摘要：瓦斯是與煤炭共同伴生的優(yōu)質(zhì)潔凈能源，同時(shí)也是一種溫室氣體，它的危害是CO2的21倍，國際清潔能源組織把瓦斯作為主要溫室氣體之一，要求各國盡可能降低煤礦向大氣排放瓦斯。我國多數(shù)高瓦斯礦井煤層透氣性差，為了提高抽采效果，多采用高負(fù)壓、大流量抽采系統(tǒng)，這樣勢必造成漏氣量增加，抽采瓦斯?jié)舛冉档?，達(dá)不到瓦斯利用條件。本文對低濃度瓦斯發(fā)電工藝進(jìn)行了相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：低濃度瓦斯發(fā)電；工藝研究

1.低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和氧化發(fā)電等。由于受到煤礦開采工藝的影響，高負(fù)壓系統(tǒng)抽采瓦斯和地面鉆井抽采瓦斯的濃度一般大于30%，主要應(yīng)用于小型燃?xì)廨啓C(jī)和高濃度內(nèi)燃機(jī)發(fā)電；低負(fù)壓系統(tǒng)抽采瓦斯的濃度普遍低于30%，主要應(yīng)用于低濃度內(nèi)燃機(jī)發(fā)電；礦井回風(fēng)井風(fēng)排瓦斯（乏風(fēng)瓦斯）濃度通常在1%以下，主要采用低濃度瓦斯與礦井乏風(fēng)瓦斯的混合氣（或低濃度瓦斯稀釋氣）進(jìn)入熱逆流反應(yīng)器和催化氧化反應(yīng)器進(jìn)行氧化發(fā)電。

1.1內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)

由于煤礦抽采瓦斯?jié)舛?、壓力不穩(wěn)定，因此中央控制器發(fā)送給執(zhí)行器控制命令調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)氣量，自動(dòng)調(diào)節(jié)混合比，混合后濃度一般設(shè)置在6%，使發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比始終保持在理想狀態(tài)，該項(xiàng)空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)尤其適應(yīng)低濃度、大流量的瓦斯與空氣混合進(jìn)行低濃度瓦斯發(fā)電。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆燃，發(fā)動(dòng)機(jī)回火的幾率再次增大，同時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫超過500℃，其缸蓋、活塞等零部件熱負(fù)荷增加后，極易產(chǎn)生爆震等機(jī)械事故，通過運(yùn)用稀薄燃燒技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷降低，回火概率降低，機(jī)組運(yùn)行可靠性提高；此外，缸體內(nèi)甲烷燃燒速度也會(huì)加快，燃燒效率提高，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到改善。

1.2燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)

提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的關(guān)鍵是提高燃?xì)獬跏紲囟?，即改進(jìn)高溫部件的冷卻技術(shù)。渦輪噴嘴、葉片等高溫材料由早期的一般合金材料發(fā)展到定向結(jié)晶、單晶葉片及陶瓷材料；由早期噴嘴和動(dòng)葉片的對流、沖擊等冷卻發(fā)展到采用蒸汽冷卻。實(shí)踐表明，燃?xì)鉁囟让刻岣?00℃，燃?xì)廨啓C(jī)效率增高近2%～3%，先進(jìn)冷卻技術(shù)促使透平前端燃?xì)膺M(jìn)口溫度提高500～800℃，因此簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率由早期的16%～25%提高到40%以上。由于礦井抽采瓦斯?jié)舛纫灾械蜐舛染佣?，發(fā)電機(jī)組如果要保持相同輸出功率就需要輸入更大流量的低熱值瓦斯，運(yùn)行的工況發(fā)生變化造成透平與壓氣機(jī)工作不協(xié)調(diào)、透平溫度升高、出現(xiàn)運(yùn)行效率降低甚至停機(jī)現(xiàn)象。若要保證瓦斯在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒，需要改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其要調(diào)整壓氣機(jī)和透平的流過面積，通過增加噴嘴面積、葉片高度來增大透平的燃?xì)馔ㄟ^量；通過降低空氣量、加大燃料管和閥的尺寸來增大壓氣機(jī)的燃?xì)馔ㄟ^量。燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各零部件的優(yōu)化使燃?xì)廨啓C(jī)效率保持穩(wěn)定，其性能將得到充分發(fā)揮。

1.3氧化發(fā)電技術(shù)

礦井低濃度瓦斯其濃度普遍較低，若滿足不了內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的要求，通常是將排空的低濃度瓦斯與乏風(fēng)瓦斯混合（或?qū)⒌蜐舛韧咚瓜♂屩?%左右）后氧化放熱進(jìn)行發(fā)電。其燃燒方式包括蓄熱式氧化燃燒（RTO）和蓄熱式催化氧化燃燒（RCO），共同特征是使用高溫空氣燃燒技術(shù)。蓄熱式氧化采用了混合氣體交替通過蜂窩狀蓄熱體燃燒室（或其他蓄熱體）技術(shù)，將氣體加熱至1000℃，使CH4發(fā)生支鏈反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高溫燃燒；催化式氧化使用催化氧化燃燒技術(shù)，燃燒室即使在350～600℃時(shí)CH4仍可氧化燃燒，實(shí)現(xiàn)了NOx和CO的超低排放，以減少對大氣的污染。

2.低濃度瓦斯發(fā)電原理工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1發(fā)電原理

通過水環(huán)式抽采泵站抽出瓦斯， 經(jīng)安全管道進(jìn)入500GF1-3RW型發(fā)電機(jī)組缸體，點(diǎn)燃爆炸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。

