瓦斯發電技術與節能減排

劉超宏

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦 山西古交 030205）

引言

我國具有相當大的煤礦瓦斯儲量，據相關統計報告顯示，我國的煤礦瓦斯總儲存量可以達到36 萬億m3，每年從煤礦瓦斯當中提取出的CH4總量可以達到150 億m3。但是從目前的發展趨勢來看，我國對煤礦瓦斯當中CH4的利用效率非常低，利用率往往不到十分之一，大量的CH4氣體排放到大氣當中，對我國的生態環境造成了非常大的污染。CH4是一種對大氣危害非常大的氣體，但是其在發電工作當中卻有著巨大的作用，平均每35 億CH4可以生產出130 億kWh 的電量，這樣一來就實現了經濟效益和社會效益的統一。在下文當中筆者將以此作為切入點，對如何提升瓦斯發電技術當中的節能減排能力進行詳細的分析。

1 煤礦瓦斯的特性以及采集流程

煤礦瓦斯存在于石煤層當中，每個石煤層當中都會存在一定量的天然甲烷和空氣的混合性氣體，這就是我們所說的煤礦瓦斯。煤礦瓦斯的產生原理是通過有機物的碳化過程產生的，整個碳化過程非常漫長，往往需要上億年的時間，因此煤礦瓦斯是我國非常重要的一種資源。煤礦瓦斯本身不具有毒性，但是當濃度在5%-15%區間之內非常容易發生爆炸現象，對煤礦的安全生產造成了非常大的威脅。煤礦瓦斯雖然對煤礦開采工作產生了非常大的威脅，但是從能源的發展角度來看，煤礦瓦斯是一種性能非常卓越的清潔能源，如果利用得當的話，會使我國能源生產行業的經濟效益得到實質性的提升，避免由于能源緊張問題影響日常的生產活動。

煤礦瓦斯的開采方式主要有三種，分別是地面鉆井開采方式、井下抽放系統和地面輸送系統采集方式以及煤礦通風方式。地面鉆井開采技術是最為基礎的瓦斯開采技術，該技術所采集的沒狂暴瓦斯當中CH4的濃度非常高，平均可以達到90%以上，其成分特征與天然氣非常類似[1]。因此采集到的氣體可以通過天然氣發電設備進行發電或者將其作為民用燃料使用，整體的技術水平要求相對較低，同時經過長時間的發展，技術較為純熟。

井下抽放系統和地面輸送系統結合的開采方式所提取出瓦斯的CH4濃度大約在5-80%區間之內，其中大部分為濃度較低的CH4[2]。該濃度下的瓦斯由于存在非常大的爆炸風險，因此從應用角度上來看收到非常大的局限。一直以來，濃度在5-30%濃度區間之內的瓦斯利用是能源行業當中一項重要的技術難題，經過近幾年來的發展，雖然該技術取得了一定程度上的進步，但是在應用層面上仍處于粗淺的層面，無法進行規模化使用。

煤礦通風方式能夠排出大量的瓦斯氣體，但是CH4的含量普遍較低，一般都在1%以下。這種瓦斯氣體又被稱作是風排瓦斯。這些瓦斯氣體由于CH4的濃度非常低，在能源領域幾乎沒有什么利用價值，因此在大多數情況下都會通過排空的方式來進行處理。

通過上述分析我們可以看出，瓦斯利用的問題主要集中在兩個方面，第一個方面是開采過程中所使用的設施設備要保證能夠自動適應瓦斯濃度的變化，第二個方面是解決在特定濃度下瓦斯氣體的爆炸風險。通常情況下，在煤礦巷道當中抽出的瓦斯氣體具有一定的不穩定性，濃度值波動比較大，一般來說在抽排工作開始階段濃度值比較穩定，但是在一段時間過后濃度值就會降到安全濃度范圍之下。據相關統計數據限制，我國九成以上的瓦斯氣體屬于低濃度級別的瓦斯，具有不同程度的爆炸風險[3]。因此我國相關部門明確規定，濃度低于30%的瓦斯氣體禁止在地面上進行運輸。低濃度瓦斯氣體的運輸成為了業內相關研究人員所要去重點研究的問題。

