瓦斯發(fā)電廢氣余熱再利用技術(shù)研究

摘要：瓦斯治理是煤礦安全的重中之重，變害為寶，合理利用瓦斯成為當(dāng)前治理瓦斯的趨勢。 瓦斯是煤礦生產(chǎn)的五害之一，其主要含量為 CH4，俗稱沼氣，燃燒時具有污染小、發(fā)熱量高等優(yōu)點，運(yùn)用于發(fā)電和民用 ，必將是能源開發(fā)利用的新亮點。本文對瓦斯進(jìn)行發(fā)電過程中引發(fā)的廢氣余熱處理問題進(jìn)行了分析，并未節(jié)能減排提出了應(yīng)對策略。

關(guān)鍵詞：瓦斯發(fā)電；廢氣余熱再利用

前言

瓦斯作為煤礦生產(chǎn)五大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)，“先抽后采”作為一項瓦斯治本之策，發(fā)揮了積極作用，但同時對所抽瓦斯的利用，尤其是低濃度瓦斯的利用成為一個新的難題。在我國煤礦中，礦井風(fēng)排出的70%以上的瓦斯，為 30%以下的低濃度瓦斯，利用其發(fā)電主要存在安全輸送及濃度不穩(wěn)定兩方面的問題。瓦斯發(fā)電技術(shù)主要采用鍋爐燃燒、燃?xì)廨啓C(jī)+蒸汽輪機(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)3種方式。我國目前主要采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電配套系統(tǒng)，常用內(nèi)燃瓦斯發(fā)電機(jī)組有進(jìn)口機(jī)組和國產(chǎn)機(jī)組，進(jìn)口機(jī)組單機(jī)容量大、效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長、噪音低，優(yōu)于同類型國產(chǎn)機(jī)組，但另一方面，進(jìn)口機(jī)組對瓦斯氣源質(zhì)量和壓力要求高，如要求 CH4濃度≥30%、壓力P≥15 k Pa，清潔度高即塵?！? mg/Nm3，所以必須增設(shè)瓦斯提純工藝系統(tǒng)、瓦斯增壓裝置和凈化裝置，工藝系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備價格高（和同類型國產(chǎn)機(jī)組相比價格高出1～2倍），機(jī)組備品備件檢修和更換不便，而國產(chǎn)機(jī)組則系統(tǒng)簡單，對瓦斯氣濃度適應(yīng)范圍寬，價格便宜，對燃?xì)夤鈮毫Φ停约熬哂芯S修和維護(hù)方便等優(yōu)點。根據(jù)萬峰瓦斯抽采參數(shù)，此次采用煤礦瓦斯往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、電氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、瓦斯安全輸送系統(tǒng)等組成。

1. 瓦斯發(fā)電的工作原理

瓦斯發(fā)電的工作原理類似于內(nèi)燃機(jī)工作原理，分為壓縮、燃燒、作功、排氣4個工作行程。 期間，通過瓦斯與氧氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量壓縮活塞，驅(qū)動蝸輪做功，通過連桿機(jī)構(gòu)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能。 瓦斯燃燒會產(chǎn)生大量熱量 ，除部分用于驅(qū)動活塞作功外，其余熱量隨廢氣排出缸體，排出的廢氣溫度達(dá) 500℃～600℃。

2.瓦斯發(fā)電問題的分析

（1）從瓦斯發(fā)電的工作原理可知，排放的廢氣帶有大量熱量，廢氣未處理直接排入大氣，對周圍環(huán)境溫度影響較大，一方面會加速設(shè)備老化過程，縮短設(shè)備使用壽命，另一方面對操作人員身體也會有影響（2）廢氣余熱不回收利用，也會造成浪費(fèi)，同時在冷卻降溫過程中會增加冷卻水的用量，起不到節(jié)能降耗的作用。（3）利用瓦斯發(fā)電是為了充分利用瓦斯資源；但瓦斯資源未充分、有效利用，甚至引發(fā)其他問題，會降低瓦斯發(fā)電為企業(yè)帶來的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3.余熱回收傳熱原理

