低濃度瓦斯發電工藝的探討

石 曄

（淮南礦業集團瓦斯利用分公司, 安徽 淮南 232001）

低濃度瓦斯發電工藝的探討

石 曄

（淮南礦業集團瓦斯利用分公司, 安徽 淮南 232001）

全國煤礦每年瓦斯抽放量為20億m3,其中,6%～30%濃度的瓦斯約占三分之一,解決這部分低濃度瓦斯抽排放空問題,可以拓展瓦斯綜合利用的空間,有效地利用資源,對促進煤礦安全生產、減少溫室氣體排放、保護環境意義重大,結合淮南礦業集團瓦斯利用分公司謝一低濃發電站的實際情況,簡要分析低濃度瓦斯發電的可行性,闡述目前低濃度瓦斯發電在進一步發展過程中所面臨的問題及以后發展的方向。

低濃度瓦斯; 細水霧輸送系統; 瓦斯發電機組; 瓦斯利用

DO I:10.3969/j.issn.1671-4733.2011.03.004

我國是瓦斯災害最嚴重的國家。據統計,我國瓦斯事故已占到煤礦事故的80%以上,造成的傷亡占到特大事故傷亡人數的90%。瓦斯已經成為導致煤礦重特大安全事故的“頭號殺手”。同時,我國煤層氣（即礦井瓦斯）資源量達36.8萬億 m3,居世界第三位。目前可采資源量約10萬億 m3,2010年,新增煤層氣探明地質儲量3 000億 m3。治理瓦斯、實現瓦斯的全面綜合利用已迫在眉睫。

但是很長時間以來,人們能利用的只能是濃度在30%以上的瓦斯,而這一部分瓦斯在我國每年的抽排量中只是很小的一部分。大量富集于井下的低濃度瓦斯被抽排上來后,因為濃度在30%以下,不能直接利用,提純的成本又太高,只能將它們排入大氣,造成溫室效應。低濃度瓦斯發電技術的應用則解決了上述問題。

1 低濃度瓦斯發電的意義

1.1 減少事故發生,保障安全生產

煤礦安全是全國安全生產的重中之重,瓦斯治理和利用又是煤礦安全生產的基石。當人們一提到煤礦瓦斯時,很自然地就會聯想到礦井的爆炸,人員的傷亡。瓦斯治理和綜合利用率低一直困擾著瓦斯利用行業,這是造成事故一個極其重要的因素。

瓦斯存在于煤層及周圍巖層中,主要成分為甲烷,這種無色無味的混合物雖然無毒,但當濃度在4%～16%之間時卻具有極高的爆炸性。在采煤之前如果先開采煤層氣,煤礦瓦斯爆炸率將降低70%～85%。目前我國每年因采煤而從礦井中抽放的瓦斯只有15億m3左右,瓦斯的實際利用率不到2%。全國煤礦每年瓦斯抽放量為20億m3,其中能利用、濃度在30%以上的瓦斯只有7億m3,其余為難以利用的低濃度瓦斯。在這部分低濃度瓦斯中,有部分是濃度在5%以下甚至絕大多數連1%也不到的風排瓦斯,它們是井下在作業時為了保證作業面安全而隨巷道內空氣排到地面的超低濃度瓦斯,雖然量大,但收集成本太高,難度大,總體利用價值不大。濃度在6%～30%的瓦斯,稱之為低濃度瓦斯,這部分瓦斯約占了瓦斯總量的三分之一。它們大量富集于一些低瓦斯礦井中及井下采空區的巖石縫隙中。在采煤過程中,由高、低抽巷將這些低濃度瓦斯抽排出井下,保證礦井作業。而這部分瓦斯由于安全因素,利用我們現有的技術無法將其采集。多年來,在煤礦生產中,為了保障井下生產,已經將這部分瓦斯抽放上來,但因為濃度低于30%不能利用,而又不得不將其放空,浪費了資源的同時還給環境造成了巨大的負擔。

將已經抽采至地面的低濃度瓦斯安全引入發電站,進行發電并產生經濟效益能很好的解決瓦斯綜合利用率低的問題,從經濟角度促進礦井的瓦斯治理與抽排積極性,保障安全生產。

1.2 促進關聯產業的發展,擴大經濟效益

我國低濃度瓦斯發電產業一旦發展起來,會給相關產業帶來劇的巨大的商機,包括設計建造、環保評估、鉆進機械（鉆機）、瓦斯抽取及輸送設備（真空泵及壓縮機）、輸送管道、監測監控設備、低濃度瓦斯發電設備、利用瓦斯生產化工原料的設備等。瓦斯的開發利用盡管是一個長期的投資過程,但從國外發達國家的經驗來看,其增值的財富是令人驚訝的。英國市場分析人士認為,中國瓦斯煤層氣的開發利用將會帶來20億歐元的巨大市場。