2 瓦斯發電的節能減排作用

2.1 瓦斯發電系統的主要構成

在瓦斯發電站中，主要的系統及設備有煤礦瓦斯開采系統、瓦斯氣體預處理系統、內燃發電機、輸變電系統以及余熱系統等等。其中內燃機是瓦斯發電工作當中節能減排理念實現的重要設備，余熱系統是瓦斯發電過程中節能減排理念貫徹的重要創新點。具體的發電流程工藝如下，并對工藝流程當中的每個環節進行全面的分析。

瓦斯抽放站→瓦斯加壓站→瓦斯混氣站→瓦斯儲氣柜→瓦斯預處理系統→內燃系統。

瓦斯混氣站的主要作用是推動瓦斯儲氣柜當中瓦斯氣體的流動性能，如果瓦斯氣體的流動性能較差的話，對不同溫度、壓力以及濃度瓦斯氣體之間的融合會產生一定的影響[4]。通過瓦斯混氣站的設置，能夠將不同濃度的瓦斯氣體進行充分混合，在一定程度上減小了瓦斯發電過程中氣體的浪費以及成本的消耗，使其在進入瓦斯儲氣柜之后能夠達到一個科學的平衡點。

瓦斯儲氣柜的主要用來緩解瓦斯在抽取過程中出現的不穩定性。在瓦斯發電的過程中，內燃發電機組在運行狀態時不可避免的會出現檢修、調試以及故障等狀況，這樣一來就會導致瓦斯的輸送系統無法及時而準確的供應氣體。瓦斯儲氣柜正是在瓦斯條件不穩定的狀況下，對其進行一定程度的平衡和緩沖作用，并且還能夠在一段時間內對瓦斯氣體進行存儲，同時全面調節瓦斯輸配系統。在瓦斯儲氣柜的調節之下，能夠有效緩解瓦斯在發電的過程中出現氣體浪費和違規排放的現象，實現瓦斯發電的可持續發展。

瓦斯預處理系統化主要是對瓦斯進行全方位的凈化處理，通過預處理系統能夠全面清除瓦斯氣體當中的粉塵和水分，保障其供給參數達到相應的發電標準。在具體運轉方面，首先通過系統對瓦斯進行脫水處理，防止瓦斯氣體含水量過大，之后對瓦斯氣體進行全面過濾，降低瓦斯氣體當中的粉塵含量，最后通過羅茨風機對瓦斯氣體進行加壓，做好發電過程的準備。

內燃系統是瓦斯發電過程中節能環節的核心所在，內燃發電機組只有在瓦斯氣體當中甲烷含量超過40%時才能夠進入正常的運行狀態。傳統的內燃機在瓦斯氣體處理的過程中會排放出大量的熱能，高溫煙氣溫度可以達到400℃以上，如果這些煙氣直接排空的話，會對環境造成非常嚴重的熱污染，同時還會造成巨大的熱能浪費。因此現階段，在內燃機當中都會加入余熱回收系統，通過余熱鍋爐來對這些熱能進行回收處理，并通過內燃機排氣過程中產生的余熱和富氧燃燒作用產生熱蒸汽，用于生產和日常生活當中。換熱之后的燃氣從煙囪當中進入大氣，在這個過程當中，瓦斯能量完成了充分的轉化，大約有40%的能量直接轉化為電能，另外有45%轉化為熱能，從根源上貫徹落實了節能減排的理念，使資源在生產過程中得以循環利用。

結語

本文結合生產情況，詳細分析了瓦斯發電技術當中節能減排技術的具體應用，望相關部門及工作人員能夠結合實際的生產情況，對文中的具體優化措施進行有效應用。