低濃度瓦斯發電工藝研究

摘要：瓦斯是與煤炭共同伴生的優質潔凈能源，同時也是一種溫室氣體，它的危害是CO2的21倍，國際清潔能源組織把瓦斯作為主要溫室氣體之一，要求各國盡可能降低煤礦向大氣排放瓦斯。我國多數高瓦斯礦井煤層透氣性差，為了提高抽采效果，多采用高負壓、大流量抽采系統，這樣勢必造成漏氣量增加，抽采瓦斯濃度降低，達不到瓦斯利用條件。本文對低濃度瓦斯發電工藝進行了相關研究。

關鍵詞：低濃度瓦斯發電；工藝研究

1.低濃度瓦斯發電技術研究現狀

主要應用于內燃機發電、燃氣輪機發電和氧化發電等。由于受到煤礦開采工藝的影響，高負壓系統抽采瓦斯和地面鉆井抽采瓦斯的濃度一般大于30%，主要應用于小型燃氣輪機和高濃度內燃機發電；低負壓系統抽采瓦斯的濃度普遍低于30%，主要應用于低濃度內燃機發電；礦井回風井風排瓦斯（乏風瓦斯）濃度通常在1%以下，主要采用低濃度瓦斯與礦井乏風瓦斯的混合氣（或低濃度瓦斯稀釋氣）進入熱逆流反應器和催化氧化反應器進行氧化發電。

1.1內燃機發電技術

由于煤礦抽采瓦斯濃度、壓力不穩定，因此中央控制器發送給執行器控制命令調節燃氣和空氣進氣量，自動調節混合比，混合后濃度一般設置在6%，使發動機空燃比始終保持在理想狀態，該項空燃比自動調節技術尤其適應低濃度、大流量的瓦斯與空氣混合進行低濃度瓦斯發電。發動機缸內爆燃，發動機回火的幾率再次增大，同時當發動機缸溫超過500℃，其缸蓋、活塞等零部件熱負荷增加后，極易產生爆震等機械事故，通過運用稀薄燃燒技術，發動機熱負荷降低，回火概率降低，機組運行可靠性提高；此外，缸體內甲烷燃燒速度也會加快，燃燒效率提高，發動機性能得到改善。

1.2燃氣輪機發電技術

提高燃氣輪機效率的關鍵是提高燃氣初始溫度，即改進高溫部件的冷卻技術。渦輪噴嘴、葉片等高溫材料由早期的一般合金材料發展到定向結晶、單晶葉片及陶瓷材料；由早期噴嘴和動葉片的對流、沖擊等冷卻發展到采用蒸汽冷卻。實踐表明，燃氣溫度每提高100℃，燃氣輪機效率增高近2%～3%，先進冷卻技術促使透平前端燃氣進口溫度提高500～800℃，因此簡單循環燃氣輪機的熱效率由早期的16%～25%提高到40%以上。由于礦井抽采瓦斯濃度以中低濃度居多，發電機組如果要保持相同輸出功率就需要輸入更大流量的低熱值瓦斯，運行的工況發生變化造成透平與壓氣機工作不協調、透平溫度升高、出現運行效率降低甚至停機現象。若要保證瓦斯在燃燒室內穩定燃燒，需要改變其內部結構，尤其要調整壓氣機和透平的流過面積，通過增加噴嘴面積、葉片高度來增大透平的燃氣通過量；通過降低空氣量、加大燃料管和閥的尺寸來增大壓氣機的燃氣通過量。燃燒室內部結構及各零部件的優化使燃氣輪機效率保持穩定，其性能將得到充分發揮。

1.3氧化發電技術

礦井低濃度瓦斯其濃度普遍較低，若滿足不了內燃機發電的要求，通常是將排空的低濃度瓦斯與乏風瓦斯混合（或將低濃度瓦斯稀釋至1%左右）后氧化放熱進行發電。其燃燒方式包括蓄熱式氧化燃燒（RTO）和蓄熱式催化氧化燃燒（RCO），共同特征是使用高溫空氣燃燒技術。蓄熱式氧化采用了混合氣體交替通過蜂窩狀蓄熱體燃燒室（或其他蓄熱體）技術，將氣體加熱至1000℃，使CH4發生支鏈反應，實現高溫燃燒；催化式氧化使用催化氧化燃燒技術，燃燒室即使在350～600℃時CH4仍可氧化燃燒，實現了NOx和CO的超低排放，以減少對大氣的污染。

