煤礦瓦斯發(fā)電技術

張紅明 賈政

【摘要】煤礦瓦斯屬于清潔型能源，儲量大，經(jīng)濟性良好。瓦斯是煤層的伴生物，主要成分為甲烷。我國煤層氣資源量巨大，僅僅次于俄羅斯、加拿大。開發(fā)利用瓦斯具有節(jié)能、環(huán)保、增效等意義。本文介紹了3種煤礦瓦斯開發(fā)方式及其產(chǎn)氣特點，并對燃氣輪機和燃氣內燃機應用條件進行了比較，提出了煤礦瓦斯發(fā)電需要解決的“技術安全、瓦斯?jié)舛鹊倪m應性和壓力的變化”三大技術問題。

【關鍵詞】煤礦瓦斯；發(fā)電技術；安全輸送

1 瓦斯開發(fā)方式及特點

煤炭開采前地面鉆井開采煤層氣方式抽采又稱煤層氣地面開發(fā)，是指利用垂直井或定向井技術、儲層改造技術（如壓裂、洞穴完井等）、排水降壓采氣技術來開采原始儲層條件下的煤層氣資源的開發(fā)方式。地面開發(fā)生產(chǎn)的煤層氣體，主要組分是甲烷（90%以上），含有少量氮氣，出氣壓力一般在0.1MPa以上，是一種優(yōu)質的天然氣。

煤礦抽放是指通過煤礦井下抽放、煤礦采動區(qū)抽排、廢棄礦井抽排等方法開采煤層氣的一種工業(yè)行為。煤礦井下抽放是目前我國最普遍的一種抽放方式；煤礦采動區(qū)抽排是充分利用煤炭開采過程形成的采動影響帶開采煤層氣；廢棄礦井抽排則是利用已報廢的煤礦采空區(qū)進行負壓抽排煤層氣。由于受到煤炭生產(chǎn)影響，在抽放過程中總要從采煤工作面或巷道灌人一定量的空氣，因此煤礦抽放所獲得的瓦斯，其品質不如地面開發(fā)的煤層氣產(chǎn)品品質。通常，煤礦抽放出的煤層氣的甲烷體積分數(shù)一般在10%～55%，因此稱之為低濃度煤層氣。

風排瓦斯又稱為煤礦乏風，甲烷排放量約占總排放量的90%，甲烷體積分數(shù)一般在0.1%～1%。目前，乏風氧化發(fā)電技術研究還處于起步階段。

2 煤礦瓦斯發(fā)電關鍵技術

2.1 煤礦瓦斯發(fā)電設備應用比較

燃氣輪機比較適合于高濃度瓦斯，需要1.0MPa以上的瓦斯壓力，必須配套多級壓縮機進行瓦斯壓力提升，在高溫高壓下瓦斯爆炸上限提高，著火范圍變寬，瓦斯?jié)舛鹊蜁r容易發(fā)生爆炸，因此如果瓦斯體積分數(shù)低于35%以下，就不能運行。另外低的瓦斯?jié)舛纫苍斐蓧嚎s機需求的排量大，功耗加大，投資效益變差。

燃氣內燃機的燃燒在封閉的燃燒室內進行，燃燒時不與外部相連，因此，從原理上講，除了可以燃用高濃度瓦斯外，在爆炸范圍內的瓦斯也可以作為發(fā)動機的燃料，但是進氣管回火現(xiàn)象是客觀存在的，如果不能消除回火，那么將引起在爆炸范圍內的瓦斯發(fā)生爆炸，對煤礦安全產(chǎn)生威脅。

2.2 煤礦瓦斯發(fā)電關鍵技術

煤礦瓦斯發(fā)電關鍵技術可以概括為瓦斯混合、自動控制、安全阻火三大類，細分為十項。

（1）等真空度膜片混合技術。主要用于甲烷體積分數(shù)大于75%的煤層氣，調整混合器燃氣供氣壓力和節(jié)流調節(jié)閥的開度，可以實現(xiàn)空燃比隨功率變化的匹配特性，低負荷空燃比，高負荷空燃比大。該技術無法自動適應瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，但由于地面開發(fā)的煤層氣成分非常穩(wěn)定，隨時間的變化非常緩慢，相當于天然氣，因此，這種混合器能滿足高濃度煤層氣應用場合。

（2）文丘里電控混合器混合技術。文丘里電控混合器采用文丘里管原理，利用空氣在文丘里管流動產(chǎn)生一個負壓力，使瓦斯從側通道進入混合器進行混合。當瓦斯?jié)舛茸兓瘯r，控制系統(tǒng)自動進行控制，調整混合器瓦斯通道的開度，從而使混合氣濃度保持穩(wěn)定。這種混合器可以適應體積分數(shù)為30%～55%和45%～75%的瓦斯混合需要。

