低濃度瓦斯發電技術在祥升煤礦的應用

張 新

(山西潞安工程勘察設計咨詢有限責任公司，山西 長治 046204)

瓦斯的主要成分為甲烷，是優質的清潔能源，但也是重要的溫室氣體。如果對礦井瓦斯綜合利用而不是直接排放到大氣中，既可以起到保護環境的作用，同時又對保障礦井安全生產、增加清潔能源供應具有重要意義。

對于高瓦斯礦井，瓦斯抽采已成為瓦斯治理最有效的方式，由于每個高瓦斯礦井的瓦斯地質條件和治理模式的差異，使得瓦斯抽采純量和濃度顯著不同，最終采用的瓦斯綜合利用模式也不同。

目前，國內不同濃度瓦斯的利用方式主要有以下幾種：①對地面抽采井抽采的瓦斯(濃度≥90%)直接用于汽車燃料和工業燃料等；②高濃度瓦斯(30%≤濃度<90%)直接用于居民生活等；③低濃度瓦斯(6%≤濃度<30%)采用低濃度瓦斯發電技術進行綜合利用；④對于極低濃度瓦斯(濃度<6%)采用乏風氧化技術實現供熱和發電。

祥升煤礦依據煤層瓦斯地質條件、瓦斯抽采量和濃度等基本情況，結合礦井自身的供電負荷和供熱負荷的實際情況，采用“低濃度瓦斯發電”方式進行瓦斯綜合利用。

1 礦井概況

祥升煤礦核定生產能力為90萬t/a，開采3～15下煤層，屬于高瓦斯礦井，瓦斯儲量14.644 2×108m3，其中，可采煤層瓦斯儲量為9.432 7×108m3，不可采煤層瓦斯儲量為3.301 4×108m3，圍巖瓦斯儲量為1.910 1×108m3。

目前，礦井建有1座地面永久瓦斯抽采泵站，布置4臺2BEC80型水環式真空泵，分為高、低負壓抽采系統。其中，高負壓抽采系統有2臺抽采泵(1運1備)，瓦斯抽采濃度35%，純量37.68 m3/min；低負壓抽采系統有2臺抽采泵(1運1備)，瓦斯抽采濃度15%，純量23.76 m3/min，全礦井瓦斯總抽采純量為61.44 m3/min，混合后濃度為23.09%。

綜上所述，祥升煤礦瓦斯儲量豐富，瓦斯抽采量大，濃度穩定，為瓦斯的綜合利用提供了穩定的氣源。

2 低濃度瓦斯發電技術的工程應用

2.1 低濃度瓦斯發電設備選型

目前，低濃度瓦斯發電機組有進口和國產兩類。進口設備雖然具有占地面積小、發電效率高、使用壽命長等優勢，但是價格高，初期投資大，瓦斯氣體需要過濾、脫水、加壓和冷卻等預處理，瓦斯濃度必須大于30%；與進口設備相比，國產設備價格低，對瓦斯氣體的適應性較強(濃度只需大于6%)，結合祥升煤礦瓦斯抽采純量和濃度等指標，采用國產低濃度瓦斯發電機組。

國產低濃度瓦斯發電機組主要有500 kW、600 kW、700 kW和1 000 kW等規模，通過綜合比較，1 000 kW機組的發電電能品質更穩定、系統更可靠、線損和線耗更低，而且在同等發電規模情況下，所需機組數量少、占地面積小、電氣及各系統更簡潔、施工難度低、工程量少、建設工期短。因此，選用1 000 kW國產低濃度瓦斯發電機組。

根據礦井供熱負荷情況，每臺發電機組配套1臺余熱回收裝置，回收機組排出的高溫煙氣余熱，供電廠和礦井工業場地等用熱。

根據礦井的瓦斯儲量、抽采純量和濃度等基本參數，確定總裝機容量為10 MW，建設規模為10×1 000 kW國產低濃度瓦斯發電機組+10×0.7 t/h余熱回收裝置。

2.2 低濃度瓦斯綜合利用的工藝系統

低濃度瓦斯綜合利用的工藝系統包括瓦斯輸送系統、制冷脫水系統、燃機本體系統和余熱利用系統。

1) 瓦斯輸送系統。瓦斯濃度在6%～30%范圍內，發電機組能安全運行，而管道輸送過程中濃度在5%～15%范圍內極易發生爆炸。為確保安全，在瓦斯輸送管道中加設細水霧輸送系統，通過水霧發生器在管道內連續成霧，從而降低瓦斯輸送過程的危險性。

2) 制冷脫水系統。由于采用細水霧輸送系統，使得輸送瓦斯中攜帶有較多的水霧，從而形成氣液兩相流，為了不影響發電機組的燃燒效率，滿足機組對瓦斯質量的要求，必須在進入發電機組前，除去瓦斯中的水分。

3) 燃機本體系統。燃機本體系統主要包括燃氣系統、空氣系統、循環冷卻水系統、潤滑系統和排氣系統等。

4) 余熱利用系統。余熱回收裝置回收發電機組尾部高溫煙氣中的余熱，產出的飽和蒸汽除供礦區建筑物采暖及霧化水池防凍外，其余全部進入礦井現有蒸汽供熱系統，供礦井用熱。

3 社會經濟效益分析

3.1 經濟效益

礦井低濃度瓦斯發電產生的經濟效益主要來源于瓦斯發電和余熱回收利用。其中，瓦斯發電機組的年發電量6×107kW·h，年供電量為5.739×107kW·h，直接用于礦井生產、生活的用電負荷；余熱回收年供熱量為3.87×1 013 J，直接用于礦井建筑采暖、生活熱水和井筒供熱風。

3.2 社會效益

對于高瓦斯礦井而言，直接排空抽采瓦斯，不僅浪費資源，而且污染大氣環境。礦井對抽采瓦斯進行綜合利用，實現了節能減排和綠色轉型發展，減少了大量瓦斯直接排放造成的環境污染和溫室效應，同時保障煤礦安全生產，為高瓦斯礦井提供雙電源支撐點，使煤炭資源達到充分的綜合利用，具有明顯的社會效益。

4 結 語

祥升煤礦以抽采瓦斯的濃度和抽采量等氣源條件為基礎，結合礦井供電和供熱負荷等實際情況，選擇采用低濃度瓦斯發電技術進行瓦斯綜合利用，不僅為礦井提供了穩定的電源和熱源，而且實現了節能減排和綠色轉型發展。