低濃度瓦斯發電在開元煤礦的應用

王 俊

(晉中市陽煤揚德煤層氣發電有限公司，山西 晉中 045400)

瓦斯是煤炭的一種伴生能源，濃度在25%以上的瓦斯稱為高濃度瓦斯，高濃度瓦斯的抽采技術已非常成熟，可直供鍋爐燃燒、化工生產或民用。濃度在25%以下的瓦斯稱為低濃度瓦斯，5%～16%的低濃度瓦斯遇明火即可發生爆炸，在抽采、運輸過程中存在較大的安全隱患，煤炭開采過程中若通風不暢或抽采不及時會引起安全事故。由于瓦斯濃度和抽放量不穩定，所以瓦斯的利用率非常低，大部分瓦斯被直接排放到大氣中，對生態環境造成嚴重污染。開元煤礦借鑒國內外礦井低濃度煤層氣利用技術，結合煤礦實例，建立了瓦斯發電站，并根據應用現狀提出了改進措施。

1 低濃度瓦斯發電技術

1.1 低濃度瓦斯發電站系統組成

1) 瓦斯抽采系統。煤礦設有專用的瓦斯抽放泵站，使用大型水環真空泵將井下工作面的瓦斯抽采出后經過安全性強的輸送管道輸送至發電機組。

2) 安全輸送系統。在低濃度瓦斯輸送過程中，增設了絲網過濾器、干式阻火器、水封防爆器、細水霧裝置以及終端的氣水分離器。絲網過濾器內部由絲網構成，可以過濾瓦斯氣體中固體顆粒，提高進氣純度。干式阻火器是用來阻止易燃氣體的火焰蔓延的安全裝置，其原理是阻火器內裝滿了黃銅或不銹鋼的金屬網，當火焰進入阻火器時，金屬網導熱系數高，吸收分散熱量，使溫度降低，熄滅火焰起到阻火作用。水封防爆器是單向輸氣裝置，當管道發生爆炸時，阻止火焰向上游蔓延。細水霧系統將霧化水灑向輸送的瓦斯，給瓦斯進行降溫，達到阻止火焰的效果。氣水分離器是在低濃度瓦斯進入發動機前，將燃氣中的水分分離出去，以便其達到發動機的進氣要求。

3) 發電機組系統。使用往復式12缸4個沖程燃氣內燃機進行發電，發電機容量為625 kVA，轉速為1 000 r/min，輸出電壓為400 V.

4) 控制系統PLC.控制系統由溫度傳感器、壓力傳感器、轉數傳感器、電子設備、調速設備、停機設備及燃料供給設備組成。若燃燒室溫度、轉數及壓力超過預設值時，PLC會發出指令停止相應設備。

5) 并網供電系統。發電機組輸出電壓為400 V，經控制柜、斷路器柜、2 000 kVA升壓變壓器升到35 kV，經高壓開關柜，用自動準同期方式并網。

6) 余熱利用系統。發電機組排煙溫度600 ℃，煙氣余熱回收后可進行冬季供暖。

瓦斯安全輸送系統圖見圖1. 發動機內部簡圖見圖2.

圖1 瓦斯安全輸送系統圖

1.2 發電過程

抽采出的瓦斯經輸送管道進入水位自控式水封阻火器→瓦斯專用管道阻火器→水霧發生器→溢流脫水水封阻火器→旋風重力脫水器，最后進入燃氣內燃機發電機組，將低濃度瓦斯和空氣混合，制成混合燃燒氣。將混合燃燒氣送入氣缸中，經過活塞壓縮-點火燃燒，產生高溫高壓氣體，推動活塞運動，帶動曲軸轉動，通過聯軸器與發電機轉子連接，將動力傳給發電機，通過發電機將機械能轉化為電能，進行發電。

