浅谈低浓度瓦斯发电技术的应用及改进

郭来同

（山东胜动燃气综合利用有限责任公司，山东 东营257000）

0 引言

瓦斯化学名称为甲烷，是附着于煤炭中煤基质颗粒表面或溶解于煤层水中的一类烃类气体，无色无味且易燃易爆，在煤炭勘探、采集中容易造成事故。甲烷在空气中的浓度达到5%～16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。但合理利用瓦斯，可以将其转化为优质产能。我国大多数煤矿使用高负压、大流量的抽采系统来抽采瓦斯。在政府的支持和扶持下，业内专家学者对低浓度瓦斯发电技术进行了研究和改进，以探索低浓度瓦斯的利用途径，减少资源浪费。

1 低浓度瓦斯发电技术概述

1.1 发电原理

浓度在30%以下的瓦斯可以通过水环式抽采泵从地下煤层抽采出来，经过安全性较强的输送管道输入发电机组缸体，一般应用较多的是500GF1－3RW瓦斯发电机组，在发电机组缸体内经点燃爆炸来推动活塞运动，从而将化学能转化为机械能并进一步产生电能，使低浓度瓦斯得到充分利用。而基于这样的原理，一般的发电站或者发电系统主要由气体输送系统、冷却水循环系统、高低压电气系统、水雾输送系统和整个发电机组的监控系统构成，使用全电子控制技术来调控和监测整个发电过程。

1.2 关键技术

低浓度瓦斯发电在实际应用中需要几种核心技术来支撑整个发电过程的顺利进行，如可靠性高的阻火技术、全电子控制技术、电控燃气混合器技术、数字式点燃技术以及瓦斯与空气混合增压技术等。

在整个机组系统中，首先要保证运行和气体传输的安全性，因此需要设置安全可靠的阻火器，在发电站总进气管、机组进气总管、混合器前的燃气管线、中冷器与增压器之间及进气管调速节气门间都需分别安装不同类型的阻火器。另外，在瓦斯输送时不仅需要保证输送管道不漏气、不易燃，还需配置细水雾输送装置。安置数量由输送管道长度和输送瓦斯规模等多方面因素决定。电控燃气混合器技术，简言之，就是通过电子控制技术来调节混合气的混合比例和空燃比，而瓦斯与空气混合增压技术则是需要增压器和中冷器来促进瓦斯空气的混合效果和混合比例，提高发电机功率并降低产生的热负荷。发电技术在不断改善，目前点火技术上多用电控单元来根据实际情况调控点火时间、点火强度等，确保点火操作处于最佳的环境中。

1.3 主要内容

2004年以来，胜利油田胜利动力机械集团（以下简为胜动集团）研发成功的“煤矿瓦斯细水雾输送及发电技术”使低浓度瓦斯发电技术得到了快速发展。新版《煤矿安全规程》对浓度在30%以下的瓦斯用于内燃机发电作出了明确的规定：抽采的瓦斯浓度低于30%时，不得作为燃气直接燃烧；用于内燃机发电或作其他用途时，瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定，并制定安全技术措施。一般而言，500GF1－3RW低浓度瓦斯发电机组对瓦斯的基本要求如下：（1）瓦斯浓度＞6%；（2）压力（调压阀前）不低于3kPa；（3）进气温度≤35℃。

低浓度煤矿瓦斯发电机组于2005年7月2日通过了国家安全总局组织的技术鉴定，2005年12月25日通过了国家安全总局组织的产品鉴定。没有通过鉴定的机组由于安全不能得到保障及发电技术不过关，不能应用。通常而言，瓦斯发电的设计和改进需要解决2个主要问题：发电机组要适应瓦斯浓度和压力变化的要求、要保证发电过程和瓦斯抽采输送过程的安全。

