煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)

張紅明 賈政

【摘要】煤礦瓦斯屬于清潔型能源，儲(chǔ)量大，經(jīng)濟(jì)性良好。瓦斯是煤層的伴生物，主要成分為甲烷。我國(guó)煤層氣資源量巨大，僅僅次于俄羅斯、加拿大。開發(fā)利用瓦斯具有節(jié)能、環(huán)保、增效等意義。本文介紹了3種煤礦瓦斯開發(fā)方式及其產(chǎn)氣特點(diǎn)，并對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)應(yīng)用條件進(jìn)行了比較，提出了煤礦瓦斯發(fā)電需要解決的“技術(shù)安全、瓦斯?jié)舛鹊倪m應(yīng)性和壓力的變化”三大技術(shù)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】煤礦瓦斯；發(fā)電技術(shù)；安全輸送

1 瓦斯開發(fā)方式及特點(diǎn)

煤炭開采前地面鉆井開采煤層氣方式抽采又稱煤層氣地面開發(fā)，是指利用垂直井或定向井技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)（如壓裂、洞穴完井等）、排水降壓采氣技術(shù)來(lái)開采原始儲(chǔ)層條件下的煤層氣資源的開發(fā)方式。地面開發(fā)生產(chǎn)的煤層氣體，主要組分是甲烷（90%以上），含有少量氮?dú)猓鰵鈮毫σ话阍?.1MPa以上，是一種優(yōu)質(zhì)的天然氣。

煤礦抽放是指通過(guò)煤礦井下抽放、煤礦采動(dòng)區(qū)抽排、廢棄礦井抽排等方法開采煤層氣的一種工業(yè)行為。煤礦井下抽放是目前我國(guó)最普遍的一種抽放方式；煤礦采動(dòng)區(qū)抽排是充分利用煤炭開采過(guò)程形成的采動(dòng)影響帶開采煤層氣；廢棄礦井抽排則是利用已報(bào)廢的煤礦采空區(qū)進(jìn)行負(fù)壓抽排煤層氣。由于受到煤炭生產(chǎn)影響，在抽放過(guò)程中總要從采煤工作面或巷道灌人一定量的空氣，因此煤礦抽放所獲得的瓦斯，其品質(zhì)不如地面開發(fā)的煤層氣產(chǎn)品品質(zhì)。通常，煤礦抽放出的煤層氣的甲烷體積分?jǐn)?shù)一般在10%～55%，因此稱之為低濃度煤層氣。

風(fēng)排瓦斯又稱為煤礦乏風(fēng)，甲烷排放量約占總排放量的90%，甲烷體積分?jǐn)?shù)一般在0.1%～1%。目前，乏風(fēng)氧化發(fā)電技術(shù)研究還處于起步階段。

2 煤礦瓦斯發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 煤礦瓦斯發(fā)電設(shè)備應(yīng)用比較

燃?xì)廨啓C(jī)比較適合于高濃度瓦斯，需要1.0MPa以上的瓦斯壓力，必須配套多級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行瓦斯壓力提升，在高溫高壓下瓦斯爆炸上限提高，著火范圍變寬，瓦斯?jié)舛鹊蜁r(shí)容易發(fā)生爆炸，因此如果瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于35%以下，就不能運(yùn)行。另外低的瓦斯?jié)舛纫苍斐蓧嚎s機(jī)需求的排量大，功耗加大，投資效益變差。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的燃燒在封閉的燃燒室內(nèi)進(jìn)行，燃燒時(shí)不與外部相連，因此，從原理上講，除了可以燃用高濃度瓦斯外，在爆炸范圍內(nèi)的瓦斯也可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，但是進(jìn)氣管回火現(xiàn)象是客觀存在的，如果不能消除回火，那么將引起在爆炸范圍內(nèi)的瓦斯發(fā)生爆炸，對(duì)煤礦安全產(chǎn)生威脅。

2.2 煤礦瓦斯發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)

煤礦瓦斯發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)可以概括為瓦斯混合、自動(dòng)控制、安全阻火三大類，細(xì)分為十項(xiàng)。

（1）等真空度膜片混合技術(shù)。主要用于甲烷體積分?jǐn)?shù)大于75%的煤層氣，調(diào)整混合器燃?xì)夤鈮毫凸?jié)流調(diào)節(jié)閥的開度，可以實(shí)現(xiàn)空燃比隨功率變化的匹配特性，低負(fù)荷空燃比，高負(fù)荷空燃比大。該技術(shù)無(wú)法自動(dòng)適應(yīng)瓦斯?jié)舛鹊淖兓捎诘孛骈_發(fā)的煤層氣成分非常穩(wěn)定，隨時(shí)間的變化非常緩慢，相當(dāng)于天然氣，因此，這種混合器能滿足高濃度煤層氣應(yīng)用場(chǎng)合。

（2）文丘里電控混合器混合技術(shù)。文丘里電控混合器采用文丘里管原理，利用空氣在文丘里管流動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓力，使瓦斯從側(cè)通道進(jìn)入混合器進(jìn)行混合。當(dāng)瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行控制，調(diào)整混合器瓦斯通道的開度，從而使混合氣濃度保持穩(wěn)定。這種混合器可以適應(yīng)體積分?jǐn)?shù)為30%～55%和45%～75%的瓦斯混合需要。

