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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guó)目前已探明的煤炭?jī)?chǔ)量中約有30%為瓦斯含量高的煤；若將全國(guó)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(guó)現(xiàn)有煤礦213萬(wàn)處，產(chǎn)能10.7億t/年，年產(chǎn)量4.6億t。據(jù)有關(guān)部門(mén)估算目前全國(guó)煤礦累計(jì)開(kāi)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(wàn)t～1億t 以上的煤被開(kāi)采出來(lái)[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(jiàn)表1。

3 煤礦瓦斯發(fā)電利用優(yōu)勢(shì)

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(lái)源上看，由于我國(guó)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(guò)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(duì)煤系地層瓦斯進(jìn)行利用，在開(kāi)采過(guò)程中通過(guò)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(kāi)采過(guò)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(duì)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(duì)環(huán)境和周邊居民的影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因煤炭開(kāi)采所釋放出來(lái)的煤炭熱量占全國(guó)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(guó)煤礦井下排放出來(lái)的甲烷約占全國(guó)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(duì)于解決煤炭資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)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(kāi)采過(guò)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(cè)算，我國(guó)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(guò)10萬(wàn)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(duì)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(wàn)t[4]。經(jīng)測(cè)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(wàn)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(duì)大氣環(huán)境造成影響，煤的燃燒過(guò)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(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

相比之下，煤礦瓦斯發(fā)電過(guò)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(duì)環(huán)境的直接毒性影響較小。通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)程中的安全。目前我國(guó)煤礦開(kāi)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(guó)每年開(kāi)采煤柱面積達(dá)1000萬(wàn)t 以上，占煤炭總產(chǎn)量的5%以上。開(kāi)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(kāi)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(guò)煤柱抽放使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被釋放出來(lái)，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(kāi)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(duì)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)表3。

表3 利用情況

5 結(jié)語(yǔ)

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(kāi)采過(guò)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茫涂梢詼p少對(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(guò)程中產(chǎn)生的余熱可以為附近居民提供生活熱水和采暖。