瓦斯發(fā)電技術(shù)與節(jié)能減排

【摘要】能源是不可再生資源。開發(fā)新能源和節(jié)能是備受各國(guó)關(guān)注。瓦斯是煤礦開采的副產(chǎn)品。對(duì)煤炭開采具有一定的危險(xiǎn)性，但瓦斯是一種能源，其主要成分為甲烷。瓦斯利用在節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面將發(fā)揮巨大的作用。本文從瓦斯特性、瓦斯的預(yù)處理以及瓦斯發(fā)電等方面進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】煤礦瓦斯;發(fā)電;節(jié)能減排

1 瓦斯的采集與特性

每個(gè)石煤層都存在天然甲烷和空氣的混合物，這就是人們俗稱的“瓦斯”。礦井瓦斯是有機(jī)物通過大約2.5億年的漫長(zhǎng)碳化過程演變形成的。這種無色無味的混合氣體雖然無毒，但當(dāng)濃度在4%～16%之間時(shí)卻具有高度爆炸性。瓦斯雖然是可怕的煤礦殺手，但也是一種清潔能源，完全可以變廢為寶，為人類帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 通過地面鉆井開采，采出煤礦瓦斯的CH4含量多大于90%（目前約占煤礦瓦斯總量的1%左右），其成份特性類似于天然氣。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。

1.2 通過井下瓦斯抽放系統(tǒng)和地面輸送系統(tǒng)開采，采出煤礦瓦斯的CH4濃度多在3%～80%之間（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%），由于存在爆炸的危險(xiǎn)，其應(yīng)用都局限于CH4濃度在30%以上的瓦斯，而CH4濃度在6%～30%之間瓦斯的利用是一個(gè)難點(diǎn)，此項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)雖然已有一定的進(jìn)展，但還處于試驗(yàn)階段。

1.3 通過煤礦通風(fēng)排出瓦斯，其CH4含量一般都低于1%，稱之為風(fēng)排瓦斯（俗稱“乏風(fēng)”）。這部分瓦斯由于含CH4濃度太低，利用技術(shù)難度較大，基本都采用排空處理。

2 瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)

瓦斯發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)橥咚怪型ǔ：兴帧⒘蚧?、粉塵、硅氧烷等雜質(zhì)氣體，必須經(jīng)過處理凈化后，才能送入內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā)電。瓦斯預(yù)處理的作用是通過預(yù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的脫水、脫硫、除塵、加壓等功能，使供氣壓力、流量、溫度等物理參數(shù)與內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組的要求相匹配。

瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)主要由除濕過濾器、冷凝器、羅茨風(fēng)機(jī)、精密過濾器等設(shè)備組成，同時(shí)還包括系統(tǒng)連接的管道、閥門、測(cè)量?jī)x表及控制調(diào)節(jié)設(shè)備。

首先，將瓦斯引入除濕過濾器，通過其除濕脫水功能，降低氣體中的水分含量;通過過濾功能，降低氣體粉塵雜質(zhì)含量。然后將瓦斯氣體引入羅茨風(fēng)機(jī)，對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行加壓。再經(jīng)過冷卻器，通過其冷凍功能，使氣體中的有害氣體冷凝析出，起到氣體脫硫的作用。最后經(jīng)過精密過濾器，對(duì)氣體進(jìn)行精過濾處理，最后送至內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā)電。同時(shí)，瓦斯預(yù)處理

系統(tǒng)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，保證內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組供氣壓力的穩(wěn)定;該系統(tǒng)還配有風(fēng)機(jī)超壓保護(hù)裝置，氣體溫度調(diào)節(jié)裝置，使氣體的壓力和溫度適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)的需要。在氣體性能監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)配置有氣體在線檢測(cè)儀，可以及時(shí)檢測(cè)氣體的成份。根據(jù)發(fā)電機(jī)組的要求，該系統(tǒng)還可以自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)氣體流量。

在正常情況下，發(fā)電機(jī)組入口的氣體流量和壓力是通過控制系統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)發(fā)電機(jī)組降負(fù)荷或停機(jī)時(shí)，通往火炬的焚燒系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟。系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、在線檢測(cè)、報(bào)警和自動(dòng)停機(jī)等功能。

3 瓦斯發(fā)電與節(jié)能減排

3.1瓦斯發(fā)電簡(jiǎn)介

瓦斯發(fā)電站由礦井瓦斯開采系統(tǒng)、瓦斯氣預(yù)處理系統(tǒng)、內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、輸變電系統(tǒng)以及余熱利用系統(tǒng)幾部分內(nèi)容組成。其生產(chǎn)工藝流程內(nèi)容如下：

