淺談高濃度瓦斯發電廠工藝設計

王俊杰

(煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001)

我國大約有30%以上的煤礦瓦斯是甲烷含量在30%以上的高濃度瓦斯。高濃度瓦斯發電是指利用甲烷含量在30%以上的瓦斯進行發電，而且瓦斯抽放系統多是以單個礦井為單位建立的，相對地作為發電燃料的瓦斯濃度的可選擇性較少。因此，在煤礦瓦斯的利用上應考慮坑口分布式高濃度瓦斯發電廠的建設。

高濃度瓦斯發電廠工藝系統包括:燃料供應與輸送系統、高濃度瓦斯發電機組、余熱利用設施等部分。下面從高濃度瓦斯發電廠的工藝系統，重要設施、設備的工作原理及應考慮的設計程序等方面進行具體論述。

1 燃料供應與輸送系統

煤礦在開采過程中礦井瓦斯涌出量相當豐富，瓦斯抽放工作在礦井抽放系統已經確立的情況下，其服務年限應與礦井服務年限一致[1]. 瓦斯輸送系統各管段均設有放散閥、吹掃接口，吹掃氣體為氮氣匯流排提供的氮氣。

1.1 加壓與混氣系統

經過在井下收集抽取后通過管路輸送到地面抽放泵站的瓦斯里常含有硫分、水分，且壓力較低[2]. 因此，在瓦斯抽放泵站出口設計加壓泵房，安裝加壓風機和脫硫脫水設備。脫硫設備可選用干法脫硫設備。采用氧化鐵脫硫劑的干法脫硫設備具有孔隙率大、硫容量大、強度高、遇水不粉化、不影響脫硫、脫硫效率高等特點。

加壓泵房將井下抽放的瓦斯升壓、脫硫脫水后，通過瓦斯管道輸送至混氣裝置。為了滿足高濃瓦斯內燃機正常運行對供氣濃度的要求，同時為了充分利用抽放的瓦斯，將瓦斯、空氣通過混氣裝置混合至30%～45%濃度進入儲氣柜。根據上述設計參數，采用隨動流量式混氣方式即以高濃瓦斯為基準氣源，以低濃瓦斯或空氣為隨動氣源，通過調節閥調節高濃瓦斯的流量，低濃瓦斯或空氣跟隨流量的變化自動調節流量以滿足混合比例及達到工藝要求。設計選用靜態混氣器作為實現該混氣功能的主要設備，采用以PLC和計算機系統為控制系統的核心，通過調節閥實現對瓦斯流量的調節，通過監控甲烷濃度實現對混合氣的調控，保證穩定的混氣比例。隨動流量式混氣方式具有控制方便、投資少、運行費用及維護成本低等特點。

1.2 儲氣柜與預處理系統

混氣裝置出來的高濃瓦斯通過瓦斯管道接入發電廠的干式儲氣柜。儲氣柜儲存的全廠用氣量應能夠滿足當供氣管路故障時全廠安全停機所需的用氣量。

瓦斯從干式儲氣柜出來后通過瓦斯管道輸送至預處理車間，預處理車間的額定處理能力應滿足全廠用氣需求。

預處理主要工藝流程如下：

瓦斯→初級過濾器→冷干除濕設備→鼓風機→

↓ ↑

制冷機組

精密過濾器→阻火器→燃機間

1) 初級過濾器。

瓦斯中含有的雜質會影響羅茨風機的正常運行，并降低其使用壽命，故在羅茨風機前設置初級過濾器，以濾掉瓦斯中的大部分雜質。

2) 冷干除濕設備。

含有水分的瓦斯若直接進入高濃度瓦斯內燃機燃燒，將降低高濃瓦斯內燃機的效率和運行可靠性，縮短高濃燃機的使用壽命，因此需設置冷干除濕設備對瓦斯進行預冷及脫水，以滿足內燃機對瓦斯的濕度要求。冷干除濕設備包括：水-瓦斯氣換熱器(使瓦斯溫度降低)、氣水分離器(使瓦斯脫水)、制冷機組(為水-瓦斯氣換熱器提供冷卻水)、循環水泵(為冷卻水提供動力)以及補水箱(補充冷卻水損耗)，使得瓦斯濕度降至高濃度瓦斯內燃機濕度上限(通常為50%)以下。

3) 鼓風機。

從儲氣柜出來的高濃瓦斯壓力較低，考慮儲氣柜至預處理車間沿程管道及閥門等的阻力損失，并滿足高濃度瓦斯內燃機對燃料的進氣壓力較高的要求，因此預處理系統需設置鼓風機，設計采用羅茨鼓風機。

4) 精密過濾器。

在羅茨鼓風機出氣管道上設置精密過濾器，以濾掉瓦斯中殘余的細小雜質，確保高濃燃機用氣要求。

1.3 瓦斯防爆

井下抽放瓦斯主要成分是CH4和空氣的混合氣體，CH4屬于易燃易爆氣體，所以要做好防爆工作。

可燃氣體和空氣的混合氣體遇明火而引起爆炸時的可燃氣體含量(體積分數)范圍稱為爆炸極限。在這種混合氣體中當可燃氣體的含量減少到不能形成爆炸混合物時的含量，稱為可燃氣體的爆炸下限；而當可燃氣體含量增加到不能形成爆炸混合物時的含量，稱為可燃氣體的爆炸上限。CH4在常壓和20 ℃溫度條件下空氣中的混合濃度爆炸下限是5%，爆炸上限是15%. 但是混合氣體的爆炸極限不是一個固定值，隨著各種因素而變化，與壓力、溫度、含氧量等因素有關。壓力增加、溫度升高、含氧量增加均使爆炸極限范圍擴大[3]. 由于瓦斯中CH4濃度是變化的，在使用井下抽放瓦斯作為機組的燃料時不僅必須滿足CH4濃度在爆炸區域以外，而且必須有較大的安全系數。

