低浓度瓦斯发电工艺的探讨

石 晔

（淮南矿业集团瓦斯利用分公司, 安徽 淮南 232001）

低浓度瓦斯发电工艺的探讨

石 晔

（淮南矿业集团瓦斯利用分公司, 安徽 淮南 232001）

全国煤矿每年瓦斯抽放量为20亿m3,其中,6%～30%浓度的瓦斯约占三分之一,解决这部分低浓度瓦斯抽排放空问题,可以拓展瓦斯综合利用的空间,有效地利用资源,对促进煤矿安全生产、减少温室气体排放、保护环境意义重大,结合淮南矿业集团瓦斯利用分公司谢一低浓发电站的实际情况,简要分析低浓度瓦斯发电的可行性,阐述目前低浓度瓦斯发电在进一步发展过程中所面临的问题及以后发展的方向。

低浓度瓦斯; 细水雾输送系统; 瓦斯发电机组; 瓦斯利用

DO I:10.3969/j.issn.1671-4733.2011.03.004

我国是瓦斯灾害最严重的国家。据统计,我国瓦斯事故已占到煤矿事故的80%以上,造成的伤亡占到特大事故伤亡人数的90%。瓦斯已经成为导致煤矿重特大安全事故的“头号杀手”。同时,我国煤层气（即矿井瓦斯）资源量达36.8万亿 m3,居世界第三位。目前可采资源量约10万亿 m3,2010年,新增煤层气探明地质储量3 000亿 m3。治理瓦斯、实现瓦斯的全面综合利用已迫在眉睫。

但是很长时间以来,人们能利用的只能是浓度在30%以上的瓦斯,而这一部分瓦斯在我国每年的抽排量中只是很小的一部分。大量富集于井下的低浓度瓦斯被抽排上来后,因为浓度在30%以下,不能直接利用,提纯的成本又太高,只能将它们排入大气,造成温室效应。低浓度瓦斯发电技术的应用则解决了上述问题。

1 低浓度瓦斯发电的意义

1.1 减少事故发生,保障安全生产

煤矿安全是全国安全生产的重中之重,瓦斯治理和利用又是煤矿安全生产的基石。当人们一提到煤矿瓦斯时,很自然地就会联想到矿井的爆炸,人员的伤亡。瓦斯治理和综合利用率低一直困扰着瓦斯利用行业,这是造成事故一个极其重要的因素。

瓦斯存在于煤层及周围岩层中,主要成分为甲烷,这种无色无味的混合物虽然无毒,但当浓度在4%～16%之间时却具有极高的爆炸性。在采煤之前如果先开采煤层气,煤矿瓦斯爆炸率将降低70%～85%。目前我国每年因采煤而从矿井中抽放的瓦斯只有15亿m3左右,瓦斯的实际利用率不到2%。全国煤矿每年瓦斯抽放量为20亿m3,其中能利用、浓度在30%以上的瓦斯只有7亿m3,其余为难以利用的低浓度瓦斯。在这部分低浓度瓦斯中,有部分是浓度在5%以下甚至绝大多数连1%也不到的风排瓦斯,它们是井下在作业时为了保证作业面安全而随巷道内空气排到地面的超低浓度瓦斯,虽然量大,但收集成本太高,难度大,总体利用价值不大。浓度在6%～30%的瓦斯,称之为低浓度瓦斯,这部分瓦斯约占了瓦斯总量的三分之一。它们大量富集于一些低瓦斯矿井中及井下采空区的岩石缝隙中。在采煤过程中,由高、低抽巷将这些低浓度瓦斯抽排出井下,保证矿井作业。而这部分瓦斯由于安全因素,利用我们现有的技术无法将其采集。多年来,在煤矿生产中,为了保障井下生产,已经将这部分瓦斯抽放上来,但因为浓度低于30%不能利用,而又不得不将其放空,浪费了资源的同时还给环境造成了巨大的负担。

将已经抽采至地面的低浓度瓦斯安全引入发电站,进行发电并产生经济效益能很好的解决瓦斯综合利用率低的问题,从经济角度促进矿井的瓦斯治理与抽排积极性,保障安全生产。

1.2 促进关联产业的发展,扩大经济效益

我国低浓度瓦斯发电产业一旦发展起来,会给相关产业带来剧的巨大的商机,包括设计建造、环保评估、钻进机械（钻机）、瓦斯抽取及输送设备（真空泵及压缩机）、输送管道、监测监控设备、低浓度瓦斯发电设备、利用瓦斯生产化工原料的设备等。瓦斯的开发利用尽管是一个长期的投资过程,但从国外发达国家的经验来看,其增值的财富是令人惊讶的。英国市场分析人士认为,中国瓦斯煤层气的开发利用将会带来20亿欧元的巨大市场。

