煤層氣濃度變化范圍較大，其組分濃度會隨著工作面的推進(jìn)、煤層的不同而出現(xiàn)波動，采用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組能夠提高煤層氣的利用率和發(fā)電效率，從而更為靈活地適應(yīng)各類煤礦的煤層氣組分和濃度的波動情況。隨著內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，將以前直接排空的低濃度煤層氣燃燒轉(zhuǎn)化為電能，既避免了資源浪費，又減少了環(huán)境污染。

3 煤層氣發(fā)電電價效益測算

2009 年，全國利用煤層氣發(fā)電量僅為20億kW·h／a，用氣量為7億m3／a，不到煤層氣排放量的7%，因此煤層氣發(fā)電具有很大的發(fā)展空間。煤層氣發(fā)電在一定程度上能夠改善能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)煤礦資源的綜合利用，具有安全、環(huán)保、節(jié)能等顯著特點，可以創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

按照2007年國家發(fā)改委的規(guī)定，煤層氣發(fā)電的上網(wǎng)電價比照生物質(zhì)發(fā)電的上網(wǎng)電價，即在當(dāng)?shù)厝济好摿蛏暇W(wǎng)電價的基礎(chǔ)上增加0.25元／kW·h。2011年，山西省企業(yè)的煤層氣發(fā)電上網(wǎng)電價為0.509元／kW·h。為此，以1 個裝機(jī)容量為5×2000kW 煤層氣發(fā)電機(jī)組為例，建立電價效益測算模型。假設(shè)每臺機(jī)組配置8人，總部管理12人，人均工資為5 萬元／a，折舊率為15%，材料及維修費率為10%，貸款利息為8%，得到不同上網(wǎng)電價、不同利用小時條件下的投資收益如圖1所示。

表3 煤層氣發(fā)電裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比表

圖1 不同上網(wǎng)電價、不同利用小時條件下的凈利潤

不同上網(wǎng)電價、不同利用小時條件下的投資回收年限如圖2所示?？梢钥闯?，煤層氣發(fā)電技術(shù)相比傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，除了能夠減排溫室氣體，也能夠帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。如果利用小時數(shù)能夠達(dá)到6000h／a，上網(wǎng)電價大于0.5 元／kW·h，其投資回收年限將為7.08年，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠。1個裝機(jī)容量為5×2000kW 的煤層氣發(fā)電廠的發(fā)電 量 將 達(dá) 到6×107kW／a，可 利 用 純 煤 層 氣2042.46萬m3／a，減排二氧化碳26.24萬t／a，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益3000萬元／a。

2014年以來，神華集團(tuán)大力推廣應(yīng)用煤層氣發(fā)電技術(shù)，旗下部分煤層氣電廠的經(jīng)濟(jì)參數(shù)見表4。

圖2 不同上網(wǎng)電價、不同利用小時條件下的投資回收年限

表4 神華集團(tuán)部分煤層氣電廠經(jīng)濟(jì)參數(shù)

4 結(jié)論

煤礦中的低濃度煤層氣，如果直接排空不僅會造成大量的能源浪費，還會生成溫室氣體。利用內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電技術(shù)可以有效地利用煤礦中的低濃度煤層氣氣體，產(chǎn)生良好的 環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。如果內(nèi)燃機(jī)煤層氣發(fā)電機(jī)組利用小時數(shù)超過6000h／a，上網(wǎng)電價大于0.5元／kW·h，則其投資回收年限將遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組，具有很強(qiáng)的競爭力。目前，我國低濃度煤層氣氣體利用率不到7%，因此大力推廣內(nèi)燃機(jī)煤層氣氣體發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)煤礦資源的綜合利用將大有可為。

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