（3）雙蝶門混合器電控技術。對于低濃度瓦斯，如果體積分數(shù)為25%，空氣與瓦斯混合的體積比大約為3：1，如果瓦斯體積分數(shù)降為10%，那么空氣與瓦斯混合的體積比大約為9：1。因此，常規(guī)的混合器無法滿足低濃度瓦斯混合的需要。該混合器工作范圍寬，可以用于體積分數(shù)為6%～30%的瓦斯混合。

（4）瓦斯低壓進氣混合技術。天然氣與地面開發(fā)的煤層氣壓力和濃度都比較，因此可以采用增壓后混合方式。礦井抽排瓦斯壓力一般在10kPa，體積分數(shù)多在10%～55%，比較適合于空氣與瓦斯增壓前預混合，混合器前瓦斯壓力為。就可滿足要求，因此機組供氣壓力只需3kPa～5kPa就能正常運行，提高了投資經(jīng)濟性。

（5）低壓大流量先導調壓控制技術。在通道節(jié)流面積一定的情況下，流量近似與壓力差的1/2次方成正比?？諝膺M氣壓力為0，需要瓦斯進口壓力也為。，而雙蝶門混合器后的壓力為kPa2kPa的負壓，如果調壓閥的出口壓力變化0.5kPa，那么意味著瓦斯流量變化一倍。

（6）TEM電子管理技術。電子管理系統(tǒng)簡稱TEM系統(tǒng)。它主要實現(xiàn)了計算機數(shù)據(jù)采集、控制、顯示、報警保護、通信、數(shù)據(jù)記錄保存和打印功能。計算機根據(jù)發(fā)動機的功率、轉速和缸溫的變化自動發(fā)出調整信號，使混合器控制電機轉動，以此來調整混合器空氣通道和瓦斯通道的開度，實現(xiàn)混合氣的濃度保持不變。

（7）瓦斯阻火技術。當火焰通過金屬板狹窄通道時，由于火焰表面的化學反應放熱與散熱條件不匹配，使火焰熄滅?；鹧嬉砸欢ㄋ俣冗M入金屬板狹縫時，火焰靠近狹縫冷壁處，作為化學反應活化中心的自由基和自由原子與冷壁相碰撞放出能，這相當于反應區(qū)的熱量流向冷壁邊界，從而當火焰面達到一定距離時，開始形成熄火層，隨著火焰面的運動，熄火層厚度不斷增大，以至自由基進入熄火層內就復合成分子并放出能量，自由基越來越少直到?jīng)]有，火焰熄滅。

（8）濕式液位自控水封阻火技術。當火焰通過水層時，火焰與水接觸，能量被水吸收，化學反應的自由基減少并消除。

（9）瓦斯細水霧滅火技術。冷卻：細水霧顆粒直徑越小，相對表面積越大，受熱后更容易汽化。在汽化過程中，從燃燒區(qū)吸收大量的熱量，使燃燒區(qū)溫度迅速降低，當溫度降至燃燒臨界值以下時，熱分解中斷，燃燒隨即終止；稀釋：火焰進入細水霧后，細水霧迅速蒸發(fā)形成蒸汽，由液相變?yōu)闅庀?，氣體急劇膨脹，比表面積膨脹約1760倍，最大限度地使燃燒反應分子在空間上距離拉大，抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

（10）低濃度瓦斯安全輸送工藝技術。低濃度瓦斯安全輸送技術工藝流程概括起來就：“3+4×1”的技術有機組合，“3”就是3種防火、阻火技術結合，來提高安全可靠性，即細水霧阻火、金屬波紋帶阻火和雷達控制水位的水封卸爆阻火技術的串聯(lián)?！?×1”即：末端設置了一級脫水器、細水霧供水系統(tǒng)、一套瓦斯輸送壓力控制機構，限定瓦斯最高壓力、設置了一臺煤礦瓦斯細水霧輸送電子管理系統(tǒng)。

3 結語

瓦斯發(fā)電市場容量巨大。目前全國每年利用煤礦瓦斯發(fā)電量僅為20億kW·h左右，用氣量約為7億m3，不到瓦斯排放量的5%，絕大部分瓦斯被直接排放到大氣中。隨著瓦斯發(fā)電技術的進步，瓦斯的利用率必將不斷提高，即減少了污染，有實現(xiàn)了資源的有效利用。

參考文獻：

[1]陳宜亮.低濃度煤層氣發(fā)電機組技術及其應用[J].山東理工大學學報（自然科學版），2003（4）：108-110