现在利用低浓度瓦斯发电,也为将来利用超低浓度瓦斯发电奠定了基础,积累了经验。只有实现瓦斯的零排放,才是最终的目标。发展低浓度瓦斯发电,完全符合现在提倡的发展绿色循环经济的目标,无论是现在已经签约的关于《京都议定书》的CDM减排指标的出售协议,还是即将实行的《可再生能源法》,都能够给我们的参与企业带来可观的经济效益。

1.3 保证循环经济发展,实现低碳经济

资料显示,瓦斯直接排放到大气中,其温室效应约为二氧化碳的21倍,对生态环境破坏性极强。然而,1 m3纯瓦斯气的热值相当于 1.13 kg汽油、1.21 kg标准煤,其热值与天然气相当,可以与天然气混输混用,而且燃烧后很洁净,几乎不产生任何废气,是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。

我国每年在采煤的同时排放的煤层气在130亿m3以上,合理抽放的量可达到35亿 m3左右,除去现已利用部分,每年仍有30亿m3左右的剩余量,加上地面钻井开采的煤层气50亿m3,可利用的总量达80亿m3,约折合标煤1 000万t。如全部用于发电,每年可发电近300亿kW·h。

由此可见,利用低浓度瓦斯发电具有一举多得的功效,提高瓦斯事故防范水平,具有安全效应;有效减排温室气体,产生良好的环保效应;作为一种高效、洁净能源,商业化能产生巨大的经济效益;同时还能产生深远的社会效益。

2 低浓度瓦斯发电系统的设计

2.1 低浓度瓦斯发电的原理

利用瓦斯发电,关键是利用瓦斯在一定浓度范围内,达到相关条件会产生爆炸,进而利用其产生的能量。目前主流的低浓度瓦斯发电载体是由柴油发电机组改装而成,利用低浓度瓦斯为燃料,在发动机气缸内发生爆炸做功,再带动发电机,输出电能。

2.2 低浓度瓦斯发电系统的结构

2005年12月25日安徽淮南矿业集团瓦斯利用分公司谢一低浓度瓦斯发电站安全发电科技成果在淮南煤矿通过专家委员会鉴定,其发电站总体设计6台500 kW机组,装机容量3 000 kW,同时运行。电站以浓度6%～23%的煤矿井下瓦斯为原料,成功解决了6%以上低浓度瓦斯抽排放空问题,开创了世界低浓度瓦斯发电先河。本文将结合这个发电站,对目前低浓度瓦斯发电系统各方面作简单阐述。

2.2.1 低浓度瓦斯细水雾输送系统

众所周知,瓦斯爆炸的浓度范围是5%～15.87%,在这个范围内,瓦斯遇明火便会爆炸,而绝大多数低浓度瓦斯恰恰就在这个范围内,属于极高危气体,一旦泄漏,遇明火或高温物体就会爆炸,所以低浓度瓦斯的输送问题是困扰低浓度瓦斯发电乃至利用的首要因素,低浓度瓦斯细水雾输送系统则很好的解决了以上问题。

2.2.2 电控混合器

要利用低浓度瓦斯爆炸做功发电,就必须要能非常精确的控制甲烷和氧气的混合量,也就是瓦斯和空气的混合比例。为此,低浓度瓦斯发电机组采用了最新研发的电控混合器。

2.2.3 电磁阀、雷达水封、干式阻火器

在低浓度瓦斯输送系统中的电磁阀不同与以往传统高浓度瓦斯输送系统中的电磁阀,确切的说,应该是一个保护系统。

高科技的雷达水封是第一次被应用于瓦斯输送,它与干式阻火器配套使用,分别对可能发生的爆炸起到泄压和阻火的作用。其中,雷达水封的水位自动控制系统是一项军转民技术,稳定、可靠。

以上只是低浓度瓦斯输送系统中的一些关键部件,在系统中,还包括机组各个重要部位的小型干式阻火器及相应的防爆门,输送系统中的钢管也是特制的,具有很高的强度,可以抵御爆炸产生的冲击波。所有这些,共同保障低浓度瓦斯的安全输送,组成了具有特色的低浓度瓦斯输送系统,解决了利用低浓度瓦斯发电的前提。

3 低浓度瓦斯发电系统解决的技术难题

3.1 直接利用泵排瓦斯发电

以往利用高浓度瓦斯发电,都是由煤矿抽排泵将适合发电浓度的瓦斯送入储气罐,再由储气罐向瓦斯发电机组供气。这样做的好处很多,首先,储气罐就象一个大的混合容器,使得机组可以运行在一个浓度相对稳定的环境下;其次,储气罐还起到了均压的作用,使进入机组的瓦斯压力稳定;再次,在储气罐中,从井下抽到地面上的瓦斯中的水份将被慢慢沉积排出,不会进入发电机组。最后,储气罐还可以均衡瓦斯温度,保证为机组在一定程度上的持续供气等。但由于安全方面的问题,低浓度瓦斯发电系统不能有任何瓦斯储存容器,由抽排泵提供的瓦斯气直接进入机组。瓦斯浓度和压力的不稳定直接导致机组功率变化大,甚至脱网、停机;大量的水分进入发电机组更是会给机组带来灾难性的损害;瓦斯气中的固体杂质会造成发电机组内的积碳等等。

