煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用

張軍

【摘要】瓦斯是煤礦開采的衍生品，不利于煤礦的安全開采。瓦斯排放會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，污染環(huán)境。煤礦瓦斯發(fā)電，既可以有效地解決煤礦瓦斯事故、改善煤礦安全生產(chǎn)，又有利于增加潔凈能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放，達(dá)到保護(hù)生命、保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境的多重目標(biāo)。文章針對(duì)不同濃度范圍瓦斯的特點(diǎn)，闡述了高濃度和低濃度兩種瓦斯輸送、處理工藝及內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、余熱利用技術(shù)，并論述了瓦斯發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】煤礦瓦斯；發(fā)電技術(shù)；內(nèi)燃機(jī)；余熱利用；節(jié)能減排

煤礦瓦斯是指儲(chǔ)集在煤層中的一種非常規(guī)天然氣（主要成分為甲烷），在煤礦開采過程中自動(dòng)散發(fā)出來的一種有害氣體，無色、無味、易燃、易爆。當(dāng)空氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%一16%時(shí)，遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。瓦斯是煤礦安全的“殺手”，但同時(shí)也是一種潔凈能源，有較高的利用價(jià)值，被稱為“第二煤炭資源”。

1 煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)研究

目前利用煤礦瓦斯發(fā)電的主要方式有：燃?xì)忮仩t汽輪機(jī)發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電等。由于煤礦瓦斯氣體濃度相對(duì)不高，發(fā)熱量較低，燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t帶汽輪機(jī)發(fā)電方式系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、發(fā)電效率低，不宜采用；另外燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量、壓力要求高0.9MPa，壓縮溫升使瓦斯?jié)舛纫子谶_(dá)到爆炸極限。內(nèi)燃式瓦斯發(fā)電機(jī)組具有建站周期短，基建、運(yùn)行費(fèi)用低，機(jī)組配置靈活等特點(diǎn)，可單臺(tái)或多臺(tái)并網(wǎng)發(fā)電。它相對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電及燃?xì)忮仩t一汽輪機(jī)發(fā)電來說，具有效率高、燃料氣人口壓力低、單機(jī)發(fā)電容量小等特點(diǎn)。適用瓦斯?jié)舛确秶鸀?%～50%、溫度范圍為5～50℃。

1.1 內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電技術(shù)

內(nèi)燃式瓦斯發(fā)電機(jī)組不僅可以燃用高濃度瓦斯，還可以燃用低濃度瓦斯。它通過機(jī)組燃?xì)忾]環(huán)控制系統(tǒng)，將瓦斯與空氣中的氧自動(dòng)混合，根據(jù)燃燒室容積及壓縮比，對(duì)空燃比進(jìn)行精確控制，保證稀薄燃燒及高效發(fā)電做功。自動(dòng)檢測燃?xì)膺M(jìn)氣溫度、燃?xì)膺M(jìn)氣壓力、燃?xì)忾y后絕對(duì)壓力、溫度、功率、轉(zhuǎn)速、均值排溫等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行工況，適應(yīng)現(xiàn)場瓦斯?jié)舛燃皦毫Σ▌?dòng)，保證機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，具有濃度適應(yīng)范圍廣、抗波動(dòng)能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。內(nèi)燃式瓦斯發(fā)電機(jī)組采用了預(yù)燃技術(shù)和數(shù)字點(diǎn)火技術(shù)，通過這兩項(xiàng)技術(shù)，可以有效地增加點(diǎn)火能量，降低排汽溫度，提高機(jī)組效率。

1.2 高濃度瓦斯輸送技術(shù)

高濃度瓦斯從抽放站引出經(jīng)過水封阻火器、氣水分離器及干式阻火器至集裝箱式氣體預(yù)處理裝置處理后送至發(fā)電機(jī)組發(fā)電，當(dāng)瓦斯過?；驒C(jī)組故障檢修時(shí)，瓦斯通過火炬燃燒后排空。

1.2.1 集裝箱式瓦斯預(yù)處理工藝

氣體預(yù)處理過程是自動(dòng)控制的。它將瓦斯進(jìn)行脫水、除塵、冷卻、加壓，并對(duì)瓦斯流量、濃度、壓力、溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)凝結(jié)水水位自動(dòng)排水和報(bào)警。