現在利用低濃度瓦斯發電,也為將來利用超低濃度瓦斯發電奠定了基礎,積累了經驗。只有實現瓦斯的零排放,才是最終的目標。發展低濃度瓦斯發電,完全符合現在提倡的發展綠色循環經濟的目標,無論是現在已經簽約的關于《京都議定書》的CDM減排指標的出售協議,還是即將實行的《可再生能源法》,都能夠給我們的參與企業帶來可觀的經濟效益。

1.3 保證循環經濟發展,實現低碳經濟

資料顯示,瓦斯直接排放到大氣中,其溫室效應約為二氧化碳的21倍,對生態環境破壞性極強。然而,1 m3純瓦斯氣的熱值相當于 1.13 kg汽油、1.21 kg標準煤,其熱值與天然氣相當,可以與天然氣混輸混用,而且燃燒后很潔凈,幾乎不產生任何廢氣,是上好的工業、化工、發電和居民生活燃料。

我國每年在采煤的同時排放的煤層氣在130億m3以上,合理抽放的量可達到35億 m3左右,除去現已利用部分,每年仍有30億m3左右的剩余量,加上地面鉆井開采的煤層氣50億m3,可利用的總量達80億m3,約折合標煤1 000萬t。如全部用于發電,每年可發電近300億kW·h。

由此可見,利用低濃度瓦斯發電具有一舉多得的功效,提高瓦斯事故防范水平,具有安全效應;有效減排溫室氣體,產生良好的環保效應;作為一種高效、潔凈能源,商業化能產生巨大的經濟效益;同時還能產生深遠的社會效益。

2 低濃度瓦斯發電系統的設計

2.1 低濃度瓦斯發電的原理

利用瓦斯發電,關鍵是利用瓦斯在一定濃度范圍內,達到相關條件會產生爆炸,進而利用其產生的能量。目前主流的低濃度瓦斯發電載體是由柴油發電機組改裝而成,利用低濃度瓦斯為燃料,在發動機氣缸內發生爆炸做功,再帶動發電機,輸出電能。

2.2 低濃度瓦斯發電系統的結構

2005年12月25日安徽淮南礦業集團瓦斯利用分公司謝一低濃度瓦斯發電站安全發電科技成果在淮南煤礦通過專家委員會鑒定,其發電站總體設計6臺500 kW機組,裝機容量3 000 kW,同時運行。電站以濃度6%～23%的煤礦井下瓦斯為原料,成功解決了6%以上低濃度瓦斯抽排放空問題,開創了世界低濃度瓦斯發電先河。本文將結合這個發電站,對目前低濃度瓦斯發電系統各方面作簡單闡述。

2.2.1 低濃度瓦斯細水霧輸送系統

眾所周知,瓦斯爆炸的濃度范圍是5%～15.87%,在這個范圍內,瓦斯遇明火便會爆炸,而絕大多數低濃度瓦斯恰恰就在這個范圍內,屬于極高危氣體,一旦泄漏,遇明火或高溫物體就會爆炸,所以低濃度瓦斯的輸送問題是困擾低濃度瓦斯發電乃至利用的首要因素,低濃度瓦斯細水霧輸送系統則很好的解決了以上問題。

2.2.2 電控混合器

要利用低濃度瓦斯爆炸做功發電,就必須要能非常精確的控制甲烷和氧氣的混合量,也就是瓦斯和空氣的混合比例。為此,低濃度瓦斯發電機組采用了最新研發的電控混合器。

2.2.3 電磁閥、雷達水封、干式阻火器

在低濃度瓦斯輸送系統中的電磁閥不同與以往傳統高濃度瓦斯輸送系統中的電磁閥,確切的說,應該是一個保護系統。

高科技的雷達水封是第一次被應用于瓦斯輸送,它與干式阻火器配套使用,分別對可能發生的爆炸起到泄壓和阻火的作用。其中,雷達水封的水位自動控制系統是一項軍轉民技術,穩定、可靠。

以上只是低濃度瓦斯輸送系統中的一些關鍵部件,在系統中,還包括機組各個重要部位的小型干式阻火器及相應的防爆門,輸送系統中的鋼管也是特制的,具有很高的強度,可以抵御爆炸產生的沖擊波。所有這些,共同保障低濃度瓦斯的安全輸送,組成了具有特色的低濃度瓦斯輸送系統,解決了利用低濃度瓦斯發電的前提。

