新時(shí)期煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)與發(fā)展

達(dá)志強(qiáng)

摘要：隨著我國(guó)綜合實(shí)力的發(fā)展，社會(huì)發(fā)展需要更多的能源，煤礦瓦斯是清潔能源之一，并且在我國(guó)境內(nèi)儲(chǔ)量比較大，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也比較可觀。瓦斯是煤礦的伴生能源，其成分是甲烷，煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)不僅能夠充分利用煤礦伴生能源，也能為社會(huì)帶來能過的清潔能源，對(duì)我國(guó)發(fā)展有重要意義。本文從煤礦瓦斯發(fā)電發(fā)展情況入手，分析了不同濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)，以及瓦斯發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)，探討了煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新時(shí)期;煤礦瓦斯;發(fā)電技術(shù);發(fā)展

我國(guó)煤礦數(shù)量非常多，每年通過煤礦排放的瓦斯占全球總量的50%。瓦斯不僅是造成全球溫室效應(yīng)的氣體之一，同時(shí)也是燃料的一種。煤礦瓦斯能夠通過一些列技術(shù)進(jìn)行合理利用，能夠極大的減少溫室效應(yīng)，而且也能為社會(huì)提供更多的電力能源，緩解我國(guó)能源緊缺的情況。一般而言，瓦斯來自高瓦斯礦的抽放系統(tǒng)、礦井鉆探過程中排放，礦井通風(fēng)系統(tǒng)攜帶。目前，礦井瓦斯最常用的利用方式就是發(fā)電。目前，我國(guó)煤礦當(dāng)中伴生的瓦斯?jié)舛扔懈哂械?，其處理技術(shù)各有不同，但通過瓦斯發(fā)電，利用電力抽取瓦斯進(jìn)行循環(huán)，其發(fā)展前景非常可觀。

一、煤礦瓦斯發(fā)電發(fā)展情況

目前，我國(guó)利用瓦斯進(jìn)行發(fā)電使用的技術(shù)大多是，燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、氧化發(fā)電。各個(gè)煤礦伴生的瓦斯?jié)舛雀饔胁灰?，有的煤礦瓦斯?jié)舛葧?huì)比較高，甚至超過30%，有的會(huì)低于1%。對(duì)于高濃度瓦斯，其開采方式是通過高強(qiáng)度負(fù)壓抽出，或者是在地面打井抽出。但是通過煤礦通風(fēng)系統(tǒng)抽出，或者不同負(fù)壓抽出的，大多濃度比較低。另外，燃?xì)廨啓C(jī)、高精度內(nèi)燃機(jī)是應(yīng)用在高濃度瓦斯發(fā)電的技術(shù)，低精度內(nèi)燃機(jī)則用在低濃度瓦斯發(fā)電當(dāng)中，濃度過低的瓦斯發(fā)電，則是通過混合高濃度氣體然后進(jìn)行加熱，在催化氧化設(shè)備中發(fā)電。

二、不同濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

1、高濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

一般而言，濃度超過30%就是高濃度瓦斯，這種瓦斯比較容易進(jìn)行儲(chǔ)存和長(zhǎng)途運(yùn)輸，能夠?qū)⒚旱V瓦斯通過管道輸送到其它地方，通過大型瓦斯發(fā)電廠集中利用發(fā)電，例如我國(guó)山西晉城已經(jīng)建成120MW的大型瓦斯發(fā)電廠。同時(shí)也可以在瓦斯抽氣點(diǎn)附近建設(shè)小型的發(fā)電站。高濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)中普遍使用內(nèi)燃機(jī)，而內(nèi)燃機(jī)在瓦斯發(fā)電方面能夠適應(yīng)的濃度范圍比較廣，而且在后期使用、維護(hù)、保養(yǎng)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)已經(jīng)在瓦斯發(fā)電使用率比較高。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電熱效率在40%，同時(shí)會(huì)有35%左右的熱能通過尾氣流失，如果放任熱能流失，則會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境帶來污染，也會(huì)浪費(fèi)瓦斯資源。所以，高濃度瓦斯發(fā)電過程中，要立足具體情況充分利用剩余熱能，將500℃以上的內(nèi)燃機(jī)尾氣輸入到余熱鍋爐，能夠通過高溫蒸汽進(jìn)行發(fā)電，而90℃的余熱尾氣則輸送到暖氣系統(tǒng)中，為周邊居民提供暖氣服務(wù)，通過這種方式，能夠有效利用高濃度瓦斯發(fā)電中產(chǎn)生的余熱。

