煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)研究

齊永建

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)沁水晉煤瓦斯發(fā)電公司，山西 048000)

煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)研究

齊永建

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)沁水晉煤瓦斯發(fā)電公司，山西 048000)

本文根據(jù)煤礦高、低濃度瓦斯與乏風(fēng)發(fā)電的設(shè)備及技術(shù)創(chuàng)新成果，就高濃瓦斯發(fā)電中熱能的綜合利用、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)，低濃瓦斯發(fā)電過(guò)程中低濃瓦斯的安全輸送技術(shù)，乏風(fēng)的利用技術(shù)等進(jìn)行了細(xì)致分析，有利于進(jìn)行適合的煤礦瓦斯發(fā)電方案選擇。

高濃瓦斯 低濃瓦斯 乏風(fēng) 內(nèi)燃機(jī)

1 高濃度瓦斯發(fā)電

瓦斯?jié)舛?0%以上的高濃度瓦斯便于儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離輸送，可將不同氣源點(diǎn)的瓦斯通過(guò)管路輸送至某地，集中建設(shè)大型瓦斯發(fā)電廠，如山西晉城地區(qū)已建成裝機(jī)容量120MW的國(guó)內(nèi)最大的瓦斯發(fā)電廠，也可在氣源點(diǎn)附近就近利用建設(shè)小型電站。

1.1 高濃度瓦斯發(fā)電流程

由于內(nèi)燃機(jī)具有適用瓦斯?jié)舛鹊姆秶容^寬，維護(hù)和保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦瓦斯發(fā)電領(lǐng)域已經(jīng)廣泛推廣使用，利用內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電流程如圖1。

圖1 內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電流程圖

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電熱效率雖然可達(dá)40%左右，相對(duì)較高，但仍有約35%～40%左右的熱能通過(guò)燃機(jī)尾氣和缸套水散熱被排放掉，這部分熱能如不充分利用將會(huì)對(duì)環(huán)境造成熱污染和資源的浪費(fèi)。對(duì)此高濃度瓦斯發(fā)電要根據(jù)實(shí)際情況充分考慮余熱的利用，利用內(nèi)燃機(jī)500℃以上的高溫尾氣通過(guò)余熱鍋爐，產(chǎn)生高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。利用90℃左右的缸套水通過(guò)板換換熱給居民區(qū)供暖。經(jīng)過(guò)余熱的充分回收利用，瓦斯氣中所蘊(yùn)含的熱能80%以上可得到利用。

1.2 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)

不同廠家生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)雖有一定的差異但結(jié)構(gòu)基本相同，一般都包含燃?xì)膺M(jìn)排氣系統(tǒng)、點(diǎn)燃系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大系統(tǒng)。燃?xì)膺M(jìn)排氣系統(tǒng)包括燃?xì)?、空氣過(guò)濾器，計(jì)量閥，節(jié)流閥和進(jìn)排氣門(mén)等，燃?xì)?、空氣通過(guò)凈化過(guò)濾后充分混合進(jìn)入燃機(jī)缸內(nèi)燃燒將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，推動(dòng)活塞帶動(dòng)連桿、曲軸運(yùn)動(dòng)輸出功率。冷卻系統(tǒng)通過(guò)缸套水泵、中冷水泵的工作使冷卻液在散熱水箱與燃機(jī)本體間不斷循環(huán)，為燃機(jī)缸體、瓦斯氣、機(jī)油進(jìn)行冷卻。點(diǎn)燃系統(tǒng)通過(guò)點(diǎn)火變壓器、火花塞的工作點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣。潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)機(jī)油泵將潤(rùn)滑油送至燃機(jī)連桿瓦、曲軸瓦等轉(zhuǎn)動(dòng)部件對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑降溫。控制系統(tǒng)通過(guò)控制計(jì)量閥、節(jié)流閥等閥門(mén)動(dòng)作自動(dòng)調(diào)整瓦斯氣進(jìn)氣量，使其與空氣充分混合后濃度達(dá)到6%～8%，進(jìn)入缸內(nèi)進(jìn)行燃燒。通過(guò)監(jiān)測(cè)燃?xì)膺M(jìn)氣壓力、溫度傳感器，機(jī)油溫度、壓力傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)速度正時(shí)傳感器，爆燃傳感器等采集到的各類信號(hào)控制燃機(jī)各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作、監(jiān)測(cè)燃機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)

