煤層氣（瓦斯）發(fā)電技術(shù)與節(jié)能減排分析

馮金山

（粵電集團(tuán)貴州有限公司，貴陽(yáng) 550000）

1 引言

根據(jù)《京都議定書》規(guī)定，造成溫室效應(yīng)主要溫室氣體—二氧化碳、甲烷。在煤礦開(kāi)采中，瓦斯的主要成分就是甲烷，通過(guò)低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，可使排空燃燒的瓦斯變害為利，減少甲烷對(duì)大氣的污染，降低地球表面的溫室效應(yīng)，此技術(shù)研究意義重大。

2 低濃度瓦斯發(fā)電介紹

我國(guó)我國(guó)瓦斯發(fā)電分為高濃度瓦斯發(fā)（高于30%）和低濃度瓦斯發(fā)電（底于30%），高濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)比較成熟，高濃度瓦斯資源匱乏，且隨著時(shí)間推移，其濃度降低，需要改進(jìn)技術(shù)，提高對(duì)低濃度瓦斯的利用效率，低濃度瓦斯發(fā)電有廣闊的發(fā)展前景。

低濃度瓦斯發(fā)電是利用煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)（高、低壓系統(tǒng)）將瓦斯安全可靠輸送到瓦斯發(fā)電機(jī)缸體里，在缸體內(nèi)燃燒釋放的內(nèi)能推動(dòng)力使得活塞運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行發(fā)電。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)于2004年研發(fā)，并在全國(guó)許多煤礦推廣使用。

3 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)分析

3.1 目前實(shí)用的低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)主要采用以下三種

（1）往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)又稱內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其熱效率高，國(guó)產(chǎn)機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)效率為30%～38%，燃料氣的入口壓力低，通常為3kPa～10kPa之間。

低濃度燃?xì)鈨?nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)可利用的瓦斯?jié)舛葹?%～30%，目前國(guó)內(nèi)較成熟的低濃度燃?xì)鈨?nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)有500kW、600kW、700kW、1200kW四種。

（2）低濃度瓦斯摻入風(fēng)排瓦斯發(fā)電。風(fēng)排瓦斯發(fā)電是利用乏風(fēng)氧化裝置將風(fēng)排瓦斯進(jìn)行氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能，制取過(guò)熱高壓熱水驅(qū)動(dòng)熱水輪機(jī)發(fā)電。

（3）聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。聯(lián)合循環(huán)是煤層氣能源動(dòng)力轉(zhuǎn)換效率最高的一種方式，可獲得大約45%以上的熱效率。但聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)適用于大型發(fā)電項(xiàng)目，廠區(qū)設(shè)備較多、占地較大，除受到瓦斯?jié)舛鹊南拗仆?，還受到汽輪發(fā)電機(jī)組最小發(fā)電機(jī)型的限制。

3.2 低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)方案

（1）根據(jù)煤礦瓦斯氣體儲(chǔ)量、可抽采量、產(chǎn)能及瓦斯抽放系統(tǒng)（高、低壓）抽放氣量、濃度，總體統(tǒng)一規(guī)劃、以氣定電、適度規(guī)模、分期實(shí)施、效益優(yōu)先和方案最優(yōu)的原則。

（2）盡量控制工程造價(jià)，工藝流程合理，管線短捷，建筑物緊湊，減少占地，縮短工期，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

（3）根據(jù)條件和優(yōu)化結(jié)構(gòu)要求，從改善環(huán)境質(zhì)量、節(jié)約能源，優(yōu)化電站方案。

（4）電站選擇成熟的技術(shù)和設(shè)備，使瓦斯發(fā)電工程運(yùn)行效果穩(wěn)定可靠。

（5）電站接入系統(tǒng)應(yīng)考慮與周圍電網(wǎng)的良好銜接。

4 低濃度瓦斯發(fā)電的節(jié)能減排效果

低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用有助于加強(qiáng)煤礦瓦斯綜合治理，可以有效減少甲烷等溫室氣體排放，減少環(huán)境污染，增加企業(yè)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，根據(jù)本項(xiàng)目規(guī)模，相應(yīng)的節(jié)能減排效果分析如下：

