淺談如何通過瓦斯發(fā)電實(shí)現(xiàn)能源綜合利用

胡迎江+車文平

摘要：煤礦瓦斯利用主要集中在民用、發(fā)電、工業(yè)燃料及化工原料等方面。本文對(duì)瓦斯發(fā)電實(shí)現(xiàn)能源綜合利用進(jìn)行了相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：瓦斯發(fā)電；能源綜合利用

1.煤礦瓦斯綜合利用的技術(shù)現(xiàn)狀

從世界范圍來看，煤礦瓦斯利用主要集中在民用、發(fā)電、工業(yè)燃料及化工原料等方面。因煤礦大多分布在較偏遠(yuǎn)的地方，瓦斯民用項(xiàng)目要敷設(shè)大量的中低壓管網(wǎng)和入戶管網(wǎng)，投資成本較大，而且民用消耗瓦斯氣量少，達(dá)不到一定規(guī)模，因此瓦斯民用項(xiàng)目收回投資比較困難。燃?xì)忮仩t利用瓦斯為燃料，雖然消耗瓦斯氣量大，但是，使用燃?xì)忮仩t熱效率較低，還受季節(jié)性限制，加之采暖收費(fèi)低，因此鍋爐投資回收期長，經(jīng)濟(jì)效益差。利用瓦斯生產(chǎn)化工產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)性差，技術(shù)上也存在一定的問題。而瓦斯發(fā)電是利用目前成熟的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，僅對(duì)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)和燃料供給系統(tǒng)加以改造，技術(shù)較為可靠。投資少見效快，一般三年內(nèi)可收回全部投資。瓦斯發(fā)電已成為目前煤礦瓦斯利用的一種主要方式。

由于煤礦瓦斯開采方式的不同，煤礦瓦斯中CH4的含量會(huì)有顯著不同，其利用技術(shù)也有所不同，主要分為三類。一是通過地面鉆井開采，采出CH4濃度多大于90%的煤礦瓦斯（目前約占煤礦瓦斯總量的1%左右），其成份特性類似天然氣。此類氣體可利用天然氣發(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電或作為民用燃料、化工原料等，利用技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單且成熟。二是通過井下瓦斯抽采系統(tǒng)和地面輸氣系統(tǒng)，采出CH4濃度范圍多在3%～80%之間的煤礦瓦斯（目前約占煤礦瓦斯總量的15%左右，其中的三分之二濃度都低于30%），由于涉及到爆炸危險(xiǎn)，一般對(duì)其應(yīng)用都局限于濃度為30%以上部分。濃度在6%～30%部分的利用是一個(gè)難點(diǎn)，目前我國國內(nèi)企業(yè)已擁有此項(xiàng)安全利用技術(shù)，并已在國內(nèi)16個(gè)省、市、自治區(qū)的煤礦推廣應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果。三是通過煤礦通風(fēng)排出的煤礦瓦斯，CH4含量一般低于1%，稱之為風(fēng)排瓦斯（俗稱“乏風(fēng)”）。這部分煤礦瓦斯由于CH4濃度太低，利用技術(shù)難度較大，基本都被排空。我國相關(guān)企業(yè)正在準(zhǔn)備對(duì)這部分瓦斯進(jìn)行處理和利用。總之，目前煤礦瓦斯綜合利用還處于初級(jí)階段，無論是利用廣度還是深度都有許多需要解決的問題。煤礦瓦斯利用最合理的方式就是發(fā)電，在發(fā)電的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“冷、熱、電”三聯(lián)供，以人為本，改善煤礦職工和當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活條件，節(jié)能減排。

2.國內(nèi)外瓦斯發(fā)電能源綜合利用技術(shù)

2.1煤層瓦斯主要參數(shù)

煤層瓦斯賦存基礎(chǔ)參數(shù)是礦井瓦斯防治和瓦斯抽放設(shè)計(jì)的依據(jù)，進(jìn)行瓦斯抽放設(shè)計(jì)所需的煤層瓦斯主要實(shí)測(cè)參數(shù)包括：煤層瓦斯壓力、含量、煤中的殘存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤層透氣性系數(shù)以及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等一些瓦斯的基礎(chǔ)參數(shù)。對(duì)于基建礦井，如果沒有開拓系統(tǒng)揭露煤層，則無法在采掘空間內(nèi)各煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，只能借鑒地質(zhì)勘探過程進(jìn)行測(cè)定部分瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)。

2.2礦井瓦斯來源及涌出構(gòu)成

根據(jù)對(duì)龍泉煤礦瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)，可以得出該礦井在達(dá)產(chǎn)時(shí)瓦斯來源由以下3個(gè)部分組成：回采工作面（包括圍巖及鄰近層）的瓦斯涌出、掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出和采空區(qū)（包括圍巖和鄰近層）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占礦井瓦斯的涌出比例與礦井的開采深度和礦井的生產(chǎn)接續(xù)布局、采掘強(qiáng)度等有關(guān)。經(jīng)對(duì)礦井各部分進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，可以得出各涌出源所占該礦井瓦斯涌出量的百分比。在現(xiàn)有的通風(fēng)條件下掘進(jìn)面瓦斯經(jīng)常超限，所以掘進(jìn)工作面的瓦斯治理非常必要。在整個(gè)礦井瓦斯治理工作中，回采工作面和采空區(qū)瓦斯治理占重要地位。