2.1 低濃度瓦發(fā)電簡(jiǎn)述

我國(guó)煤礦所抽采的瓦斯60%以上為濃度30%以下的低濃斯。以前根據(jù)煤礦安全工作規(guī)程規(guī)定，利用瓦斯時(shí)，瓦斯?jié)舛炔坏玫陀?0%，因此大量的低濃瓦斯得不到有效利用。隨著低濃瓦斯輸送、發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，目前新版煤礦安全工作規(guī)程關(guān)于濃度低于30%的瓦斯的相關(guān)規(guī)定已更改為“不得做為燃?xì)庵苯尤紵?，用于?nèi)燃機(jī)發(fā)電或作其它用途時(shí)，瓦斯的利用、輸送必須按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定”為低濃度瓦斯利用從制度上掃清了障礙。

2.2 低濃度瓦斯發(fā)電

低濃度瓦斯發(fā)電與高濃瓦發(fā)電的最大區(qū)別是低濃度瓦斯進(jìn)入機(jī)組前不允許設(shè)立儲(chǔ)氣罐，必須經(jīng)過(guò)安全輸送系統(tǒng)的傳輸，才能經(jīng)瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)脫水、除雜后供內(nèi)燃機(jī)使用。實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯安全輸送的主要方法有細(xì)水霧安全輸送、水蒸汽安全輸送、氣水二相流安全輸送、惰化激活安全輸送等幾種，工作原理不盡相同，目的都是為解決低濃度瓦斯在輸送過(guò)程中一旦遇火爆炸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)阻火、防爆和抑爆。細(xì)水霧輸送技術(shù)已經(jīng)過(guò)了工業(yè)試驗(yàn)，2005年世界第一座利用內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過(guò)細(xì)水霧輸送的低濃度瓦斯發(fā)電站在淮南謝一礦投運(yùn)。

細(xì)水霧輸送裝置主要有截止閥、濕式阻火泄爆裝置、泄壓溢流閥、水霧發(fā)生器、脫水器、循環(huán)水泵與管道組成。煤礦瓦斯抽放泵站輸出的瓦斯首先經(jīng)過(guò)濕式阻火泄爆裝置，再經(jīng)過(guò)金屬波紋帶瓦斯管道專用阻火器，隨后經(jīng)過(guò)管道細(xì)水霧阻火，細(xì)水霧與煤礦瓦斯在管道內(nèi)混合輸送，管路末端脫水裝置將混合在瓦斯中的水份脫出。細(xì)水霧發(fā)生器在管道上的設(shè)置距離不準(zhǔn)超過(guò)20m，水霧霧珠直徑小于400μm。由于低濃度瓦斯不允許儲(chǔ)存，因此需在瓦斯管路上設(shè)置放散閥門(mén)，根據(jù)機(jī)組瓦斯用量情況，及時(shí)調(diào)整瓦斯輸送壓力，多余氣體及時(shí)排空。經(jīng)過(guò)這些安全措施的保障，最終低濃瓦斯即可被送至內(nèi)燃機(jī)，實(shí)現(xiàn)瓦斯發(fā)電。

細(xì)水霧輸送雖然解決了低濃度瓦斯的輸送問(wèn)題，但仍然存在一定的局限性，低濃度瓦斯不便于長(zhǎng)距離輸送，只能在氣源點(diǎn)附近就近利用。

3 乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)

礦井乏風(fēng)是煤礦瓦斯最難利用的部分，主要障礙是流量大，濃度低。乏風(fēng)在發(fā)電上的利用方式主要兩種：(1)作為輔助燃料助燃，將乏風(fēng)替代空氣，以減少主燃料的使用。如將乏風(fēng)送入內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等。(2)做為主燃料，利用熱逆流氧化技術(shù)或熱逆流氧化催化技術(shù)利用甲烷氧化產(chǎn)生的熱量使水加熱從而帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

3.1 乏風(fēng)輔助燃燒

單位體積乏風(fēng)中瓦斯?jié)舛群糠浅５?，一般?.5%左右，如不能大量利用，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保意義都不大。乏風(fēng)替代空氣助燃內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、瓦斯鍋爐理論上可行，但除去瓦斯鍋爐對(duì)空氣的潔凈度要求不高外，內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)空氣中雜質(zhì)都有一定的要求。多數(shù)內(nèi)燃機(jī)要求空氣中灰塵直徑需小于1μm，但乏風(fēng)做為礦井的回風(fēng)，其中攜帶了大量的煤塵，如何有效的去除煤塵是困擾乏風(fēng)助燃的一個(gè)重要問(wèn)題。例如對(duì)晉城礦區(qū)寺河礦西風(fēng)井乏風(fēng)中攜帶的煤塵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，煤塵顆粒大于1μm的煤塵含量為48.23 mg /m3，乏風(fēng)助燃某型單機(jī)功率1800kW進(jìn)口內(nèi)燃機(jī)組為例相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1 某型單機(jī)功率1800kW進(jìn)口內(nèi)燃機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)