3 低濃度瓦斯發電系統解決的技術難題

3.1 直接利用泵排瓦斯發電

以往利用高濃度瓦斯發電,都是由煤礦抽排泵將適合發電濃度的瓦斯送入儲氣罐,再由儲氣罐向瓦斯發電機組供氣。這樣做的好處很多,首先,儲氣罐就象一個大的混合容器,使得機組可以運行在一個濃度相對穩定的環境下;其次,儲氣罐還起到了均壓的作用,使進入機組的瓦斯壓力穩定;再次,在儲氣罐中,從井下抽到地面上的瓦斯中的水份將被慢慢沉積排出,不會進入發電機組。最后,儲氣罐還可以均衡瓦斯溫度,保證為機組在一定程度上的持續供氣等。但由于安全方面的問題,低濃度瓦斯發電系統不能有任何瓦斯儲存容器,由抽排泵提供的瓦斯氣直接進入機組。瓦斯濃度和壓力的不穩定直接導致機組功率變化大,甚至脫網、停機;大量的水分進入發電機組更是會給機組帶來災難性的損害;瓦斯氣中的固體雜質會造成發電機組內的積碳等等。

為了解決以上的問題,結合淮南礦業集團瓦斯利用分公司剛剛試運行成功的國內首個移動發電站,在低濃度瓦斯發電機組中采取了一系列技術革新,包括下述的高效的脫水裝置、便于及時、快捷操縱的電控混合系統等等。

3.2 瓦斯脫水

在這里的脫水裝置已經不僅僅是脫掉瓦斯從井下、水環式真空泵中帶來的水分,更要將細水霧輸送系統混合在瓦斯中的大量水分脫掉。低濃度瓦斯發電系統中采用了螺旋壓力脫水裝置,不僅脫水效果好,而且性能可靠,成本低廉。

3.3 機組空燃比的精確、迅速控制

在上面已經說過,由于要將低濃度瓦斯與空氣混合得當,并且還要能及時反應瓦斯壓力、濃度的變化,在低濃度瓦斯發電系統中的空燃比控制不但要精確,還要迅速。這套系統采用了進口的步進電機控制器、執行器、調速器及驅動器,以滿足空燃比控制精確、迅速的要求。除此之外,電控混合技術的引進解決了瓦斯濃度不穩定、壓力波動大而影響燃氣燃燒不穩定的問題;利用預燃室、電子點火技術加大點火能量,保證了低熱值燃氣的正常點火;采用全電子管理技術提高了機組的監控水平,保證了機組運行的穩定性等。

3.4 解決安全問題

3.4.1 瓦斯安全輸送

把低濃度瓦斯從抽排站安全輸送到瓦斯發電站是利用低濃度瓦斯的前提。低濃度瓦斯細水霧輸送系統很好的解決了這個問題。在輸送瓦斯的直徑為500 mm的管道上,每隔20 m便設置了一組細水霧噴頭,每組噴頭有12個噴頭組成,分別從不同的方向,將高達2 M Pa的水噴到輸氣管道中安裝的擋板上,經過反射,產生顆粒為1 000μm的細水霧,隨著低濃度瓦斯輸送,在進入機組之前,經過螺旋脫水裝置將水脫掉,完成低濃度瓦斯的安全輸送。在這里,細水霧起到了,阻爆、防爆、隔爆的作用。經過實驗,這樣的系統中,高達瓦斯點火三倍的能量也不能將瓦斯點爆,徹底杜絕了爆炸的隱患。

另一方面,由電磁閥、干式阻火器、雷達水封和高強度的鋼管,組成了主被動的隔爆系統,防止發電機組在運行中發生回火而將爆炸傳遞到井下。在瓦斯輸送管道上,安裝了壓力、溫度、甲烷濃度、氧濃度、流量采集探頭,將采集的數據傳送到在監控室的瓦斯輸送監控機上。通過設定的程序,電腦將監控以上數據,一旦發現有數據顯示發生或可能發生爆炸,監控機將自動關閉位于抽排站內的電磁閥,隔斷爆炸,對井下系統進行保護。雷達水封和干式阻火器在必要時,也可起到被動隔爆的作用。

3.4.2 發電機組安全

在機組上,也進行了大量的關于安全方面的改進。首先,較之高濃機組,低濃機組分別在進氣總閥、兩側增壓器前及中冷器前后加裝了7個小型干式阻火器,并在機組和脫水裝置上安裝了防爆門,保障機組安全運行。

在給兩側氣缸進氣管道上,安裝了防爆電磁閥,在機組突然停機時,自動關閉,防止回火。

其他諸如開放式廠房的設計,隨處可見的防爆電機,瓦斯、煙霧探頭,無不一一保障了低濃度瓦斯發電系統的安全運作。

利用低濃度瓦斯發電目前還是一個新興產業,但是這個產業的前景非常廣闊。

低濃度瓦斯發電解決了相當一部分瓦斯的抽排放空問題,在給社會產生了經濟效益的同時也減少了對環境的污染。

從長遠的角度看,利用低濃度瓦斯發電為將來對1%以下的超低濃度風排瓦斯積累了寶貴的經驗,為最終實現煤礦瓦斯零排放的目標奠定了基礎。

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TD712.+67

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1671-4733（2011）03-0010-03

2011-05-03

石曄（1982-）,男,安徽淮南人,助理工程師,從事低濃度瓦斯發電現場管理工作,電話:13966451739。