瓦斯發電技術與節能減排

【摘要】能源是不可再生資源。開發新能源和節能是備受各國關注。瓦斯是煤礦開采的副產品。對煤炭開采具有一定的危險性，但瓦斯是一種能源，其主要成分為甲烷。瓦斯利用在節能減排、保護生態環境方面將發揮巨大的作用。本文從瓦斯特性、瓦斯的預處理以及瓦斯發電等方面進行探討。

【關鍵詞】煤礦瓦斯;發電;節能減排

1 瓦斯的采集與特性

每個石煤層都存在天然甲烷和空氣的混合物，這就是人們俗稱的“瓦斯”。礦井瓦斯是有機物通過大約2.5億年的漫長碳化過程演變形成的。這種無色無味的混合氣體雖然無毒，但當濃度在4%～16%之間時卻具有高度爆炸性。瓦斯雖然是可怕的煤礦殺手，但也是一種清潔能源，完全可以變廢為寶，為人類帶來可觀的經濟效益。

1.1 通過地面鉆井開采，采出煤礦瓦斯的CH4含量多大于90%（目前約占煤礦瓦斯總量的1%左右），其成份特性類似于天然氣。此類氣體可利用天然氣發電設備進行發電或作為民用燃料、化工原料等，利用技術相對簡單且成熟。

1.2 通過井下瓦斯抽放系統和地面輸送系統開采，采出煤礦瓦斯的CH4濃度多在3%～80%之間（目前約占煤礦瓦斯總量的15%左右，其中的三分之二濃度都低于30%），由于存在爆炸的危險，其應用都局限于CH4濃度在30%以上的瓦斯，而CH4濃度在6%～30%之間瓦斯的利用是一個難點，此項應用技術雖然已有一定的進展，但還處于試驗階段。

1.3 通過煤礦通風排出瓦斯，其CH4含量一般都低于1%，稱之為風排瓦斯（俗稱“乏風”）。這部分瓦斯由于含CH4濃度太低，利用技術難度較大，基本都采用排空處理。

2 瓦斯預處理系統

瓦斯發電技術的關鍵在于對瓦斯進行預處理。因為瓦斯中通常含有水分、硫化物、粉塵、硅氧烷等雜質氣體，必須經過處理凈化后，才能送入內燃發電機組發電。瓦斯預處理的作用是通過預處理系統，實現瓦斯氣體的脫水、脫硫、除塵、加壓等功能，使供氣壓力、流量、溫度等物理參數與內燃發電機組的要求相匹配。

瓦斯預處理系統主要由除濕過濾器、冷凝器、羅茨風機、精密過濾器等設備組成，同時還包括系統連接的管道、閥門、測量儀表及控制調節設備。

首先，將瓦斯引入除濕過濾器，通過其除濕脫水功能，降低氣體中的水分含量;通過過濾功能，降低氣體粉塵雜質含量。然后將瓦斯氣體引入羅茨風機，對瓦斯氣體進行加壓。再經過冷卻器，通過其冷凍功能，使氣體中的有害氣體冷凝析出，起到氣體脫硫的作用。最后經過精密過濾器，對氣體進行精過濾處理，最后送至內燃發電機組發電。同時，瓦斯預處理

系統還具有自動穩壓功能，保證內燃發電機組供氣壓力的穩定;該系統還配有風機超壓保護裝置，氣體溫度調節裝置，使氣體的壓力和溫度適應內燃機的需要。在氣體性能監測方面，系統配置有氣體在線檢測儀，可以及時檢測氣體的成份。根據發電機組的要求，該系統還可以自動跟蹤調節氣體流量。

在正常情況下，發電機組入口的氣體流量和壓力是通過控制系統變頻調節風機轉速來實現的。當發電機組降負荷或停機時，通往火炬的焚燒系統會自動開啟。系統采用可編程控制器（PLC）控制，以實現數據采集、在線檢測、報警和自動停機等功能。

