低濃度瓦斯發(fā)電技術在祥升煤礦的應用

張 新

(山西潞安工程勘察設計咨詢有限責任公司，山西 長治 046204)

瓦斯的主要成分為甲烷，是優(yōu)質的清潔能源，但也是重要的溫室氣體。如果對礦井瓦斯綜合利用而不是直接排放到大氣中，既可以起到保護環(huán)境的作用，同時又對保障礦井安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應具有重要意義。

對于高瓦斯礦井，瓦斯抽采已成為瓦斯治理最有效的方式，由于每個高瓦斯礦井的瓦斯地質條件和治理模式的差異，使得瓦斯抽采純量和濃度顯著不同，最終采用的瓦斯綜合利用模式也不同。

目前，國內不同濃度瓦斯的利用方式主要有以下幾種：①對地面抽采井抽采的瓦斯(濃度≥90%)直接用于汽車燃料和工業(yè)燃料等；②高濃度瓦斯(30%≤濃度<90%)直接用于居民生活等；③低濃度瓦斯(6%≤濃度<30%)采用低濃度瓦斯發(fā)電技術進行綜合利用；④對于極低濃度瓦斯(濃度<6%)采用乏風氧化技術實現(xiàn)供熱和發(fā)電。

祥升煤礦依據(jù)煤層瓦斯地質條件、瓦斯抽采量和濃度等基本情況，結合礦井自身的供電負荷和供熱負荷的實際情況，采用“低濃度瓦斯發(fā)電”方式進行瓦斯綜合利用。

1 礦井概況

祥升煤礦核定生產(chǎn)能力為90萬t/a，開采3～15下煤層，屬于高瓦斯礦井，瓦斯儲量14.644 2×108m3，其中，可采煤層瓦斯儲量為9.432 7×108m3，不可采煤層瓦斯儲量為3.301 4×108m3，圍巖瓦斯儲量為1.910 1×108m3。

目前，礦井建有1座地面永久瓦斯抽采泵站，布置4臺2BEC80型水環(huán)式真空泵，分為高、低負壓抽采系統(tǒng)。其中，高負壓抽采系統(tǒng)有2臺抽采泵(1運1備)，瓦斯抽采濃度35%，純量37.68 m3/min；低負壓抽采系統(tǒng)有2臺抽采泵(1運1備)，瓦斯抽采濃度15%，純量23.76 m3/min，全礦井瓦斯總抽采純量為61.44 m3/min，混合后濃度為23.09%。

綜上所述，祥升煤礦瓦斯儲量豐富，瓦斯抽采量大，濃度穩(wěn)定，為瓦斯的綜合利用提供了穩(wěn)定的氣源。

2 低濃度瓦斯發(fā)電技術的工程應用

2.1 低濃度瓦斯發(fā)電設備選型

目前，低濃度瓦斯發(fā)電機組有進口和國產(chǎn)兩類。進口設備雖然具有占地面積小、發(fā)電效率高、使用壽命長等優(yōu)勢，但是價格高，初期投資大，瓦斯氣體需要過濾、脫水、加壓和冷卻等預處理，瓦斯?jié)舛缺仨毚笥?0%；與進口設備相比，國產(chǎn)設備價格低，對瓦斯氣體的適應性較強(濃度只需大于6%)，結合祥升煤礦瓦斯抽采純量和濃度等指標，采用國產(chǎn)低濃度瓦斯發(fā)電機組。

國產(chǎn)低濃度瓦斯發(fā)電機組主要有500 kW、600 kW、700 kW和1 000 kW等規(guī)模，通過綜合比較，1 000 kW機組的發(fā)電電能品質更穩(wěn)定、系統(tǒng)更可靠、線損和線耗更低，而且在同等發(fā)電規(guī)模情況下，所需機組數(shù)量少、占地面積小、電氣及各系統(tǒng)更簡潔、施工難度低、工程量少、建設工期短。因此，選用1 000 kW國產(chǎn)低濃度瓦斯發(fā)電機組。

根據(jù)礦井供熱負荷情況，每臺發(fā)電機組配套1臺余熱回收裝置，回收機組排出的高溫煙氣余熱，供電廠和礦井工業(yè)場地等用熱。

根據(jù)礦井的瓦斯儲量、抽采純量和濃度等基本參數(shù)，確定總裝機容量為10 MW，建設規(guī)模為10×1 000 kW國產(chǎn)低濃度瓦斯發(fā)電機組+10×0.7 t/h余熱回收裝置。

2.2 低濃度瓦斯綜合利用的工藝系統(tǒng)

低濃度瓦斯綜合利用的工藝系統(tǒng)包括瓦斯輸送系統(tǒng)、制冷脫水系統(tǒng)、燃機本體系統(tǒng)和余熱利用系統(tǒng)。

1) 瓦斯輸送系統(tǒng)。瓦斯?jié)舛仍?%～30%范圍內，發(fā)電機組能安全運行，而管道輸送過程中濃度在5%～15%范圍內極易發(fā)生爆炸。為確保安全，在瓦斯輸送管道中加設細水霧輸送系統(tǒng)，通過水霧發(fā)生器在管道內連續(xù)成霧，從而降低瓦斯輸送過程的危險性。

2) 制冷脫水系統(tǒng)。由于采用細水霧輸送系統(tǒng)，使得輸送瓦斯中攜帶有較多的水霧，從而形成氣液兩相流，為了不影響發(fā)電機組的燃燒效率，滿足機組對瓦斯質量的要求，必須在進入發(fā)電機組前，除去瓦斯中的水分。

3) 燃機本體系統(tǒng)。燃機本體系統(tǒng)主要包括燃氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等。

4) 余熱利用系統(tǒng)。余熱回收裝置回收發(fā)電機組尾部高溫煙氣中的余熱，產(chǎn)出的飽和蒸汽除供礦區(qū)建筑物采暖及霧化水池防凍外，其余全部進入礦井現(xiàn)有蒸汽供熱系統(tǒng)，供礦井用熱。

3 社會經(jīng)濟效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

礦井低濃度瓦斯發(fā)電產(chǎn)生的經(jīng)濟效益主要來源于瓦斯發(fā)電和余熱回收利用。其中，瓦斯發(fā)電機組的年發(fā)電量6×107kW·h，年供電量為5.739×107kW·h，直接用于礦井生產(chǎn)、生活的用電負荷；余熱回收年供熱量為3.87×1 013 J，直接用于礦井建筑采暖、生活熱水和井筒供熱風。

3.2 社會效益

對于高瓦斯礦井而言，直接排空抽采瓦斯，不僅浪費資源，而且污染大氣環(huán)境。礦井對抽采瓦斯進行綜合利用，實現(xiàn)了節(jié)能減排和綠色轉型發(fā)展，減少了大量瓦斯直接排放造成的環(huán)境污染和溫室效應，同時保障煤礦安全生產(chǎn)，為高瓦斯礦井提供雙電源支撐點，使煤炭資源達到充分的綜合利用，具有明顯的社會效益。

4 結 語

祥升煤礦以抽采瓦斯的濃度和抽采量等氣源條件為基礎，結合礦井供電和供熱負荷等實際情況，選擇采用低濃度瓦斯發(fā)電技術進行瓦斯綜合利用，不僅為礦井提供了穩(wěn)定的電源和熱源，而且實現(xiàn)了節(jié)能減排和綠色轉型發(fā)展。