瓦斯管道上設在線CH4濃度監測儀，當濃度低于32%時報警，低于30%時切斷閥門，停止瓦斯供應。在儲氣柜進出口、氣動盲板閥兩端及瓦斯管道末端等處設有放散管，放散管高出管道4 m，離地面不小于10 m. 在機組啟動及停運時瓦斯管道采用氮氣吹掃。在預處理系統出口及放散管上設置阻火器。每個預處理單元進出口均設有蝶閥和氣動切斷閥，在瓦斯出口母管上設有阻火器、安全閥、放散管及流量計量裝置，確保系統安全可靠地運行。

2 高濃度瓦斯發電機組

考慮到高濃度瓦斯發電機組對進口瓦斯參數的要求，預處理后的合格瓦斯通過瓦斯管道送至燃機間依次經過燃氣過濾器、壓力調節閥、安全放散閥、電磁閥、阻火器及流量調節閥后，通過軟連接與高濃度瓦斯內燃機連接。

瓦斯通過燃料輸送系統送至高濃度瓦斯發電機組。高濃度瓦斯發電機組對燃料的通常要求見表1.

表1 燃氣內燃發電機組對燃料的要求表

高濃度瓦斯發電機組可單臺機組或多臺機組并機、并網運行，機組運行采用計算機控制。高濃度瓦斯發電機組是高濃度瓦斯發電廠的核心，是將瓦斯轉變為電能、熱能的關鍵設備；單臺機組全套裝置主要包括：高濃度瓦斯內燃機、發電機、機組進氣燃氣閥組、機組并網控制屏、遠程散熱水箱以及排煙消聲器等。

目前，國內外生產的高濃度瓦斯發電機組單機容量范圍一般為500～4 000 kW，且工作性能可靠，可以滿足高濃度瓦斯發電廠的需要。現在常用的煤礦坑口高濃度瓦斯單機容量為2 000 kW，發電機組系統流程圖見圖1. 瓦斯發電廠所發電經升壓變壓器升壓后可直接為礦區提供生產電力，也可并入電網。

圖1 燃氣內燃發電機組對燃料的要求圖

3 余熱利用設施

在高濃度瓦斯發電機組發電過程中，燃料的能量只有約40%被發電機組轉化為電能，另有約30%隨煙氣排出，20%被機組缸套水帶走，通過機身散發等其它損失約占10%左右。高濃度瓦斯內燃機所用燃料近50%的能量以余熱的形式隨煙氣和缸套水排出。余熱利用設施就是在高濃度瓦斯發電機組發電的同時，以機組排出的高溫煙氣和缸套水的熱值為能源進行回收利用的設施，使能源達到充分利用，全廠熱效率可達50%～60%.

3.1 余熱發電利用設施

高濃度瓦斯內燃機排出的煙氣溫度較高，為了回收余熱資源，做到循環經濟，在機組后配套余熱蒸汽鍋爐，產生過熱蒸汽拖動組合快裝凝汽式汽輪發電機組進行發電。這屬于燃氣—蒸汽聯合循環發電，由燃氣內燃發電機組和余熱蒸汽汽輪發電機組組成[4].

余熱發電熱力系統包括煙道、蒸汽系統、給水系統、除氧系統、鍋爐排污、鍋爐取樣和加藥、水處理系統等。蒸汽和給水管道均采用單母管制；余熱鍋爐補水用除鹽水；余熱鍋爐汽水系統考慮常壓省煤器系統，鍋爐補給水及來自汽輪機的冷凝水先送到常壓省煤器，在余熱鍋爐中與煙氣進行換熱，將補給水加熱到120 ℃左右，再到除氧器進行除氧處理，以提高整個系統的熱效率。

余熱發電系統提高了發電效率，并能滿足各種運行工況及事故處理，同時保證了供熱的安全性。

3.2 余熱供熱利用設施

高濃度瓦斯發電機組冷卻采用兩路閉式冷卻循環系統，一路是缸套水冷卻系統，一路是后冷卻器系統。每臺機組各設置一臺缸套水-水板式換熱器。電廠設置兩套換熱系統，一套為溴化鋰制冷機組提供熱源，瓦斯降溫脫水采用熱水型溴化鋰制冷機組制冷，利用回收缸套水余熱產生的熱水制冷，與常規電制冷相比，節省大量電力，同時節省散熱水箱自身消耗的電量；另一套接入工業區供熱系統管網供熱，承擔工業和民用建筑采暖供熱任務，以及供應礦區生活和洗浴熱水；將機組缸套水余熱充分利用，實現熱電聯供循環經濟運行。

4 小 結

從利用甲烷含量在30%以上的高濃度瓦斯的發電入手，論述了煤礦坑口高濃度瓦斯發電廠的建廠要求、工作原理、設備選定、余熱利用、工藝設計等具體應用問題。高濃度瓦斯發電廠所有熱力主管道，如排氣煙道、余熱鍋爐、蒸汽管道，主給水管道等，均采用良好的絕熱保溫材料和足夠厚度的保溫層以及可靠的保護層，以減少管道散熱帶來的能量損失。

高濃度瓦斯的綜合利用，特別是煤礦坑口的高濃度瓦斯發電廠的建設既為礦區的供電、供熱節約大量燃煤也通過并網輸電帶來了經濟效益。