煤礦瓦斯抽放站→加壓站→混氣站→儲(chǔ)氣柜→瓦斯預(yù)處理系統(tǒng)→內(nèi)燃發(fā)電機(jī)主廠房混氣站的主要作用是考慮儲(chǔ)氣柜內(nèi)的氣體流動(dòng)性差，相對(duì)靜止程度高，不利于溫度、壓力、濃度不同的瓦斯氣混合。在儲(chǔ)氣柜前設(shè)置瓦斯混氣站，可以將不同參數(shù)的瓦斯混合在一起，使其在進(jìn)入儲(chǔ)氣柜前達(dá)到新的平衡。

儲(chǔ)氣柜的主要作用是解決瓦斯抽放時(shí)的不穩(wěn)定性。當(dāng)內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，遇到檢修、調(diào)整、故障等情況時(shí)，瓦斯輸送系統(tǒng)不能均衡供氣，儲(chǔ)氣柜可以對(duì)不穩(wěn)定的瓦斯氣體進(jìn)行平衡和緩沖，并儲(chǔ)存一定量的瓦斯，對(duì)輸配系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組要求瓦斯中甲烷的含量達(dá)到30%以上，才能保證機(jī)組的正常運(yùn)行。在瓦斯燃燒過程中，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫?zé)煔鉁囟瓤蛇_(dá)到400℃以上，若直接排空，既造成能源的巨大浪費(fèi)，又給環(huán)境帶來嚴(yán)重的熱污染。通過設(shè)置余熱回收系統(tǒng)，由余熱鍋爐回收這部分熱量，利用內(nèi)燃機(jī)排氣的余熱及富氧燃燒產(chǎn)生蒸汽，供給生產(chǎn)或生活用汽;換熱后的燃?xì)馔ㄟ^煙囪排入大氣。在內(nèi)燃機(jī)中的瓦斯能量大約有41%轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?5%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

在瓦斯發(fā)電領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)目前只有少數(shù)企業(yè)的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組應(yīng)用獲得成功，但在性能方面與國(guó)外品牌相比，還存在較大差距。近兩年國(guó)外品牌燃?xì)鈾C(jī)組已進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，目前卡特比勒，顏巴赫，道依茨等廠家的產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)有成功運(yùn)行的案例。全國(guó)已投入運(yùn)行的瓦斯發(fā)電機(jī)組有數(shù)百臺(tái)，裝機(jī)容量達(dá)到100MW，在建的瓦斯發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量達(dá)到300MW。國(guó)內(nèi)已上瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的地區(qū)有：山西沁水、陽泉;貴州水城;安徽淮南;黑龍江鶴崗;河南焦化等。

利用瓦斯發(fā)電，可以充分利用能源，解決瓦斯排空所帶來的環(huán)保問題和困擾煤礦安全的瓦斯爆炸問題。而且建設(shè)投資小，發(fā)電功率根據(jù)瓦斯儲(chǔ)量可大可小，短期內(nèi)即可解決能源緊缺問題。目前，瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)還處于起步階段，自2006年以來，國(guó)家出臺(tái)了一系列加快瓦斯抽采利用的政策和意見，充分體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)煤礦瓦斯綜合利用的高度重視。

3.2效益分析

瓦斯發(fā)電的電價(jià)目前約為0.35元/kWh。由于沒有燃料成本，瓦斯發(fā)電運(yùn)行成本僅0.08元/kWh左右。以5MW瓦斯發(fā)電站為例，機(jī)組年運(yùn)行成本約320萬元，年收入可達(dá)1400萬元。項(xiàng)目總投資約2000萬元，1.5年即可收回投資。

此外，由于瓦斯發(fā)電項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排量的轉(zhuǎn)讓，通過申請(qǐng)CDM項(xiàng)目，可得到為數(shù)可觀的減排費(fèi)。而且，瓦斯得到充分利用，可以大大減少煤炭和燃油的耗用量，減輕火力發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染。因此，瓦斯發(fā)電項(xiàng)目具有非常好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

我國(guó)的煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)還處于初級(jí)階段，無論是利用的廣度還是深度都存在許多需要解決的問題。向節(jié)能減排要效益利國(guó)利民，由此帶動(dòng)的巨大環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益潛力也已初步顯現(xiàn)。但是，依然需要在煤礦瓦斯綜合利用的深度（提高熱效率）和廣度（適應(yīng)CH4濃度范圍）方面，做更多、更細(xì)的工作，走向更高的層次，并最終實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯“零”排放的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)鐸，李華，游涌，劉月勤.淺談煤層氣發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用前景[J].能源與環(huán)保，017（1）.

作者簡(jiǎn)介：

葛慶坤（1987-），女，漢族，本科，山西太原人，助理工程師，研究方向：物資供應(yīng)和節(jié)能減排。