1.2.2 火炬

瓦斯?jié)舛仍?0%以上的高濃度瓦斯發(fā)電工程，當(dāng)瓦斯發(fā)電機(jī)組不能消耗所有的瓦斯氣時(shí)或發(fā)電機(jī)組故障、正常檢修期間，高濃度瓦斯需放空時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)燃火炬燃燒后再排放大氣。當(dāng)瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)變化，濃度低于30%時(shí)，火炬停止工作，瓦斯直接排空?；鹁嫘问綖槁涞胤忾]式火炬，流量調(diào)節(jié)范圍根據(jù)總的瓦斯流量及機(jī)組的配置情況來確定?；鹁娴奶幚須饬亢腿?xì)獍l(fā)電機(jī)組的用氣量動(dòng)態(tài)匹配。

1.3 低濃度瓦斯輸送技術(shù)

低濃度瓦斯從抽放站引出利用水位自控式水封阻火泄爆裝置、絲網(wǎng)過濾器、瓦斯管道專用阻火器、溢流水封阻火泄爆裝置、低溫濕式放散閥及低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合安全輸送等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯的安全輸送，確保機(jī)組正常發(fā)電。

低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合安全輸送系統(tǒng)主要包括細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由濕式阻火泄爆裝置、阻火器、水霧發(fā)生器、脫水器、循環(huán)水泵、水池及管道閥門組成。

1.4 余熱利用技術(shù)

瓦斯發(fā)電機(jī)組燃燒后的煙氣排放溫度約為500～600℃。為了節(jié)能，在每臺(tái)機(jī)組排氣管道上安裝一臺(tái)蒸汽余熱鍋爐，將軟化水通過給水泵送人余熱鍋爐中回收機(jī)組的排氣余熱，使排煙溫度降到150℃左右。生成的蒸汽匯集后送至熱用戶，凝結(jié)水回收至軟化水箱循環(huán)使用。

軟化水系統(tǒng)由過濾器、全自動(dòng)軟化水裝置、管道泵、軟化水箱等組成，軟化水作為蒸汽余熱鍋爐的補(bǔ)水和發(fā)電機(jī)組內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水以及霧化水池的補(bǔ)水。

2 煤礦瓦斯發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

2.1 瓦斯氣源的分析與處理

煤礦瓦斯分高濃度（>30%）瓦斯和低濃度（3%～30%）瓦斯，我國60%以上的瓦斯是低濃度瓦斯。在確定瓦斯發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量前，要分析高、低濃度瓦斯氣量及瓦斯?jié)舛鹊牟▌?dòng)性，為瓦斯機(jī)組的選型和容量確定提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

為確保瓦斯發(fā)電機(jī)組氣源穩(wěn)定可靠，一般對(duì)于高濃度瓦斯設(shè)儲(chǔ)氣罐或緩沖罐，由于低濃度瓦斯的易爆性，為了安全起見，低濃度瓦斯不設(shè)儲(chǔ)氣罐。高濃度瓦斯可以遠(yuǎn)距離輸送，低濃度瓦斯一般就近發(fā)電消化。

2.2 機(jī)組選型

國產(chǎn)機(jī)組主要有勝動(dòng)集團(tuán)、中油濟(jì)柴的1100kW、1000kw、800kW和500kW系列，進(jìn)口機(jī)組主要有美國卡特彼勒、德國薩爾能源公司的1800kW和2000kW系列。

從機(jī)組的綜合技術(shù)性能來說，國外設(shè)備具有領(lǐng)先水平。從對(duì)煤礦瓦斯的適應(yīng)性來說，國產(chǎn)設(shè)備更有優(yōu)勢。進(jìn)口機(jī)組要求瓦斯?jié)舛缺仨氝_(dá)到30%以上，要求進(jìn)氣壓力20kPa以上。而國產(chǎn)機(jī)組能適應(yīng)低濃度低壓力瓦斯。

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及布置

根據(jù)瓦斯氣源的穩(wěn)定性及電站服務(wù)年限確定機(jī)組的布置形式。對(duì)于氣源穩(wěn)定可靠、服務(wù)年限長的電站，采用室內(nèi)固定安裝機(jī)組，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)散熱、防爆泄爆和噪聲治理問題。對(duì)于氣源波動(dòng)大、服務(wù)年限短的發(fā)電站，可采用集裝箱式機(jī)組。

3 結(jié)語

煤礦瓦斯發(fā)電不僅節(jié)能減排，而且變廢為寶、化害為利，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。我國煤礦瓦斯儲(chǔ)量巨大，隨著瓦斯發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，相信利用煤礦瓦斯發(fā)電，市場前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊芳平.淮南礦區(qū)煤礦瓦斯發(fā)電項(xiàng)目研究[J].中國煤層氣，2008，5（2）：43-46