華晉焦煤有限責(zé)任公司電力分公司 胡建榮

1 引言

煤礦瓦斯發(fā)電是指利用煤礦采空區(qū)、封閉的巷道或采煤工作面采空區(qū)的瓦斯，經(jīng)過預(yù)抽后，在礦井內(nèi)利用空氣壓縮機(jī)或水煤漿燃燒器等設(shè)備，將瓦斯由高濃度壓縮成低濃度、高密度的可燃?xì)怏w，然后通過燃燒器將可燃?xì)怏w與空氣混合燃燒，從而產(chǎn)生電力。瓦斯發(fā)電是一項(xiàng)既環(huán)保又高效的能源利用技術(shù)，具有極高的利用價(jià)值，可以作為一種清潔能源進(jìn)行開發(fā)和利用。瓦斯中甲烷占總含量的99.5%以上。

在煤礦生產(chǎn)中，因煤層賦存條件不同而產(chǎn)生不同的瓦斯含量，并且隨著開采深度的增加，其含量也相應(yīng)增加。同時(shí)，由于煤層中存在著許多裂隙、斷層和構(gòu)造裂隙等發(fā)育帶，在一定條件下會(huì)使煤層中的瓦斯含量增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析我國目前已探明的煤炭儲(chǔ)量中約有30%為瓦斯含量高的煤；若將全國煤礦瓦斯抽采量按50%計(jì)算，每年至少可提取煤炭資源總量的50%。我國現(xiàn)有煤礦213萬處，產(chǎn)能10.7億t/年，年產(chǎn)量4.6億t。據(jù)有關(guān)部門估算目前全國煤礦累計(jì)開采煤層中煤炭平均含瓦斯1.13kg/m3；煤層中瓦斯含量在2%～5%，以1m3煤為例，按煤層瓦斯含量10%計(jì)算，則每年約有9000萬t～1億t 以上的煤被開采出來[1-2]。

2 煤礦概況

華晉焦煤電力公司發(fā)電業(yè)務(wù)主要為原華晉焦煤有限責(zé)任公司瓦斯發(fā)電廠所轄業(yè)務(wù)，主要負(fù)責(zé)發(fā)電一期、發(fā)電二期、管網(wǎng)工區(qū)三個(gè)工區(qū)生產(chǎn)運(yùn)行，并負(fù)責(zé)監(jiān)管白家坡低濃度瓦斯發(fā)電站和高家山低濃瓦斯發(fā)電站的安全管理，建設(shè)規(guī)模見表1。

3 煤礦瓦斯發(fā)電利用優(yōu)勢

3.1 節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境

與火力發(fā)電廠相比，瓦斯發(fā)電具有明顯的節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境作用。

首先，從瓦斯的來源上看，由于我國煤炭資源賦存條件復(fù)雜、煤種分布不均、煤層透氣性差等因素的影響，煤礦瓦斯形成過程中存在著較多地質(zhì)災(zāi)害。瓦斯中含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等多種成分。利用煤礦瓦斯發(fā)電，一方面可以防止甲烷等有害氣體泄漏造成的環(huán)境污染和爆炸事故，另一方面可以有效地對煤系地層瓦斯進(jìn)行利用，在開采過程中通過抽采處理后排放到大氣中。

其次，從煤礦瓦斯的特性上看，煤炭是一種不可再生資源，其開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄煤系地層瓦斯。煤礦井下的采空區(qū)、封閉巷道或采煤工作面采空區(qū)內(nèi)都存在大量的采空區(qū)煤層和煤塵。這些煤層和煤塵中蘊(yùn)含著大量的甲烷氣體，對環(huán)境有較大的危害。然而利用煤礦瓦斯發(fā)電，不僅可以實(shí)現(xiàn)煤礦采空區(qū)甲烷氣體有效利用，而且可以有效地減少煤礦井下廢棄煤系地層中甲烷氣體對環(huán)境和周邊居民的影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因煤炭開采所釋放出來的煤炭熱量占全國總熱量排放總量的10% 左右。同時(shí)，由于瓦斯燃燒熱值只有空氣燃燒熱值的60% 左右（一般為10%～30%）。有關(guān)資料顯示目前我國煤礦井下排放出來的甲烷約占全國甲烷排放總量的1/3左右[3]。如果采用煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)替代燃煤發(fā)電技術(shù)，其所產(chǎn)生的能源利用率可以提高到75%～85% 左右，這對于解決煤炭資源短缺和環(huán)境污染問題具有重要的意義。

3.2 節(jié)能減排，提高能源利用效率

瓦斯是一種可燃?xì)怏w，在空氣中濃度為10%～20%時(shí)，遇火源即可燃燒，爆炸極限為5%～15%。在開采過程中，由礦井內(nèi)的瓦斯被抽放后，儲(chǔ)存于封閉的巷道內(nèi)或采空區(qū)中，經(jīng)抽放后成為低濃度瓦斯。煤礦瓦斯含有較多的甲烷、二氧化碳等溫室氣體和其他有害氣體，含量高達(dá)90%以上。當(dāng)煤礦瓦斯?jié)舛冗_(dá)到10%時(shí)，遇火源即可發(fā)生爆炸。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷熱值為4700～5100kcal/kg，相當(dāng)于標(biāo)煤的發(fā)熱量，是煤炭的2～3倍。