1.3 低濃度瓦斯發電機組的核心技術

低濃度瓦斯發電在應用過程中為了保證發電過程順利進行，需要核心技術來支撐。

1) 瓦斯管道專用阻火技術。在增壓器前與調節閥之間設置一道阻火器，防止增壓器可能的火焰回傳瓦斯輸送管道。在中冷器前與增壓器后設置一道阻火器，防止增壓器可能的火焰破壞中冷器。在發動機進氣總管與調速蝶門之間設置一道阻火器，防止發動機燃燒室火焰回傳。

圖2 發動機內部簡圖

2) 電控燃氣混合技術。為了適應瓦斯濃度變化，使用計算機控制空燃比和混合氣的混合比例，使發電機組輸出功率穩定。

3) 瓦斯與空氣混合增壓技術。煤礦瓦斯壓力較低，不能直接進行發電，為了減少投資，降低安全隱患，使用發動機尾氣將混合氣增壓后進行發電，不需要使用額外的增壓裝置對混合氣進行增壓。

4) 燃燒自動控制技術。將機組缸溫控制在420 ℃以下，降低熱負荷，避免爆震發生，延長關鍵部件的使用壽命。

5) 細水霧輸送裝置。保證輸送管道不漏氣、不易燃。具體安置數量由管道長度和機組規模決定。

2 低濃度瓦斯發電技術的應用

2.1 開元煤礦低濃度瓦斯發電應用現狀

瓦斯抽放系統：純瓦斯抽放量2 500萬m3/年，瓦斯濃度10%～20%，滿足低濃度瓦斯發電需求。瓦斯發電站：20臺G12V190ZLWd2-2裝機容量 10 MW發電站。

1) 經濟效益。將濃度為10%左右的瓦斯進行預處理后應用低濃度瓦斯發電機(型號為G12V190ZLWd2-2)進行發電。該煤礦有20臺發電機，單臺發電機額定負荷500 kW，每臺機器連續運行實際功率=發電機功率×功率因素，即500 kW×0.8=400 kW，除去檢修時間，年工作時間約為330天，年發電量=20臺×400 kW×24 h×330天=6 336萬kWh，總收益為：0.5萬/kWh×6 336萬kWh=3 168萬元，經濟效益顯著。

2) 社會效益。如果將瓦斯氣體直接排放到空氣當中，會對大氣造成嚴重污染，產生的溫室效應是二氧化碳的21倍，對臭氧的損害是一氧化碳的7倍。該煤礦抽采的煤層氣濃度在12%左右，按每日發電所需低濃度瓦斯為50萬m3計算，年消耗約為18 000萬m3，減少瓦斯直接排放后造成的溫室效應。

3) 余熱利用。冬季利用板式換熱器將余熱供給廠區供暖系統，但是夏季不需要供暖，余熱回收功能無法實現。

4) 由于技術限制，低濃度瓦斯發電機普遍功率在1 000 kW以下，加上低濃度瓦斯的濃度、壓力不穩定，所以自動化程度比較低，如何進一步提高低濃度瓦斯發電效率將是下一步研究的方向。該礦在使用瓦斯發電時，使用燃氣內燃機發電后瓦斯燃燒充分，抗爆燃性能好，有害氣體排放少，但是機組在維修和保養時工作較復雜。

2.2 低濃度瓦斯發電安全保障措施

低濃度瓦斯發電時主要有兩大難點：

1) 低濃度瓦斯輸送困難，由于瓦斯濃度在5%～16%時，如遇明火會發生爆炸，而低濃度瓦斯一般都在這區間。

2) 由于低濃度瓦斯濃度、壓力不穩定容易波動，極易造成發動機運行中止。

與高濃度瓦斯發電機相比，為了提高低濃度瓦斯發電機的工作效率，在低濃度瓦斯發電機加入了中冷器和增壓器兩個重要部件。增壓器的作用是利用發動機排出的廢氣所具有的能量，驅動渦輪使之高速轉動，帶動與之同軸的壓氣機，將可燃混合氣壓縮，使具有一定壓力的混合氣進入氣缸，使發動機的充氣密度增加，升功率提高，經濟性能得到改善。中冷器的作用是冷卻進入發電機的瓦斯氣體，降低氣體溫度，增加氣體密度，減少安全隱患，其主體是圓管串片散熱器結構，采用風冷方式，通過水泵驅動冷卻液冷卻瓦斯。

