低濃度瓦斯發(fā)電工藝研究

摘要：瓦斯是與煤炭共同伴生的優(yōu)質(zhì)潔凈能源，同時也是一種溫室氣體，它的危害是CO2的21倍，國際清潔能源組織把瓦斯作為主要溫室氣體之一，要求各國盡可能降低煤礦向大氣排放瓦斯。我國多數(shù)高瓦斯礦井煤層透氣性差，為了提高抽采效果，多采用高負壓、大流量抽采系統(tǒng)，這樣勢必造成漏氣量增加，抽采瓦斯?jié)舛冉档?，達不到瓦斯利用條件。本文對低濃度瓦斯發(fā)電工藝進行了相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：低濃度瓦斯發(fā)電；工藝研究

1.低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

主要應(yīng)用于內(nèi)燃機發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電和氧化發(fā)電等。由于受到煤礦開采工藝的影響，高負壓系統(tǒng)抽采瓦斯和地面鉆井抽采瓦斯的濃度一般大于30%，主要應(yīng)用于小型燃氣輪機和高濃度內(nèi)燃機發(fā)電；低負壓系統(tǒng)抽采瓦斯的濃度普遍低于30%，主要應(yīng)用于低濃度內(nèi)燃機發(fā)電；礦井回風井風排瓦斯（乏風瓦斯）濃度通常在1%以下，主要采用低濃度瓦斯與礦井乏風瓦斯的混合氣（或低濃度瓦斯稀釋氣）進入熱逆流反應(yīng)器和催化氧化反應(yīng)器進行氧化發(fā)電。

1.1內(nèi)燃機發(fā)電技術(shù)

由于煤礦抽采瓦斯?jié)舛?、壓力不穩(wěn)定，因此中央控制器發(fā)送給執(zhí)行器控制命令調(diào)節(jié)燃氣和空氣進氣量，自動調(diào)節(jié)混合比，混合后濃度一般設(shè)置在6%，使發(fā)動機空燃比始終保持在理想狀態(tài)，該項空燃比自動調(diào)節(jié)技術(shù)尤其適應(yīng)低濃度、大流量的瓦斯與空氣混合進行低濃度瓦斯發(fā)電。發(fā)動機缸內(nèi)爆燃，發(fā)動機回火的幾率再次增大，同時當發(fā)動機缸溫超過500℃，其缸蓋、活塞等零部件熱負荷增加后，極易產(chǎn)生爆震等機械事故，通過運用稀薄燃燒技術(shù)，發(fā)動機熱負荷降低，回火概率降低，機組運行可靠性提高；此外，缸體內(nèi)甲烷燃燒速度也會加快，燃燒效率提高，發(fā)動機性能得到改善。

1.2燃氣輪機發(fā)電技術(shù)

提高燃氣輪機效率的關(guān)鍵是提高燃氣初始溫度，即改進高溫部件的冷卻技術(shù)。渦輪噴嘴、葉片等高溫材料由早期的一般合金材料發(fā)展到定向結(jié)晶、單晶葉片及陶瓷材料；由早期噴嘴和動葉片的對流、沖擊等冷卻發(fā)展到采用蒸汽冷卻。實踐表明，燃氣溫度每提高100℃，燃氣輪機效率增高近2%～3%，先進冷卻技術(shù)促使透平前端燃氣進口溫度提高500～800℃，因此簡單循環(huán)燃氣輪機的熱效率由早期的16%～25%提高到40%以上。由于礦井抽采瓦斯?jié)舛纫灾械蜐舛染佣?，發(fā)電機組如果要保持相同輸出功率就需要輸入更大流量的低熱值瓦斯，運行的工況發(fā)生變化造成透平與壓氣機工作不協(xié)調(diào)、透平溫度升高、出現(xiàn)運行效率降低甚至停機現(xiàn)象。若要保證瓦斯在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒，需要改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其要調(diào)整壓氣機和透平的流過面積，通過增加噴嘴面積、葉片高度來增大透平的燃氣通過量；通過降低空氣量、加大燃料管和閥的尺寸來增大壓氣機的燃氣通過量。燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各零部件的優(yōu)化使燃氣輪機效率保持穩(wěn)定，其性能將得到充分發(fā)揮。

1.3氧化發(fā)電技術(shù)

礦井低濃度瓦斯其濃度普遍較低，若滿足不了內(nèi)燃機發(fā)電的要求，通常是將排空的低濃度瓦斯與乏風瓦斯混合（或?qū)⒌蜐舛韧咚瓜♂屩?%左右）后氧化放熱進行發(fā)電。其燃燒方式包括蓄熱式氧化燃燒（RTO）和蓄熱式催化氧化燃燒（RCO），共同特征是使用高溫空氣燃燒技術(shù)。蓄熱式氧化采用了混合氣體交替通過蜂窩狀蓄熱體燃燒室（或其他蓄熱體）技術(shù)，將氣體加熱至1000℃，使CH4發(fā)生支鏈反應(yīng)，實現(xiàn)高溫燃燒；催化式氧化使用催化氧化燃燒技術(shù)，燃燒室即使在350～600℃時CH4仍可氧化燃燒，實現(xiàn)了NOx和CO的超低排放，以減少對大氣的污染。