4.1 低濃度瓦斯發(fā)電規(guī)模

以某煤礦瓦斯發(fā)電項(xiàng)目為例，煤礦產(chǎn)能為45萬(wàn)噸/年，礦井相對(duì)瓦斯涌出量約56m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量約53m3/min。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》（AQ1026—2006）的要求，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量40≤Q＜80 m3/min時(shí)，礦井瓦斯抽采率應(yīng)≥40%。經(jīng)計(jì)算，礦井抽采瓦斯量應(yīng)不小于21m3/min。根據(jù)總體統(tǒng)一規(guī)劃、效益優(yōu)先、留有余地、分期實(shí)施原則，項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模預(yù)計(jì)6臺(tái)700kW低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組。一期安裝3臺(tái)700kW國(guó)產(chǎn)低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，視瓦斯情況，后期逐步增加機(jī)組。

4.2 節(jié)能減排效果分析

項(xiàng)目裝機(jī)為6臺(tái)（一期3臺(tái)）700GF低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，年運(yùn)行時(shí)間按5500h計(jì)，電站自耗電率5.75%（一期8.07%）。

4.2.1 項(xiàng)目節(jié)煤量計(jì)算

每度電按耗標(biāo)準(zhǔn)煤330克計(jì)，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算如下：

4.2.2 項(xiàng)目減排量計(jì)算

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)能源綜合利用，符合CDM項(xiàng)目的要求，減少溫室氣體排放，改善當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境，保護(hù)人類的生態(tài)環(huán)境，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

電站投入運(yùn)行后年消耗瓦斯純量613.8萬(wàn)Nm3（一期306.9萬(wàn) Nm3），年發(fā)電總量為2310×104kW ·h（一期1155×104kW ·h），年 供電總量為2177.2×104kW ·h（一期1061.8×104kW ·h）。

電站投入運(yùn)行后每年可減排二氧化碳量計(jì)算如下：

年可減排二氧化碳量計(jì)算如下：

4.2.2.1 基線排放

（1）通過(guò)發(fā)電消耗的碳減排量

項(xiàng)目共設(shè)6臺(tái)（一期3臺(tái)）燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量為2.31×107kW·h（一期1.155×107kW·h）。每年的純甲烷消耗量為613.8萬(wàn) Nm3（一期306.9萬(wàn) Nm3）。

CH4標(biāo)況下的密度0.714kg/Nm3，則年消耗甲烷為：

1kgCH4的溫室效應(yīng)相當(dāng)于21kgCO2，年發(fā)電消耗甲烷減排量：

（2）電站代替燃煤發(fā)電減排量

年 發(fā) 電 量2.31×107kW ·h（ 一 期1.155×107kW ·h）， 根 據(jù)《2013中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》，南方區(qū)域電網(wǎng)排放因子為0.6496tCO2/MWh，計(jì)算如下：

4.2.2.2 項(xiàng)目排放

（1）項(xiàng)目用電量

年自耗電量為241.5kW×5500h=1328.3MWh（一期1023.3 MWh），按南方區(qū)域電網(wǎng)排放因子為0.6496tCO2/MWh計(jì)算，折合成CO2量：

該項(xiàng)目的總碳減排量：

年實(shí)現(xiàn)減排CO2量為9.41萬(wàn)噸（一期4.68萬(wàn)tCO2）。

項(xiàng)目是集資源綜合利用、節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)和礦井安全生產(chǎn)為一體的工程，具有良好的節(jié)能效果、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)逐漸在我國(guó)得到了推廣應(yīng)用，其可有效減少主要溫室氣體甲烷的排放量，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)提高了資源的利用率、提高了煤礦生產(chǎn)的安全性，具有良好的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

[1] 李磊：低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，14（2）：86-89.

[2] 劉洪雨：低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)在峻德煤礦的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2017，23（10）：67-69.