瓦斯發(fā)電技術(shù)與節(jié)能減排探究

申建祥，唐文杰

（1.潞安集團(tuán)瓦斯研究院，山西 長(zhǎng)治046202；2.山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司瓦斯研究院，山西 長(zhǎng)治046000）

瓦斯發(fā)電是一種新能源發(fā)電技術(shù)，其主要是借助瓦斯燃燒來(lái)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。作為一種新興的新能源發(fā)電技術(shù)，在節(jié)能減排和環(huán)境的保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及能源的利用等意義重大。

1 瓦斯發(fā)電發(fā)展概述

瓦斯是一種非常規(guī)的天然氣體類型，主要是煤礦采煤過(guò)程所散發(fā)有害的氣體，其主要的成分是甲烷，具有無(wú)色、無(wú)味、易爆和易燃等特點(diǎn)。如果空氣內(nèi)甲烷的濃度（體積分?jǐn)?shù)）在10%時(shí)，再遇到明火就易出現(xiàn)爆炸，但也是一種具有高利用價(jià)值的潔凈性能源。在傳統(tǒng)的瓦斯發(fā)電中，主要是借助燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電，對(duì)瓦斯進(jìn)行加壓，在高溫加壓的狀態(tài)下達(dá)到爆炸上限。一般來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電中對(duì)瓦斯的濃度要求比較高，這對(duì)壓縮設(shè)備其壓縮量和功耗會(huì)增加。而在內(nèi)燃機(jī)的瓦斯發(fā)電出現(xiàn)后，則超過(guò)30%濃度（體積分?jǐn)?shù)）的瓦斯實(shí)現(xiàn)了使用，現(xiàn)階段內(nèi)燃機(jī)的瓦斯發(fā)電逐漸得到了市場(chǎng)廣泛使用，同時(shí)隨著對(duì)新能源不斷的開發(fā)，則內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電機(jī)組也對(duì)瓦斯的濃度具有更好的適應(yīng)性，其機(jī)組單機(jī)的容量逐漸發(fā)生增大，且自動(dòng)化的水平也逐漸提高[1]。

2 瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)瓦斯發(fā)電

煤層上直接進(jìn)行瓦斯氣的鉆孔開采，則甲烷的濃度比較高，且危險(xiǎn)系數(shù)也比較低，能夠通過(guò)加壓罐裝進(jìn)行運(yùn)輸，也能夠通過(guò)遠(yuǎn)距離管道進(jìn)行輸送。

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，其是將空氣和燃?xì)猱?dāng)作工質(zhì)的一種旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，是由飛機(jī)中噴氣式的發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸演變的，主要包括燃?xì)廨啓C(jī)、壓氣機(jī)和燃燒室三部分結(jié)構(gòu)。其工作原理主要是葉輪式的壓縮機(jī)先從外部進(jìn)行對(duì)空氣的吸收，再壓縮后送到燃燒室內(nèi)，并且氣體燃料也同時(shí)噴入到燃燒室內(nèi)，和高溫壓縮的空氣進(jìn)行混合，在定壓條件下燃燒。后生成高溫高壓的煙氣，進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)膨脹進(jìn)行做功，來(lái)推動(dòng)動(dòng)力葉片發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，從而對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電[2]。

2.2 內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電

瓦斯發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)的瓦斯發(fā)電技術(shù)，此技術(shù)具有啟動(dòng)時(shí)間短、燃?xì)獾墓鈮毫Ρ容^低、發(fā)電效率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單和運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，同時(shí)還可以通過(guò)設(shè)置余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電。盡管系統(tǒng)比較復(fù)雜，但有效地提升了燃?xì)饫玫男省?/p>

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，發(fā)電的原理主要是空氣通過(guò)濾清器過(guò)濾后，進(jìn)入到渦輪增壓器進(jìn)行增壓，再導(dǎo)入到內(nèi)燃機(jī)的氣缸混合器內(nèi)，且瓦斯通過(guò)壓力的調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入到混合器內(nèi)，兩者發(fā)生混合；借助電子點(diǎn)火進(jìn)行爆燃做功，來(lái)推動(dòng)活塞移動(dòng)以及曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所產(chǎn)生的動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作；再通過(guò)發(fā)電機(jī)把動(dòng)能轉(zhuǎn)換電能；最后通過(guò)輸變電裝置完成電能的輸出。一般為了確保內(nèi)燃機(jī)以及發(fā)電機(jī)等兩大主機(jī)能夠正常運(yùn)行，還需要進(jìn)行電氣系統(tǒng)、燃?xì)鈨?chǔ)存系統(tǒng)、加壓與處理系統(tǒng)和循環(huán)冷卻系統(tǒng)等一些輔助性系統(tǒng)配置[3]。