在高濃度瓦斯發(fā)電過程中使用的內(nèi)燃機(jī)，雖然其生產(chǎn)廠家不同，部分結(jié)構(gòu)也會(huì)有不同，但總體而言，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一樣的，都是由燃?xì)膺M(jìn)氣排氣、點(diǎn)燃、冷卻、潤(rùn)滑、控制幾個(gè)系統(tǒng)組成。燃?xì)膺M(jìn)氣排氣系統(tǒng)中包含了燃?xì)?、過濾器、進(jìn)氣排氣門等，燃?xì)夂涂諝馔ㄟ^過濾器融合后，進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)缸體內(nèi)燃燒，熱能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能并推動(dòng)活塞、連桿等運(yùn)動(dòng)，并輸出功率。冷卻系統(tǒng)則是利用缸套、中冷水泵的工作，將冷卻液循環(huán)在散熱水箱和燃機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)冷卻的目的。點(diǎn)燃系統(tǒng)則是利用點(diǎn)火變壓器和火花塞實(shí)現(xiàn)混合氣體的點(diǎn)燃。潤(rùn)滑系統(tǒng)則是利用機(jī)油泵將潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的目的?？刂葡到y(tǒng)則是利用計(jì)量閥、節(jié)流閥的工作，合理調(diào)整瓦斯進(jìn)入量，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯在混合氣體中的比例為7%左右，在燃?xì)飧左w內(nèi)燃燒。

2、低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

我國(guó)境內(nèi)煤礦伴生的瓦斯，一般以上都是30%濃度以下的低濃度瓦斯。另外，我國(guó)以前的煤礦安全相關(guān)的法規(guī)規(guī)定，濃度低于30%的瓦斯不能使用，所以我國(guó)境內(nèi)很多低濃度瓦斯沒有進(jìn)行充分利用。隨著我國(guó)科技的發(fā)展，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)不斷創(chuàng)新，低濃度瓦斯發(fā)電已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成多個(gè)低濃度瓦斯發(fā)電站，同時(shí)我國(guó)相關(guān)規(guī)定的改進(jìn)已經(jīng)為低濃度瓦斯的利用開拓了發(fā)展空間。

同比高濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)相比，低濃度瓦斯發(fā)電過程中，瓦斯進(jìn)入發(fā)電機(jī)組前不能設(shè)立儲(chǔ)氣罐，而是必須通過安全輸送系統(tǒng)，才能完成瓦斯預(yù)處理，在去除雜質(zhì)之后進(jìn)入發(fā)電機(jī)組。低濃度瓦斯的安全輸送包含了，細(xì)水霧、水蒸氣、汽水二相流、惰化激活安全輸送技術(shù)，這些輸送技術(shù)的原理各有不同，但其最終目的都是解決瓦斯輸送中遇到明火產(chǎn)生危險(xiǎn)，從而達(dá)成防爆的目的。目前，細(xì)水霧安全輸送已經(jīng)投入使用當(dāng)中，如我國(guó)淮南謝一礦已經(jīng)投入使用。細(xì)水霧安全輸送技術(shù)當(dāng)中使用的設(shè)備包含了，截止閥、濕式阻火泄爆設(shè)備、泄壓溢流閥、稅務(wù)發(fā)生器、循環(huán)水泵、管道等。而煤礦低濃度瓦斯在抽出之后，先通過濕式阻火泄爆設(shè)備，通過帶有阻火器的專用瓦斯管道，經(jīng)過帶有細(xì)水霧阻火的管道，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)水霧和瓦斯的充分混合以及輸送，然后將混合水霧的瓦斯通過脫水裝置將瓦斯中的水分脫出。另外，輸送管道上的細(xì)水霧發(fā)生器之間的間隔不能超過二十厘米，同時(shí)水霧霧珠直徑要小于400～m。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，低濃度瓦斯不能設(shè)立儲(chǔ)氣罐，所以無法儲(chǔ)存，需要在輸送管道上配置放散閥門，從而根據(jù)瓦斯發(fā)電機(jī)組的具體情況，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)瓦斯輸送，同時(shí)也需要及時(shí)將多余的氣體排出。通過這一系列的安全保障技術(shù)，從而將低濃度瓦斯輸送到發(fā)電機(jī)組中進(jìn)行發(fā)電。雖然細(xì)水霧輸送技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低濃度瓦斯的輸送，但仍舊存在一些問題，如低濃度瓦斯輸送距離有限，所以，低濃度瓦斯只能就地、就近使用。