通過(guò)表1可看出，如利用風(fēng)井所產(chǎn)生的乏風(fēng)給單機(jī)功率1800kW燃機(jī)助燃，可供60臺(tái)燃機(jī)使用，24小時(shí)可利用瓦斯5.8萬(wàn)標(biāo)m3，但24小時(shí)乏風(fēng)所攜帶的煤塵量也高達(dá)625.4kg，大量的煤塵會(huì)堵塞空氣濾網(wǎng)，使燃機(jī)不能正常進(jìn)氣。如何高效除塵是制約乏風(fēng)助燃的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，需進(jìn)一步尋求更加高效方便的除塵方式。

3.2 乏風(fēng)氧化

乏風(fēng)氧化處理裝置從原理上分為兩種，逆流式瓦斯氧化裝置與逆流式瓦斯催化氧化裝置，其主要工藝區(qū)別在于采用氧化催化劑能夠使甲烷的氧化過(guò)程在350～800℃的溫度下進(jìn)行，否則甲烷氧化將在800～1000℃進(jìn)行。國(guó)、內(nèi)外雖然都對(duì)觸媒式甲烷氧化裝置進(jìn)行了大量研究，但催化氧化裝置仍存在催化劑活性、穩(wěn)定性難以保證等問(wèn)題，若乏風(fēng)中含硫則催化劑易中毒、壽命短，成本高，另外在氧化反應(yīng)溫度降低的同時(shí)也減少了熱量的回收利用率。目前投入工業(yè)使用的主要是逆流式瓦斯熱氧化裝置，已建成、投運(yùn)多座示范電站。

逆流式瓦斯熱氧化裝置工作原理：首先將蓄熱陶瓷氧化床加熱到800～1000℃的高溫，乏風(fēng)中的甲烷在反應(yīng)器中氧化釋放熱量，利用釋放的熱量實(shí)現(xiàn)蓄熱和余熱的交替轉(zhuǎn)換，送入反應(yīng)器的氣體不斷變換運(yùn)動(dòng)方向，使進(jìn)氣在蓄熱器中吸熱升溫，以保證氧化過(guò)程的自維持。乏風(fēng)氧化產(chǎn)生的熱量除去自維持外，其余熱量以高溫?zé)煔獾姆绞綆胗酂徨仩t，加熱余熱鍋爐中的水產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽，帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。乏風(fēng)氧化技術(shù)由于設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，乏風(fēng)處理量大，瓦斯利用效果比較好越來(lái)越得到企業(yè)的重視。2007年阜新礦業(yè)集團(tuán)王營(yíng)礦投運(yùn)處理量為12500m3/h的國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的逆流式瓦斯熱氧化裝置，成功產(chǎn)出飽和蒸汽。2014年潞安集團(tuán)高河煤礦，利用乏風(fēng)氧化釋放的熱量給水加熱產(chǎn)出過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，建成世界最大的裝機(jī)容量30MW的乏風(fēng)發(fā)電站。

[1] 高增麗，高振強(qiáng)，劉永啟，蘇慶泉，礦井乏風(fēng)瓦斯治理利用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].冶金能源，2010,5：43-46.

[2] 張國(guó)昌，煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)綜述[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)2008, 5：9-15.

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[5] 王玉麟，王君杰.低濃瓦斯綜合利用新技術(shù)研究[R].全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010.

(責(zé)任編輯 黃 嵐)

Study on CMM Power Generation Technology

QI Yongjian

(Qinshui JAMG Gas Power Generation Company, Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Shanxi 048000)

On the basis of the power generation equipment and technology innovation for CMM with high and low concentration as well as VAM, the paper analyzes the comprehensive utilization of heat during power generation process of CMM with high concentration, power generation technology of internal combustion engine, safety transportation technology of CMM with low concentration during power generation process, VAM utilization technology, etc., which will help to select a suitable utilization plan.

CMM with high concentration; CMM with low concentration; VAM; internal combustion engine

齊永建，山西晉城煤業(yè)集團(tuán)沁水晉煤瓦斯發(fā)電公司。