为了解决以上的问题,结合淮南矿业集团瓦斯利用分公司刚刚试运行成功的国内首个移动发电站,在低浓度瓦斯发电机组中采取了一系列技术革新,包括下述的高效的脱水装置、便于及时、快捷操纵的电控混合系统等等。

3.2 瓦斯脱水

在这里的脱水装置已经不仅仅是脱掉瓦斯从井下、水环式真空泵中带来的水分,更要将细水雾输送系统混合在瓦斯中的大量水分脱掉。低浓度瓦斯发电系统中采用了螺旋压力脱水装置,不仅脱水效果好,而且性能可靠,成本低廉。

3.3 机组空燃比的精确、迅速控制

在上面已经说过,由于要将低浓度瓦斯与空气混合得当,并且还要能及时反应瓦斯压力、浓度的变化,在低浓度瓦斯发电系统中的空燃比控制不但要精确,还要迅速。这套系统采用了进口的步进电机控制器、执行器、调速器及驱动器,以满足空燃比控制精确、迅速的要求。除此之外,电控混合技术的引进解决了瓦斯浓度不稳定、压力波动大而影响燃气燃烧不稳定的问题;利用预燃室、电子点火技术加大点火能量,保证了低热值燃气的正常点火;采用全电子管理技术提高了机组的监控水平,保证了机组运行的稳定性等。

3.4 解决安全问题

3.4.1 瓦斯安全输送

把低浓度瓦斯从抽排站安全输送到瓦斯发电站是利用低浓度瓦斯的前提。低浓度瓦斯细水雾输送系统很好的解决了这个问题。在输送瓦斯的直径为500 mm的管道上,每隔20 m便设置了一组细水雾喷头,每组喷头有12个喷头组成,分别从不同的方向,将高达2 M Pa的水喷到输气管道中安装的挡板上,经过反射,产生颗粒为1 000μm的细水雾,随着低浓度瓦斯输送,在进入机组之前,经过螺旋脱水装置将水脱掉,完成低浓度瓦斯的安全输送。在这里,细水雾起到了,阻爆、防爆、隔爆的作用。经过实验,这样的系统中,高达瓦斯点火三倍的能量也不能将瓦斯点爆,彻底杜绝了爆炸的隐患。

另一方面,由电磁阀、干式阻火器、雷达水封和高强度的钢管,组成了主被动的隔爆系统,防止发电机组在运行中发生回火而将爆炸传递到井下。在瓦斯输送管道上,安装了压力、温度、甲烷浓度、氧浓度、流量采集探头,将采集的数据传送到在监控室的瓦斯输送监控机上。通过设定的程序,电脑将监控以上数据,一旦发现有数据显示发生或可能发生爆炸,监控机将自动关闭位于抽排站内的电磁阀,隔断爆炸,对井下系统进行保护。雷达水封和干式阻火器在必要时,也可起到被动隔爆的作用。

3.4.2 发电机组安全

在机组上,也进行了大量的关于安全方面的改进。首先,较之高浓机组,低浓机组分别在进气总阀、两侧增压器前及中冷器前后加装了7个小型干式阻火器,并在机组和脱水装置上安装了防爆门,保障机组安全运行。

在给两侧气缸进气管道上,安装了防爆电磁阀,在机组突然停机时,自动关闭,防止回火。

其他诸如开放式厂房的设计,随处可见的防爆电机,瓦斯、烟雾探头,无不一一保障了低浓度瓦斯发电系统的安全运作。

利用低浓度瓦斯发电目前还是一个新兴产业,但是这个产业的前景非常广阔。

低浓度瓦斯发电解决了相当一部分瓦斯的抽排放空问题,在给社会产生了经济效益的同时也减少了对环境的污染。

从长远的角度看,利用低浓度瓦斯发电为将来对1%以下的超低浓度风排瓦斯积累了宝贵的经验,为最终实现煤矿瓦斯零排放的目标奠定了基础。

[1] 黄盛初.利用甲烷市场化机制发展煤矿区煤层气项目[J].中国煤层气,2005,（1）:5-9.

[2] 袁亮.淮南矿区瓦斯抽放技术的新进展和减排方案[J].中国煤层气,2004,（1）:43-46.

[3] 程宏斌.煤层气热电联产技术[J].中国煤层气,2005, （1）:42-45.

[4] 孙茂远,张遂安.中国煤层气产业政策研究[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[5] 孙茂远,黄盛初.煤层气开发利用[M].北京:煤炭工业出版社.1998.

[6] 鲜保安,崔恩华,蓝海峰,等.中国煤层气开发关键技术及综合利用[J].天然气工业.2004,（5）:123-125.

TD712.+67

B

1671-4733（2011）03-0010-03

2011-05-03

石晔（1982-）,男,安徽淮南人,助理工程师,从事低浓度瓦斯发电现场管理工作,电话:13966451739。