3、乏風(fēng)氧化發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

煤礦當(dāng)中的乏風(fēng)，是煤礦瓦斯當(dāng)中利用比較困難的瓦斯，其問題是流量大而瓦斯?jié)舛鹊?。目前，煤礦乏風(fēng)的利用方面有，代替空氣減少燃料的消耗，例如將乏風(fēng)輸送到內(nèi)燃機(jī)當(dāng)中;作為主要燃料，通過熱逆流氧化技術(shù)等，利用甲烷氧化過程中釋放大量的熱，從而加熱水推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

乏風(fēng)氧化技術(shù)所用的設(shè)備，從原理上而言，分為逆流式瓦斯氧化和逆流式瓦斯催化兩種，二者之間的主要不同之處是，一個(gè)是通過氧化催化劑，將甲烷氧化過程放在350-800攝氏度之間，如果不通過氧化催化劑，其氧化過程則在800-1000攝氏度之間。目前，全球都對(duì)觸媒式氧化設(shè)備進(jìn)行研究，但氧化催化設(shè)備仍舊存在很多問題，如催化劑活性和穩(wěn)定性都無法保證，如果乏風(fēng)當(dāng)中含有硫等元素，就會(huì)造成催化劑中毒、成本比較高、使用壽命短等，同時(shí)也會(huì)降低氧化溫度和熱量回收率。目前，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中普遍使用的是逆流式瓦斯熱氧化技術(shù)，而且國(guó)內(nèi)也有多個(gè)發(fā)電站投入使用。逆流式瓦斯熱氧化技術(shù)，是把蓄熱陶瓷楊華創(chuàng)溫度控制在800-1000攝氏度，瓦斯在反應(yīng)器中快速氧化并釋放熱能，通過熱能的釋放，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱、余熱的不斷交替，同時(shí)通過不斷變換送進(jìn)反應(yīng)器的氣體，讓氣體在蓄熱器中快速升溫，確保整個(gè)氧化過程的自動(dòng)循環(huán)。瓦斯氧化過程中產(chǎn)生的熱能，除了用于維持氧化過程的循環(huán)持續(xù)之外，剩下的熱能則以高溫氣體的方式進(jìn)入余熱鍋爐，加熱鍋爐中的水產(chǎn)生水蒸氣，進(jìn)而推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。乏風(fēng)氧化技術(shù)所使用的發(fā)電設(shè)備比較簡(jiǎn)單，而且處理量非?？陀^，所以這種氧化技術(shù)收到了眾多企業(yè)的關(guān)注。

三、瓦斯發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)

從瓦斯發(fā)電設(shè)備而言，燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用比較適合高濃度瓦斯，而且瓦斯壓力要求在1.0MPa以上，還需要利用壓縮機(jī)提升瓦斯壓力。瓦斯在高溫高壓條件下，其燃爆上限、著火范圍都會(huì)提升，但瓦斯?jié)舛绕蜁r(shí)就會(huì)爆炸，所以，一旦瓦斯?jié)舛鹊陀?5%，就不能使用。另外，低濃度瓦斯會(huì)加大壓縮機(jī)的排量、功耗，造成總體經(jīng)濟(jì)效益的下降。而燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)中的燃燒過程在燃燒室內(nèi)，和外界環(huán)境是隔離的。從工作原理上來看，燃?xì)馄啓C(jī)不僅能夠用于高濃度瓦斯，也能用于低濃度瓦斯，成為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，但是燃燒過程出現(xiàn)回火則是客觀現(xiàn)象，如果不能避免回火，那么就會(huì)引爆周圍的瓦斯。從煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)來看，其關(guān)鍵技術(shù)在于瓦斯混合、自動(dòng)控制、安全阻火等方面，具體如下。