低濃度瓦斯發電機還采取了必要的防爆安全措施：曲軸箱設有防爆門、進氣管設有防爆裝置、呼吸器設有導氣孔。曲軸箱防爆門設在機體側面觀察蓋上，當由于異常導致曲軸箱內瓦斯氣體出現爆燃時，曲軸箱壓力急劇升高，使防爆門自動打開，起卸壓作用，防止機器損壞。進氣管防爆裝置主要有防護罩、彈簧和閥桿構成，如進氣管產生回火時，進氣管內壓力升高，推開閥桿卸壓，起到保護進氣管的目的。呼吸器則保證了曲軸箱內可能混有的可燃氣體的廢氣及時排出。

3 低濃度瓦斯發電技術改進措施

3.1 液態水對發電效果的影響

細水霧混合輸送法是目前常用的瓦斯輸送方法，適用于長距離輸送。鑒于瓦斯輸送過程中的易燃易爆特性，在輸送過程中采用細水霧系統給管路中的瓦斯氣體灑水，確保輸送安全。在進入發電機組前需要進行脫水除霧處理，使用重力分離式脫水方式，該裝置設備簡單，利于后期維護，但是脫水效率差，仍有部分液態水隨著氣流進入發電機組，可導致火花塞點火困難，影響發電效率，另外加速輸送管道銹蝕，引起機組生銹，影響機器壽命。針對這一狀況增設了電制冷脫水裝置，在開元煤礦經過兩年驗證，機組運行狀況得到明顯改善，發電效率也明顯提升。

3.2 低濃度瓦斯安全輸送問題

通過使用安全保障技術及安全保障裝置后，低濃度瓦斯輸送安全問題得到改善，但是仍無法將安全事故發生率降低為零。通過查找文獻，提出幾點關于安全輸氣的方法：

1) 控制瓦斯氣體的濃度和壓力，在輸氣系統的進氣段及檢驗排空段進行瓦斯氣體的濃度和壓力校驗，提供恒濃度恒壓力的氣源。

2) 進一步提高輸送管道質量，對輸送管道進行防腐蝕、防靜電、防漏氣、防破壞處理。

3)提高全員安全意識，認真執行科學有效的操作規程。

3.3 燃氣發電機組的維修和保養

該礦使用的燃氣發電機組是濟南柴威動力設備有限公司生產的G12V190ZLWd2-2內混式氣體發動機，該種機組在運行工作條件惡劣的情況下，零件易損傷，拆卸及更換工作也復雜，因此，對日常維護和保養工作要求較高。維修組工作人員應嚴格按照規定進行日常保養，做好潤滑系統和空氣過濾器的檢查保養工作，以及相關間隙和角度的檢查和調整工作，確保機組可靠運行。機組活塞、氣缸、進排氣門發生故障的頻率較高，維護量大，應采用合適的維修工具或者對原有工具進行改進，提高檢修效率。

3.4 余熱回收功能開發

該礦冬季對低濃度瓦斯發電機組余熱進行回收供暖，但夏季未實現余熱回收功能，不僅造成資源浪費，而且廢氣在冷卻降溫過程中會增加冷卻水的用量?？衫脵C組余熱進行洗浴、向風井送熱風暖井等，環保和社會效益顯著。

4 小 結

低濃度瓦斯安全輸送問題得到妥善解決后，會大大提高低濃度瓦斯的利用率，低濃度瓦斯利用將向綜合利用方向發展，在以后的工作中，如何更高效利用瓦斯，會逐步成為從業者研究主題。