2.3抽放瓦斯的必要性

根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局部頒布的《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，有下列情況之一者，礦井必須建立地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)或井下臨時(shí)抽放瓦斯系統(tǒng)。

2.4煤礦瓦斯基本分類及利用方法

煤礦瓦斯按體積分?jǐn)?shù)分3類（參照勝動(dòng)集團(tuán)分類方法）：第一類是質(zhì)量濃度大于30%的高濃度瓦斯；第二類是質(zhì)量濃度在9%～30%的低濃度瓦斯；第三類是質(zhì)量濃度在9%以下的低（超）濃度瓦斯（含煤礦通風(fēng)乏風(fēng)）。其瓦斯利用技術(shù)大致如下：第一類：質(zhì)量濃度大于30%的高濃度瓦斯，采用高濃度瓦斯直接燃燒供發(fā)電機(jī)組發(fā)電；第二類：質(zhì)量濃度在9%～30%的低濃度瓦斯，采用低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)組進(jìn)行發(fā)電利用；第三類：質(zhì)量濃度在9%以下的低濃度（超）瓦斯（含煤礦通風(fēng)乏風(fēng)），甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～5%，采用煤礦乏風(fēng)氧化裝置直接或經(jīng)過摻混、稀釋后利用；超低濃度瓦斯（甲烷體積分?jǐn)?shù)6%～9%）也可采用柴油引燃技術(shù)發(fā)電利用。

2.5乏風(fēng)利用不高的原因分析

煤炭開采中，瓦斯排出量的70%是通過乏風(fēng)（風(fēng)排瓦斯）排出的。由于煤礦乏風(fēng)的甲烷含量極低，若進(jìn)行提濃或提純，不論是變壓吸附，還是變溫吸附分離，面對(duì)含量巨大的空氣和稀少的甲烷，必須提供相對(duì)于甲烷產(chǎn)量更多的加壓能耗或加溫能耗。所耗的能量，遠(yuǎn)超過所獲取甲烷的能量。因而無論從能源利用的角度，還是從經(jīng)濟(jì)利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏風(fēng)中的甲烷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了甲烷的空燃比范圍，用直接燃燒的辦法處理技術(shù)上也是行不通的。兩種傳統(tǒng)辦法均不能解決乏風(fēng)的有效利用問題。基于此，目前多數(shù)煤礦仍選擇直接排放，造成了巨大的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

3.煤礦瓦斯綜合利用技術(shù)的研究與成果

我國一直致力于煤礦瓦斯全方位利用的研究，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)瓦斯“零”排放。為此我國企業(yè)投入了大量的人力、物力，并始終堅(jiān)持自主研發(fā)，走自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)之路。目前已在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，獲得了2項(xiàng)重要的國家發(fā)明專利、多項(xiàng)實(shí)用新型專利，將知識(shí)產(chǎn)權(quán)把握在自己手中。根據(jù)CH4濃度的不同，研究的瓦斯利用方式也有所不同，具體包括以下幾種：①CH4濃度在60%以上的特高濃度瓦斯，進(jìn)行CH4提純利用；②CH4濃度在30%～60%之間的高濃度瓦斯，采用高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電；③CH4濃度在8%～30%之間的低濃度瓦斯，通過發(fā)明“煤礦低濃度瓦斯安全輸送及發(fā)電技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯發(fā)電的目的；④CH4濃度在4%～8%之間的特低濃度的瓦斯，采用燃油引燃式瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電；⑤抽排瓦斯CH4濃度在4%以下的，與煤礦乏風(fēng)混合后，氧化處理，先發(fā)電后制冷、制熱，進(jìn)行熱量階梯利用。

4.小結(jié)

我國企業(yè)煤礦瓦斯綜合利用技術(shù)已經(jīng)將可利用瓦斯擴(kuò)大到各個(gè)濃度范圍，除乏風(fēng)氧化技術(shù)還在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)外，其余部分都已經(jīng)找到了合理科學(xué)的利用方式，并已經(jīng)產(chǎn)生了良好的市場(chǎng)反響和社會(huì)效益。而由此帶動(dòng)的巨大環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益潛力也初步顯現(xiàn)。目前依然需要在煤礦瓦斯綜合利用的深度（提高熱效率）和廣度（各個(gè)CH4濃度范圍）方面，做更多、更細(xì)的工作，邁向更高的層次，并最終實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯“零”排放的目標(biāo)

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：胡迎江（1989-），漢族，山西省朔州市人，助理工程師。endprint