真空鍍膜片混合技術(shù)。在甲烷體積在煤層氣中超過75%，那么通過該技術(shù)可以調(diào)整混合燃?xì)鈮毫?，以及?jié)流閥的開合程度，能夠隨著功率的變化匹配空氣和燃?xì)獾谋壤?。但是該技術(shù)也存在一些問題，如不能自動(dòng)適應(yīng)瓦斯?jié)舛茸兓?。但是我?guó)大部分煤礦煤層氣成分相對(duì)穩(wěn)定，而且其變化也比較緩慢，同天然氣類似，所以該技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用在瓦斯?jié)舛缺容^高的煤礦當(dāng)中;文丘里電控混合技術(shù)。該技術(shù)是利用了文丘里管的原理，通過空氣在文丘里管道中的負(fù)壓力，實(shí)現(xiàn)瓦斯進(jìn)入混合器。如果瓦斯?jié)舛犬a(chǎn)生改變的時(shí)候，該技術(shù)能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，改變混合器通道的開口大小，改變混合氣中瓦斯的濃度。這種混合器能夠適應(yīng)瓦斯體積30-50%和45-75%的需要;雙碟門電控混合技術(shù)。該技術(shù)一般應(yīng)用于低濃度瓦斯，一般情況下，瓦斯體積分?jǐn)?shù)25%，空氣和瓦斯體積比是3：1，瓦斯體積分?jǐn)?shù)10%，空氣和瓦斯體積比為9：1。但是一般的混合器滿足不了如此低濃度的混合需求，但該技術(shù)適應(yīng)范圍比較寬泛，能夠適應(yīng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)6-30%的混合;瓦斯低壓進(jìn)氣混合技術(shù)，對(duì)于濃度比較高的煤礦瓦斯，可以利用增壓混合的方式進(jìn)行混合。煤礦瓦斯抽出的壓力大多在10KPA，其體積分?jǐn)?shù)為10-55%，適合瓦斯和空氣增壓預(yù)混，這種方式瓦斯0壓力就能滿足混合要求，所以，整個(gè)發(fā)電機(jī)組的供氣壓力保持在3-5KPA就能維持運(yùn)行，具有很高的投資價(jià)值;TEM電子管理技術(shù)。該技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集、顯示、控制、報(bào)警、記錄、通訊等功能，計(jì)算機(jī)在讀取發(fā)動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的情況下，發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)控制混合器電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整空氣和瓦斯的進(jìn)氣量，確保混合氣濃度在一定范圍內(nèi);瓦斯阻火技術(shù)。該技術(shù)的原理是，火焰在金屬板材質(zhì)的狹窄通道中通過，因?yàn)榛鹧姹砻娴幕瘜W(xué)反應(yīng)和散熱不匹配，而造成火焰熄滅?；鹧嫱ㄟ^一定的速度進(jìn)入金屬板之間，因?yàn)榛鹧娣浅＝咏M縫冷壁，化學(xué)反應(yīng)中的自由基和自由原子與冷壁相互碰撞，這個(gè)過程等同于熱量流向冷壁邊界，進(jìn)而成為熄火層，伴隨火焰的通過，熄火層變大變厚，最終實(shí)現(xiàn)火焰熄滅的效果;濕式液位自控水封阻火技術(shù)。該技術(shù)原理是火焰通過水層，能量被吸收而實(shí)現(xiàn)滅火效果;瓦斯細(xì)水霧滅火技術(shù)，該技術(shù)滅火主要從冷卻和稀釋入手，冷卻方面體現(xiàn)在，細(xì)水霧顆粒比較小，但表面積更大，受熱會(huì)快速氣化，水霧在氣化當(dāng)中，從燃燒的火焰中吸取熱量，降低燃燒區(qū)域溫度，直至講到燃燒臨界溫度以下，從而終端燃燒。稀釋的方面體現(xiàn)在，火焰通過細(xì)水霧過程中，細(xì)水霧被蒸發(fā)成蒸汽，從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，其表面積膨脹1700多倍，拉大了燃燒分子之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)滅火的效果。