2.低濃度瓦斯發電原理工藝流程及關鍵技術

2.1發電原理

通過水環式抽采泵站抽出瓦斯， 經安全管道進入500GF1-3RW型發電機組缸體，點燃爆炸推動活塞運動，產生機械能，進而轉化為電能。

2.2 瓦斯發電機組及其工藝流程

瓦斯發電機組是以成熟的內燃機技術為基礎，結合煤礦瓦斯的特點，對柴油發電機組加以改造而成。它由原來燃油改為燃燒瓦斯，發動機驅動發電機運轉，達到由機械能轉化為電能的目的。

2.3關鍵技術

2.3.1阻火技術

為了將瓦斯發電機組與瓦斯抽采系統隔離，在發電站總進氣管上設置了2個水封式阻火器、1個干式阻火器； 為了確保低濃度瓦斯在管道輸送過程中的安全，安設3組細水霧輸送裝置。

2.3.2電控燃氣混合器技術

電控技術是采用電子控制技術，通過閉環自動調節混合氣空燃比， 電控混合技術顯著提高了機組對瓦斯濃度和壓力變化的適應能力。

2.3.3瓦斯與空氣先混合后增壓技術

發電機針對瓦斯的特性精致設計和匹配增壓器和中冷器，實現燃氣稀薄燃燒，降低熱負荷，改善排放，提高發電機功率，同時提高了燃氣機的動力性、經濟性。瓦斯與空氣混合均勻，容易點火，避免了點火不連續現象性。

2.3.4稀燃技術

采用瓦斯與空氣先混合后增壓技術，調低空燃比，配合新概念預燃室技術，在局部形成點火能量相對優勢，爾后放大點火能量，提高甲烷燃燒速度，降低了發動機熱負荷，提高了發動機功率。

2.3.5數字式點火技術

數字式點火技術是由電控單元根據瓦斯發電機的不同工況，從軟件上調整點火能量和點火時間。

3.低濃度瓦斯發電應用中存在的問題及建議

1）繼續完善和改進發電設備

目前的燃氣輪機是針對中、高熱值燃料開發的，為適應低濃度瓦斯燃料，應改進其內部結構及控制系統，同時積極將燃氣輪機微型化，利用大、中、小型煤礦的抽采瓦斯都可進行發電，使裝機形式更加靈活。

2）瓦斯發電系統受瓦斯濃度波動影響較大，濃度過低，機組維持自身運行困難，因此需要積極發展摻混技術，包括高、低濃度抽采瓦斯摻混技術、乏風瓦斯與抽采瓦斯摻混技術。

3）以冷熱電為主要形式的多聯產系統實現了能源的梯級利用，能源綜合利用效率達70%～90%，但目前我國電網針對傳統型大型火電設計，小容量電站與大電網存在連接技術的問題，因此建議加快建設智能電網。配電網側的電力市場尚未開放，通常做法是“并網不上網，自發自用”，建議在不對國家安全造成影響情況下，盡快開放配電網，開發新的電力零售市場。

4）目前瓦斯發電機組在低碳、減排方面還有待改進和完善，需要嚴格控制發動機及反應器的NOx排放，包括不斷完善內燃機稀薄燃燒技術、催化還原技術（在燃氣輪機用）、催化氧化發電技術、發展抗高溫材料。隨著京都議定書到期，國內發電企業在無碳減排機制前提下可能是處于虧損狀態，建議盡快在企業碳排放方面制定相應政策并實施，鼓勵技術先進、節能減排環保的發電企業，淘汰高排放、落后產能電企。

5）在各礦區井田邊界上考慮規劃瓦斯利用區，同時開發低濃度瓦斯長距離輸送技術，以便集約開發，瓦斯電站朝大型化發展，這樣，電站在經濟效益增加的同時可避免各煤礦重復投資建設，節約社會成本。

4.結語

瓦斯發電符合國家能源產業政策，提高了礦井瓦斯抽放的積極性，同時有利于礦井安全生產。瓦斯發電項目的實施，減少了溫室氣體的排放，為企業創造了良好的經濟效益，具有安全、環保、節能的三重價值。低濃度瓦斯發電技術既節約能量又可減少環境污染，值得在煤礦推廣。

參考文獻

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作者簡介：

薛旭兵（1980-），男 漢族，山西省柳林縣人，助理工程師職稱，瓦斯發電方向.