鎳基釬焊熱管式換熱器由汽包、熱管區(qū)、煙氣進(jìn)出口煙箱組成，其原理是利用高溫?zé)煔夂退膫鳠嵯禂?shù)不同。 首先將鎳基釬翅片與進(jìn)入煙道箱的高溫?zé)煔鈸Q熱，換熱均衡后煙氣排出，熱管換熱后再與在高換熱系數(shù)側(cè)采用光管與汽包內(nèi)的水換熱，產(chǎn)生熱的冷凝水流出汽包箱。在實際運(yùn)用中，就是在原有的發(fā)電機(jī)組的高溫?zé)煔夤芫€上，直接將煙氣進(jìn)出口和煙道連接。當(dāng)加熱區(qū)和散熱區(qū)的溫度接近相同，溫差損失小。熱管是一種高效傳熱元件，它利用封閉管內(nèi)介質(zhì)的 沸騰吸熱和冷凝放熱進(jìn)行熱傳導(dǎo)，傳熱在飽和溫度下進(jìn)行，具有極高的導(dǎo)熱性能。

4. 余熱利用系統(tǒng)

礦井建有水源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置6臺1.46MW水源熱泵和2臺0.64 MW水源熱泵，總?cè)萘繛?0 MW，利用礦井涌水作為熱源采取水源熱泵形式向礦井供熱，水源熱泵基本可以取代原有燃煤鍋爐房。由于礦井涌水波動比較大，且存在很多不穩(wěn)定因素，目前燃煤鍋爐仍需保留作為備用。瓦斯電站建成后，電站的余熱鍋爐及水源熱泵可相互補(bǔ)充使用，取消燃煤鍋爐?？紤]到機(jī)組檢修、負(fù)荷波動等情況，供熱能力按照6臺機(jī)組滿負(fù)荷計算。6臺機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，余熱鍋爐供熱量約2.4 MW，6臺機(jī)組缸套水可供熱負(fù)荷約1.8 MW，瓦斯發(fā)電對外總的供熱負(fù)荷約4.2 MW。礦井采暖季設(shè)計熱負(fù)荷為 12.9MW，瓦斯發(fā)電站余熱能夠滿足礦井供熱部分需要，可作為礦井補(bǔ)充熱源。

5.效益分析

低濃度瓦斯利用系統(tǒng)建設(shè)總投資2560.85萬元，正常每年可發(fā)電 3185×104 k W·h，年上網(wǎng)電量3025×104 k W·h，工程按自發(fā)自用考慮，售電價格按 0.435元 / k W·h （不含稅價），電廠年對外供熱量為5.79×104 GJ，免費(fèi)供給礦井。根據(jù)年上網(wǎng)電量與電廠年對外供熱量進(jìn)行計算，正常年份供電銷售收入為 1315萬元，經(jīng)計算，所得稅前總投資回收期為2.97 a，所得稅后投資回收期為 3.64 a。余熱利用系統(tǒng)減少了水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用。采用本技術(shù)后，每個供暖季節(jié)可減少井下熱水的使用，采用電廠余熱向水源熱泵提供低溫?zé)崴?，減少井下抽水費(fèi)用，因井下水氯離子含量多，對設(shè)備損壞大，間接減少了水源熱泵配套設(shè)備維護(hù)成本。低濃瓦斯的綜合利用，充分利用煤礦生產(chǎn)過程中抽采的大量瓦斯，減少了直接排放造成的環(huán)境污染，達(dá)到了資源利用目的，根據(jù)煤礦生產(chǎn)“以瓦斯定產(chǎn)” 和 “不抽不采（掘）、先抽后采（掘）”的安全保障原則，隨著礦井生產(chǎn)能力的提高，要求瓦斯的抽采量也隨著增加，建設(shè)瓦斯發(fā)電站以用促抽、以抽保用，有利于煤礦安全生產(chǎn)。

6.結(jié)論

瓦斯發(fā)電站廢氣回收利用表明，余熱回收裝置與瓦斯發(fā)電機(jī)組的配套使用，是煤礦綜合利用瓦斯，變害為利的有效途徑。采用這種方式，既能提高瓦斯的利用率，又能降低其他能源消耗，對高瓦斯礦井如何治理和利用瓦斯起到了示范效果。通過該礦幾年的實踐充分證明，瓦斯綜合開發(fā)利用在解決礦井自身能源方面需求方面效果明顯，是探索節(jié)能減排的一條有效方法，隨著瓦斯發(fā)電技術(shù)運(yùn)用的日趨成熟，瓦斯發(fā)電技術(shù)會被廣泛運(yùn)用，但發(fā)電過程中引發(fā)的問題也是不容忽視的。

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作者簡介：薛旭兵（1980-），男 漢族，山西省柳林縣人，助理工程師職稱，瓦斯發(fā)電方向。endprint