（3）雙蝶門混合器電控技術(shù)。對(duì)于低濃度瓦斯，如果體積分?jǐn)?shù)為25%，空氣與瓦斯混合的體積比大約為3：1，如果瓦斯體積分?jǐn)?shù)降為10%，那么空氣與瓦斯混合的體積比大約為9：1。因此，常規(guī)的混合器無(wú)法滿足低濃度瓦斯混合的需要。該混合器工作范圍寬，可以用于體積分?jǐn)?shù)為6%～30%的瓦斯混合。

（4）瓦斯低壓進(jìn)氣混合技術(shù)。天然氣與地面開發(fā)的煤層氣壓力和濃度都比較，因此可以采用增壓后混合方式。礦井抽排瓦斯壓力一般在10kPa，體積分?jǐn)?shù)多在10%～55%，比較適合于空氣與瓦斯增壓前預(yù)混合，混合器前瓦斯壓力為。就可滿足要求，因此機(jī)組供氣壓力只需3kPa～5kPa就能正常運(yùn)行，提高了投資經(jīng)濟(jì)性。

（5）低壓大流量先導(dǎo)調(diào)壓控制技術(shù)。在通道節(jié)流面積一定的情況下，流量近似與壓力差的1/2次方成正比。空氣進(jìn)氣壓力為0，需要瓦斯進(jìn)口壓力也為。，而雙蝶門混合器后的壓力為kPa2kPa的負(fù)壓，如果調(diào)壓閥的出口壓力變化0.5kPa，那么意味著瓦斯流量變化一倍。

（6）TEM電子管理技術(shù)。電子管理系統(tǒng)簡(jiǎn)稱TEM系統(tǒng)。它主要實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、控制、顯示、報(bào)警保護(hù)、通信、數(shù)據(jù)記錄保存和打印功能。計(jì)算機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和缸溫的變化自動(dòng)發(fā)出調(diào)整信號(hào)，使混合器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)調(diào)整混合器空氣通道和瓦斯通道的開度，實(shí)現(xiàn)混合氣的濃度保持不變。

（7）瓦斯阻火技術(shù)。當(dāng)火焰通過(guò)金屬板狹窄通道時(shí)，由于火焰表面的化學(xué)反應(yīng)放熱與散熱條件不匹配，使火焰熄滅。火焰以一定速度進(jìn)入金屬板狹縫時(shí)，火焰靠近狹縫冷壁處，作為化學(xué)反應(yīng)活化中心的自由基和自由原子與冷壁相碰撞放出能，這相當(dāng)于反應(yīng)區(qū)的熱量流向冷壁邊界，從而當(dāng)火焰面達(dá)到一定距離時(shí)，開始形成熄火層，隨著火焰面的運(yùn)動(dòng)，熄火層厚度不斷增大，以至自由基進(jìn)入熄火層內(nèi)就復(fù)合成分子并放出能量，自由基越來(lái)越少直到?jīng)]有，火焰熄滅。

（8）濕式液位自控水封阻火技術(shù)。當(dāng)火焰通過(guò)水層時(shí)，火焰與水接觸，能量被水吸收，化學(xué)反應(yīng)的自由基減少并消除。

（9）瓦斯細(xì)水霧滅火技術(shù)。冷卻：細(xì)水霧顆粒直徑越小，相對(duì)表面積越大，受熱后更容易汽化。在汽化過(guò)程中，從燃燒區(qū)吸收大量的熱量，使燃燒區(qū)溫度迅速降低，當(dāng)溫度降至燃燒臨界值以下時(shí)，熱分解中斷，燃燒隨即終止；稀釋：火焰進(jìn)入細(xì)水霧后，細(xì)水霧迅速蒸發(fā)形成蒸汽，由液相變?yōu)闅庀啵瑲怏w急劇膨脹，比表面積膨脹約1760倍，最大限度地使燃燒反應(yīng)分子在空間上距離拉大，抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

（10）低濃度瓦斯安全輸送工藝技術(shù)。低濃度瓦斯安全輸送技術(shù)工藝流程概括起來(lái)就：“3+4×1”的技術(shù)有機(jī)組合，“3”就是3種防火、阻火技術(shù)結(jié)合，來(lái)提高安全可靠性，即細(xì)水霧阻火、金屬波紋帶阻火和雷達(dá)控制水位的水封卸爆阻火技術(shù)的串聯(lián)。“4×1”即：末端設(shè)置了一級(jí)脫水器、細(xì)水霧供水系統(tǒng)、一套瓦斯輸送壓力控制機(jī)構(gòu)，限定瓦斯最高壓力、設(shè)置了一臺(tái)煤礦瓦斯細(xì)水霧輸送電子管理系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

瓦斯發(fā)電市場(chǎng)容量巨大。目前全國(guó)每年利用煤礦瓦斯發(fā)電量?jī)H為20億kW·h左右，用氣量約為7億m3，不到瓦斯排放量的5%，絕大部分瓦斯被直接排放到大氣中。隨著瓦斯發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，瓦斯的利用率必將不斷提高，即減少了污染，有實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳宜亮.低濃度煤層氣發(fā)電機(jī)組技術(shù)及其應(yīng)用[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（4）：108-110