2.3 乏風(fēng)瓦斯發(fā)電

在進(jìn)行煤炭的開采中，要使工作人員呼吸到新鮮的空氣，需要朝井下進(jìn)行傳送清潔空氣。此時(shí)由井下通風(fēng)位置所排廢氣內(nèi)就存在微量的瓦斯，容易導(dǎo)致大氣污染以及能源浪費(fèi)。而乏風(fēng)瓦斯的發(fā)電就是把瓦斯?jié)舛瘸^(guò)0.2%乏風(fēng)向氧化器內(nèi)置入，并實(shí)施燃燒，通過(guò)燃燒的能量進(jìn)行瓦斯銷毀，同時(shí)借助燃燒產(chǎn)生的余熱進(jìn)行熱水制取，并實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)發(fā)電。

3 瓦斯發(fā)電技術(shù)的節(jié)能減排

3.1 瓦斯預(yù)處理

在瓦斯發(fā)電技術(shù)使用中，瓦斯的預(yù)處理是重要的環(huán)節(jié)。瓦斯內(nèi)往往含有很多水分、粉塵、硅氧烷和硫化物等復(fù)雜性的氣體，通過(guò)瓦斯預(yù)處理就能夠?qū)ζ鋵?shí)施有效地凈化。完成處理后，將其輸送到內(nèi)燃發(fā)電機(jī)內(nèi)實(shí)施發(fā)電。在瓦斯預(yù)處理中，先要把瓦斯放在除濕性過(guò)濾器內(nèi)實(shí)施脫水處理，將氣體內(nèi)水分降低；再借助過(guò)濾功能將氣體內(nèi)一些粉塵進(jìn)行處理，接著將瓦斯放在羅茨的風(fēng)機(jī)內(nèi)，對(duì)氣體實(shí)施加壓處理；再使用冷卻器冷凍的功能將氣體內(nèi)有害氣體實(shí)施冷凝，達(dá)到脫硫的目的；最后使用精密性過(guò)濾器，將氣體實(shí)施較為精密性的過(guò)濾處理，后輸送至內(nèi)燃發(fā)電機(jī)內(nèi)實(shí)施發(fā)電。在瓦斯預(yù)處理中，其系統(tǒng)內(nèi)一般具備自動(dòng)化穩(wěn)壓功能，能夠?qū)?nèi)燃發(fā)電機(jī)內(nèi)供氣壓力進(jìn)行穩(wěn)定。在此系統(tǒng)內(nèi)還具備氣體溫度調(diào)節(jié)裝置和風(fēng)機(jī)超壓保護(hù)性裝置，從而保證氣體溫度和壓力滿足內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際要求[4]。

3.2 余熱回收

在瓦斯內(nèi)甲烷的含量超過(guò)30%時(shí)，則內(nèi)燃發(fā)電機(jī)方可實(shí)現(xiàn)正常性工作。在瓦斯燃燒時(shí)，其內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)排出煙氣的溫度一般會(huì)超過(guò)400℃。若將此類煙氣直接性向外排放，不僅對(duì)周圍環(huán)境造成污染，還導(dǎo)致這些煙氣熱能浪費(fèi)，因此在瓦斯發(fā)電技術(shù)中就進(jìn)行了余熱回收系統(tǒng)的設(shè)置。通過(guò)余熱回收系統(tǒng)，借助余熱鍋爐能對(duì)部分熱量實(shí)現(xiàn)回收，后再將內(nèi)燃機(jī)內(nèi)排出的余熱產(chǎn)生蒸汽，從而借助這些蒸汽提供生活和生產(chǎn)需要，最后再將換熱后的氣體接排放到大氣內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。

3.3 控制進(jìn)入發(fā)電機(jī)前瓦斯氣體的濃度和氣量

在瓦斯發(fā)電時(shí)，如果瓦斯?jié)舛然蛘邭饬髁砍霈F(xiàn)減少時(shí)，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和發(fā)出的電能頻率就會(huì)降低，甚至可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)失速和停機(jī)現(xiàn)象。如果瓦斯?jié)舛然蛘邭饬髁砍霈F(xiàn)持續(xù)性增大，會(huì)增加發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)出電能頻率提升[5]。但如果瓦斯氣量以及濃度增大，還會(huì)導(dǎo)致其燃燒效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致能源浪費(fèi)。因此這就需要做好對(duì)瓦斯?jié)舛纫约傲髁康暮侠砜刂疲ㄟ^(guò)對(duì)瓦斯參數(shù)的測(cè)定，來(lái)進(jìn)行DCS的控制平臺(tái)和線性控制的策略制定，從而對(duì)瓦斯的氣量以及濃度實(shí)施調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

瓦斯發(fā)電技術(shù)是一種新型的新能源發(fā)電技術(shù)，在節(jié)能減排方面具有著顯著效果，為了更好發(fā)揮瓦斯發(fā)電技術(shù)的作用，還需要對(duì)此技術(shù)不斷進(jìn)行探索和研究，也是其技術(shù)發(fā)展中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。