四、煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)發(fā)展前景

目前，我國(guó)燃?xì)鈾C(jī)輪技術(shù)進(jìn)行發(fā)電所使用的燃料都是高熱值的可燃?xì)怏w，但是濃度比較低的瓦斯則無法充分利用，所以我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)將會(huì)發(fā)展該方面的可能性，從不斷改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)等，讓燃?xì)廨啓C(jī)能夠適應(yīng)濃度范圍更加廣泛的瓦斯，這樣才能有效利用煤礦瓦斯能源。就當(dāng)前低濃度瓦斯利用情況來看，仍舊有非常多的問題，如將濃度不同的煤礦瓦斯進(jìn)行混合，從而提高瓦斯的濃度，這個(gè)問題涉及的技術(shù)問題就非常多，也需要進(jìn)一步探索，提高混合瓦斯的安全性、高效性，最終能夠應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組中。從我國(guó)電網(wǎng)并網(wǎng)來看，我國(guó)小容量電站和電網(wǎng)之間的連接仍舊有比較廣泛的發(fā)展空間，需要電網(wǎng)部門盡快解決相關(guān)的技術(shù)問題，改善小電站入網(wǎng)的技術(shù)問題，促使煤礦瓦斯發(fā)電能夠在自身利用之余，將多余電量輸送到其它地方，提升能源利用效率。

從瓦斯發(fā)電的發(fā)展前景來看，瓦斯發(fā)電需要的投入小，成本低，回收快速，而且碳排放也比較少，瓦斯發(fā)電所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等效益非常明顯。而且隨著瓦斯發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，其設(shè)備的安全性、可靠性等都得到了巨大的提升。但瓦斯發(fā)電過程中仍舊有部分制約因素，如當(dāng)下的瓦斯發(fā)電技術(shù)大多都適用于高濃度煤礦瓦斯，對(duì)于乏風(fēng)瓦斯的利用技術(shù)不夠成熟，部分技術(shù)甚至停留在了實(shí)驗(yàn)室，沒有進(jìn)行商業(yè)化，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)雖然相對(duì)成熟，但瓦斯?jié)舛冉橛谂R界爆炸值范圍內(nèi)，需要嚴(yán)格規(guī)瓦斯發(fā)電設(shè)計(jì)及低濃度瓦斯傳輸設(shè)計(jì)，同時(shí)也要需加強(qiáng)防范措施和安全設(shè)施。還有部分設(shè)備需要依賴進(jìn)口，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備又不達(dá)標(biāo)。從我國(guó)政策方面來看，國(guó)家對(duì)瓦斯發(fā)電的政策支持并不積極，所以政府需要對(duì)煤電氣一體化發(fā)展又足夠的政策傾斜，才能促進(jìn)瓦斯發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

結(jié)語

綜上所述，隨著我國(guó)綜合實(shí)力的發(fā)展，在節(jié)能減排和碳中和的政策背景下，煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)有助于節(jié)能減排，同時(shí)也能充分利用我國(guó)煤礦伴生的瓦斯資源，并且創(chuàng)造相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)煤礦瓦斯儲(chǔ)量大，伴隨發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，未來煤礦瓦斯發(fā)電市場(chǎng)非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]金鵬，李濤.瓦斯利用現(xiàn)狀分析與建議[J].冶金與材料，2021，41（01）：191-192.

[2]馬培耀.瓦斯發(fā)電技術(shù)的改進(jìn)分析[J].科技風(fēng)，2019（25）：170.

[3]馮金山.煤層氣（瓦斯）發(fā)電技術(shù)與節(jié)能減排分析[J].數(shù)字通信世界，2018（05）：85+115.