2.2 瓦斯發(fā)電機(jī)組及其工藝流程

瓦斯發(fā)電機(jī)組是以成熟的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦瓦斯的特點(diǎn)，對柴油發(fā)電機(jī)組加以改造而成。它由原來燃油改為燃燒瓦斯，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的目的。

2.3關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1阻火技術(shù)

為了將瓦斯發(fā)電機(jī)組與瓦斯抽采系統(tǒng)隔離，在發(fā)電站總進(jìn)氣管上設(shè)置了2個(gè)水封式阻火器、1個(gè)干式阻火器； 為了確保低濃度瓦斯在管道輸送過程中的安全，安設(shè)3組細(xì)水霧輸送裝置。

2.3.2電控燃?xì)饣旌掀骷夹g(shù)

電控技術(shù)是采用電子控制技術(shù)，通過閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)混合氣空燃比， 電控混合技術(shù)顯著提高了機(jī)組對瓦斯?jié)舛群蛪毫ψ兓倪m應(yīng)能力。

2.3.3瓦斯與空氣先混合后增壓技術(shù)

發(fā)電機(jī)針對瓦斯的特性精致設(shè)計(jì)和匹配增壓器和中冷器，實(shí)現(xiàn)燃?xì)庀”∪紵?，降低熱?fù)荷，改善排放，提高發(fā)電機(jī)功率，同時(shí)提高了燃?xì)鈾C(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性。瓦斯與空氣混合均勻，容易點(diǎn)火，避免了點(diǎn)火不連續(xù)現(xiàn)象性。

2.3.4稀燃技術(shù)

采用瓦斯與空氣先混合后增壓技術(shù)，調(diào)低空燃比，配合新概念預(yù)燃室技術(shù)，在局部形成點(diǎn)火能量相對優(yōu)勢，爾后放大點(diǎn)火能量，提高甲烷燃燒速度，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

2.3.5數(shù)字式點(diǎn)火技術(shù)

數(shù)字式點(diǎn)火技術(shù)是由電控單元根據(jù)瓦斯發(fā)電機(jī)的不同工況，從軟件上調(diào)整點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時(shí)間。

3.低濃度瓦斯發(fā)電應(yīng)用中存在的問題及建議

1）繼續(xù)完善和改進(jìn)發(fā)電設(shè)備

目前的燃?xì)廨啓C(jī)是針對中、高熱值燃料開發(fā)的，為適應(yīng)低濃度瓦斯燃料，應(yīng)改進(jìn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，同時(shí)積極將燃?xì)廨啓C(jī)微型化，利用大、中、小型煤礦的抽采瓦斯都可進(jìn)行發(fā)電，使裝機(jī)形式更加靈活。

2）瓦斯發(fā)電系統(tǒng)受瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)影響較大，濃度過低，機(jī)組維持自身運(yùn)行困難，因此需要積極發(fā)展摻混技術(shù)，包括高、低濃度抽采瓦斯摻混技術(shù)、乏風(fēng)瓦斯與抽采瓦斯摻混技術(shù)。

3）以冷熱電為主要形式的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能源的梯級利用，能源綜合利用效率達(dá)70%～90%，但目前我國電網(wǎng)針對傳統(tǒng)型大型火電設(shè)計(jì)，小容量電站與大電網(wǎng)存在連接技術(shù)的問題，因此建議加快建設(shè)智能電網(wǎng)。配電網(wǎng)側(cè)的電力市場尚未開放，通常做法是“并網(wǎng)不上網(wǎng)，自發(fā)自用”，建議在不對國家安全造成影響情況下，盡快開放配電網(wǎng)，開發(fā)新的電力零售市場。

4）目前瓦斯發(fā)電機(jī)組在低碳、減排方面還有待改進(jìn)和完善，需要嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)及反應(yīng)器的NOx排放，包括不斷完善內(nèi)燃機(jī)稀薄燃燒技術(shù)、催化還原技術(shù)（在燃?xì)廨啓C(jī)用）、催化氧化發(fā)電技術(shù)、發(fā)展抗高溫材料。隨著京都議定書到期，國內(nèi)發(fā)電企業(yè)在無碳減排機(jī)制前提下可能是處于虧損狀態(tài)，建議盡快在企業(yè)碳排放方面制定相應(yīng)政策并實(shí)施，鼓勵(lì)技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能減排環(huán)保的發(fā)電企業(yè)，淘汰高排放、落后產(chǎn)能電企。

5）在各礦區(qū)井田邊界上考慮規(guī)劃瓦斯利用區(qū)，同時(shí)開發(fā)低濃度瓦斯長距離輸送技術(shù)，以便集約開發(fā)，瓦斯電站朝大型化發(fā)展，這樣，電站在經(jīng)濟(jì)效益增加的同時(shí)可避免各煤礦重復(fù)投資建設(shè)，節(jié)約社會(huì)成本。

4.結(jié)語

瓦斯發(fā)電符合國家能源產(chǎn)業(yè)政策，提高了礦井瓦斯抽放的積極性，同時(shí)有利于礦井安全生產(chǎn)。瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施，減少了溫室氣體的排放，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有安全、環(huán)保、節(jié)能的三重價(jià)值。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)既節(jié)約能量又可減少環(huán)境污染，值得在煤礦推廣。

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作者簡介：

薛旭兵（1980-），男 漢族，山西省柳林縣人，助理工程師職稱，瓦斯發(fā)電方向.