據(jù)測算，我國每年約有3億t 煤炭因礦井瓦斯泄漏而被污染，排放的污染物中，含有二氧化硫、氮氧化物和粉塵等有害物質(zhì)超過10萬t，產(chǎn)生的溫室氣體二氧化碳占到了溫室氣體排放總量的40% 以上，如果對煤礦瓦斯進(jìn)行回收利用，每年可減少二氧化碳排放量約280萬t[4]。經(jīng)測定，每產(chǎn)生1kg 甲烷（CH4）所放出的熱量為71.85cal，將這些熱量進(jìn)行回收利用，其發(fā)電量可達(dá)1kWh，如利用煤礦瓦斯發(fā)電一年發(fā)電量約1100萬kWh。煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)已基本成熟，機(jī)組熱效率可達(dá)35%～40%，可以實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，采用煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)還可以減少污染物排放，減少溫室氣體排放和空氣污染。瓦斯排放后不會(huì)對大氣環(huán)境造成影響，煤的燃燒過程會(huì)釋放多種有害氣體和粒子，如二氧化硫、氮氧化物和粉塵，這些物質(zhì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

相比之下，煤礦瓦斯發(fā)電過程中，主要排放的是二氧化碳，雖然其是一種溫室氣體，但與煤燃燒產(chǎn)生的其他有害氣體相比，其對環(huán)境的直接毒性影響較小。通過先進(jìn)的瓦斯發(fā)電技術(shù)，可以將煤礦瓦斯轉(zhuǎn)化為電能，這不僅減少了煤炭燃燒產(chǎn)生的有害排放，也提高了能源利用的效率。此外，將瓦斯轉(zhuǎn)化為能源還有助于減少溫室氣體的排放，對抗氣候變化。因此，煤礦瓦斯發(fā)電是一種具有顯著環(huán)境和社會(huì)效益的能源解決方案，有助于節(jié)約能源，提高能源利用效率，改善生態(tài)環(huán)境。

3.3 轉(zhuǎn)型之路：煤礦瓦斯發(fā)電對提升安全與勞動(dòng)條件的影響

瓦斯作為一種重要的工業(yè)氣體，在煤礦井下廣泛存在，利用煤礦瓦斯發(fā)電，既能夠提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，又能夠降低對環(huán)境的污染。瓦斯發(fā)電必須選擇高技術(shù)含量的設(shè)備和高質(zhì)量的輔助設(shè)備，并保證生產(chǎn)過程中的安全。目前我國煤礦開采普遍采用小煤柱回采工藝，工作面回采速度較快，采空區(qū)內(nèi)大量存在瓦斯。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年開采煤柱面積達(dá)1000萬t 以上，占煤炭總產(chǎn)量的5%以上。開采煤柱造成瓦斯涌出量的增加，且大部分礦井采用“一進(jìn)一回”方式開采。因此，煤柱抽放是當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。通過煤柱抽放使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被釋放出來，利用瓦斯發(fā)電設(shè)備將瓦斯經(jīng)壓縮、冷卻、除塵、燃燒等處理后轉(zhuǎn)化為潔凈可利用的電能。另外由于煤礦開采煤層一般較厚，導(dǎo)致煤層瓦斯涌出量增加，一般在0.5m3/t 以上，如果采用抽放后利用瓦斯發(fā)電方式將大大減少礦井涌水量[5]。煤礦瓦斯發(fā)電后減少了粉塵排放，降低了有害氣體排放對環(huán)境造成的污染。因此，煤礦瓦斯發(fā)電是煤礦安全生產(chǎn)和勞動(dòng)條件改善的有效途徑。

4 煤礦瓦斯發(fā)電利用

4.1 瓦斯設(shè)備性能參數(shù)

該煤礦裝備的瓦斯利用裝備性能見表2。

表2 瓦斯設(shè)備性能參數(shù)

4.2 瓦斯抽放狀況

華晉焦煤電力公司瓦斯抽放泵站正在進(jìn)行改造，依據(jù)華晉焦煤電力公司供應(yīng)的瓦斯抽放設(shè)計(jì)資料，至礦井最低開采深度+1000m 標(biāo)高時(shí)，設(shè)計(jì)瓦斯抽放量為3480m3/min。

4.3 應(yīng)用效益

2022年1～12月電力分公司發(fā)電量、供電量、瓦斯消耗情況及廠用電率見表3。

表3 利用情況

5 結(jié)語

綜上所述，煤礦瓦斯發(fā)電的原理是利用瓦斯中含有的甲烷、二氧化碳、水蒸氣等可燃?xì)怏w燃燒后產(chǎn)生的熱能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，同時(shí)可以將其排放的廢熱加以利用。瓦斯燃燒產(chǎn)生的熱能可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)。煤礦瓦斯發(fā)電作為一種清潔能源，具有較高的社會(huì)效益。本文得出的結(jié)論如下。

一是煤炭開采過程中產(chǎn)生的瓦斯主要成分是甲烷，是一種可燃?xì)怏w。如果能夠?qū)⑼咚辜右岳?，就可以減少對煤炭資源的浪費(fèi)。同時(shí)，由于煤礦瓦斯是一種清潔能源，可以減少對大氣環(huán)境的污染。二是煤礦瓦斯發(fā)電作為一種環(huán)保能源，可以減少因煤礦瓦斯燃燒而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，提升了總發(fā)電量15.9%。三是煤礦瓦斯發(fā)電可以增加就業(yè)崗位。利用煤礦瓦斯發(fā)電企業(yè)是一個(gè)高科技產(chǎn)業(yè)，其工作環(huán)境好，工作時(shí)間長，可以吸納大量的勞動(dòng)力就業(yè)。四是煤礦瓦斯發(fā)電企業(yè)利用瓦斯發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱可以為附近居民提供生活熱水和采暖。