3 瓦斯發電與節能減排

3.1瓦斯發電簡介

瓦斯發電站由礦井瓦斯開采系統、瓦斯氣預處理系統、內燃發電機組、輸變電系統以及余熱利用系統幾部分內容組成。其生產工藝流程內容如下：

煤礦瓦斯抽放站→加壓站→混氣站→儲氣柜→瓦斯預處理系統→內燃發電機主廠房混氣站的主要作用是考慮儲氣柜內的氣體流動性差，相對靜止程度高，不利于溫度、壓力、濃度不同的瓦斯氣混合。在儲氣柜前設置瓦斯混氣站，可以將不同參數的瓦斯混合在一起，使其在進入儲氣柜前達到新的平衡。

儲氣柜的主要作用是解決瓦斯抽放時的不穩定性。當內燃發電機組在運行過程中，遇到檢修、調整、故障等情況時，瓦斯輸送系統不能均衡供氣，儲氣柜可以對不穩定的瓦斯氣體進行平衡和緩沖，并儲存一定量的瓦斯，對輸配系統進行調節。

內燃發電機組要求瓦斯中甲烷的含量達到30%以上，才能保證機組的正常運行。在瓦斯燃燒過程中，內燃發動機排出的高溫煙氣溫度可達到400℃以上，若直接排空，既造成能源的巨大浪費，又給環境帶來嚴重的熱污染。通過設置余熱回收系統，由余熱鍋爐回收這部分熱量，利用內燃機排氣的余熱及富氧燃燒產生蒸汽，供給生產或生活用汽;換熱后的燃氣通過煙囪排入大氣。在內燃機中的瓦斯能量大約有41%轉變為電能，45%轉變為熱能。

在瓦斯發電領域，國內目前只有少數企業的內燃發電機組應用獲得成功，但在性能方面與國外品牌相比，還存在較大差距。近兩年國外品牌燃氣機組已進入中國市場，目前卡特比勒，顏巴赫，道依茨等廠家的產品已在國內有成功運行的案例。全國已投入運行的瓦斯發電機組有數百臺，裝機容量達到100MW，在建的瓦斯發電項目裝機容量達到300MW。國內已上瓦斯發電項目的地區有：山西沁水、陽泉;貴州水城;安徽淮南;黑龍江鶴崗;河南焦化等。

利用瓦斯發電，可以充分利用能源，解決瓦斯排空所帶來的環保問題和困擾煤礦安全的瓦斯爆炸問題。而且建設投資小，發電功率根據瓦斯儲量可大可小，短期內即可解決能源緊缺問題。目前，瓦斯發電項目的開發還處于起步階段，自2006年以來，國家出臺了一系列加快瓦斯抽采利用的政策和意見，充分體現了國家對煤礦瓦斯綜合利用的高度重視。

3.2效益分析

瓦斯發電的電價目前約為0.35元/kWh。由于沒有燃料成本，瓦斯發電運行成本僅0.08元/kWh左右。以5MW瓦斯發電站為例，機組年運行成本約320萬元，年收入可達1400萬元。項目總投資約2000萬元，1.5年即可收回投資。

此外，由于瓦斯發電項目可以實現溫室氣體減排量的轉讓，通過申請CDM項目，可得到為數可觀的減排費。而且，瓦斯得到充分利用，可以大大減少煤炭和燃油的耗用量，減輕火力發電對環境的污染。因此，瓦斯發電項目具有非常好的經濟和社會效益。

4 結束語

我國的煤礦瓦斯發電技術還處于初級階段，無論是利用的廣度還是深度都存在許多需要解決的問題。向節能減排要效益利國利民，由此帶動的巨大環保、經濟、社會效益潛力也已初步顯現。但是，依然需要在煤礦瓦斯綜合利用的深度（提高熱效率）和廣度（適應CH4濃度范圍）方面，做更多、更細的工作，走向更高的層次，并最終實現煤礦瓦斯“零”排放的目標。

參考文獻：

[1]張國鐸，李華，游涌，劉月勤.淺談煤層氣發電技術及應用前景[J].能源與環保，017（1）.

作者簡介：

葛慶坤（1987-），女，漢族，本科，山西太原人，助理工程師，研究方向：物資供應和節能減排。