2.低濃度瓦斯發(fā)電原理工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1發(fā)電原理

通過水環(huán)式抽采泵站抽出瓦斯， 經(jīng)安全管道進入500GF1-3RW型發(fā)電機組缸體，點燃爆炸推動活塞運動，產(chǎn)生機械能，進而轉(zhuǎn)化為電能。

2.2 瓦斯發(fā)電機組及其工藝流程

瓦斯發(fā)電機組是以成熟的內(nèi)燃機技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦瓦斯的特點，對柴油發(fā)電機組加以改造而成。它由原來燃油改為燃燒瓦斯，發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，達到由機械能轉(zhuǎn)化為電能的目的。

2.3關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1阻火技術(shù)

為了將瓦斯發(fā)電機組與瓦斯抽采系統(tǒng)隔離，在發(fā)電站總進氣管上設(shè)置了2個水封式阻火器、1個干式阻火器； 為了確保低濃度瓦斯在管道輸送過程中的安全，安設(shè)3組細水霧輸送裝置。

2.3.2電控燃氣混合器技術(shù)

電控技術(shù)是采用電子控制技術(shù)，通過閉環(huán)自動調(diào)節(jié)混合氣空燃比， 電控混合技術(shù)顯著提高了機組對瓦斯?jié)舛群蛪毫ψ兓倪m應(yīng)能力。

2.3.3瓦斯與空氣先混合后增壓技術(shù)

發(fā)電機針對瓦斯的特性精致設(shè)計和匹配增壓器和中冷器，實現(xiàn)燃氣稀薄燃燒，降低熱負荷，改善排放，提高發(fā)電機功率，同時提高了燃氣機的動力性、經(jīng)濟性。瓦斯與空氣混合均勻，容易點火，避免了點火不連續(xù)現(xiàn)象性。

2.3.4稀燃技術(shù)

采用瓦斯與空氣先混合后增壓技術(shù)，調(diào)低空燃比，配合新概念預(yù)燃室技術(shù)，在局部形成點火能量相對優(yōu)勢，爾后放大點火能量，提高甲烷燃燒速度，降低了發(fā)動機熱負荷，提高了發(fā)動機功率。

2.3.5數(shù)字式點火技術(shù)

數(shù)字式點火技術(shù)是由電控單元根據(jù)瓦斯發(fā)電機的不同工況，從軟件上調(diào)整點火能量和點火時間。

3.低濃度瓦斯發(fā)電應(yīng)用中存在的問題及建議

1）繼續(xù)完善和改進發(fā)電設(shè)備

目前的燃氣輪機是針對中、高熱值燃料開發(fā)的，為適應(yīng)低濃度瓦斯燃料，應(yīng)改進其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，同時積極將燃氣輪機微型化，利用大、中、小型煤礦的抽采瓦斯都可進行發(fā)電，使裝機形式更加靈活。

2）瓦斯發(fā)電系統(tǒng)受瓦斯?jié)舛炔▌佑绊戄^大，濃度過低，機組維持自身運行困難，因此需要積極發(fā)展摻混技術(shù)，包括高、低濃度抽采瓦斯摻混技術(shù)、乏風瓦斯與抽采瓦斯摻混技術(shù)。

3）以冷熱電為主要形式的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)了能源的梯級利用，能源綜合利用效率達70%～90%，但目前我國電網(wǎng)針對傳統(tǒng)型大型火電設(shè)計，小容量電站與大電網(wǎng)存在連接技術(shù)的問題，因此建議加快建設(shè)智能電網(wǎng)。配電網(wǎng)側(cè)的電力市場尚未開放，通常做法是“并網(wǎng)不上網(wǎng)，自發(fā)自用”，建議在不對國家安全造成影響情況下，盡快開放配電網(wǎng)，開發(fā)新的電力零售市場。

4）目前瓦斯發(fā)電機組在低碳、減排方面還有待改進和完善，需要嚴格控制發(fā)動機及反應(yīng)器的NOx排放，包括不斷完善內(nèi)燃機稀薄燃燒技術(shù)、催化還原技術(shù)（在燃氣輪機用）、催化氧化發(fā)電技術(shù)、發(fā)展抗高溫材料。隨著京都議定書到期，國內(nèi)發(fā)電企業(yè)在無碳減排機制前提下可能是處于虧損狀態(tài)，建議盡快在企業(yè)碳排放方面制定相應(yīng)政策并實施，鼓勵技術(shù)先進、節(jié)能減排環(huán)保的發(fā)電企業(yè)，淘汰高排放、落后產(chǎn)能電企。

5）在各礦區(qū)井田邊界上考慮規(guī)劃瓦斯利用區(qū)，同時開發(fā)低濃度瓦斯長距離輸送技術(shù)，以便集約開發(fā)，瓦斯電站朝大型化發(fā)展，這樣，電站在經(jīng)濟效益增加的同時可避免各煤礦重復(fù)投資建設(shè)，節(jié)約社會成本。

4.結(jié)語

瓦斯發(fā)電符合國家能源產(chǎn)業(yè)政策，提高了礦井瓦斯抽放的積極性，同時有利于礦井安全生產(chǎn)。瓦斯發(fā)電項目的實施，減少了溫室氣體的排放，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，具有安全、環(huán)保、節(jié)能的三重價值。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)既節(jié)約能量又可減少環(huán)境污染，值得在煤礦推廣。

參考文獻

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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.