2 低浓度瓦斯发电技术的应用

低浓度瓦斯发电技术经研发和不断创新之后在我国大部分煤矿中得到应用，在其所有应用形式中，燃气内燃机式发电最具优势，其他还有锅炉与蒸汽轮机发电模式、燃气轮机与蒸汽轮机发电组合模式。在使用瓦斯发电时，燃气内燃机式发电模式具有燃烧充分完全、排放有害气体少、抗爆燃性能好、经济效益高和混合气发火范围广等绝对性优势，它除了在胜动集团应用外，还在全国得到了推广，如东三省、河南、安徽、贵州和重庆等产煤大省。早在2009年，全国瓦斯发电装机容量就超过了92万kW。国家发改委在落实煤层气发电上网加价政策之后，国内相关企业煤层气发电利用积极性高涨，因此煤层气发电装机规模也在逐年上升，技术研发和装备制造水平不断提高。

但低浓度瓦斯发电机组在使用中也会出现各种障碍和技术上的不足，如靖远煤业的煤矿使用的是锅炉与蒸汽轮机模式，因长期气量不足而使设备发电效率相对较低，频繁开关设备也加大了设备的损耗率和故障率，2007年之后，工作效率只在17%左右。同样，燃气内燃机式发电技术的应用也存在以上问题，并且机组在维修和保养上更复杂，也更容易出现问题。

3 改进低浓度瓦斯发电技术的措施

3.1 提高瓦斯发电效率

为提高发电效率，在发电机组中可以布置循环式设备，以充分利用机组产生的热量，且其占地面积小，损耗率降低。对发电机组的增压室进行改进，如配合小喷流技术进行瓦斯预处理、采用二体增压阀进行完全封闭提高增压效果等。不同的瓦斯浓度会产生不同的发电效率，因此，通过摸索最优的搭配得到适合的瓦斯浓度可以改善整体发电效率。

3.2 提高发电及瓦斯运送安全性

从2010年开始，国家安监局颁布了煤矿用非金属瓦斯输送管材安全技术条件、瓦斯管道输送自动阻爆装置技术条件和细水雾混合安全输送装备技术规范等10项低浓度瓦斯输送和利用标准，一方面规范煤矿安全生产，另一方面也有助于学者进行这些方面的安全性技术研究。采取加强输送管道的材料安全性、使用专门的漏气监测装置、合理配置防火阻爆装置等措施能使安全事故发生率大大降低。具体如安全设施安设段管道应选用钢管，其他输送管道可选用非金属管，输送管道材料需进行防腐蚀、防漏气、防砸坏、防静电处理。对发电机房和配电室等地配置的照明装置采用防爆灯具，设应急照明，在变压器上也要进行瓦斯、过流和速断等保护。而瓦斯抽采泵房、输气站加压机房和低浓度瓦斯管道系统中所选用的电气设备、仪表均应满足矿用防爆要求。非防爆设备和仪表应集中安设到专门的仪表间（或配电间），并采取相应的隔离措施和消防措施。

3.3 提高瓦斯利用度

目前低浓度煤层气发电技术较成熟，发电机组运行功率一般为400～420kW，投资额约为8000～9500元／kW。在实际应用中，各个煤矿的煤层规模、瓦斯浓度和瓦斯量等情况不同，需要不同功率和利用度高的机组来适应不同情况。可以从瓦斯抽采、输送和点燃利用全过程来降低瓦斯的损耗，提高可使用瓦斯的数量。或者使用智能控制技术来对瓦斯添加混合进行精确控制，进而提高瓦斯气体的利用率。对于通风瓦斯，可以经过增压和浓度浓缩来进行利用，从国内外相关研究成果和实践经验中可知，通风瓦斯主要有热氧化、催化氧化和作为辅助燃料3种利用方式。在这3种利用方式中，热氧化技术是已实现工业化运行、最为成熟的技术。

4 结语

笔者从国内相关理论研究和实际应用中搜集低浓度瓦斯发电技术的基本资料，并对其应用情况和改进措施进行总结分析。各种改进措施都需要在保证瓦斯输送和发电过程安全性的基础上对发电技术进行更新和完善。低浓度瓦斯发电技术能够将低浓度瓦斯转化为可利用的电能，不仅可产生较大的经济效益，更对促进煤矿安全生产、资源有效利用和环境保护有重大贡献。

［1］王琳.低浓度瓦斯发电技术的改进［J］.煤矿机电，2008（1）

［2］傅国廷.低浓度瓦斯发电技术及应用［J］.煤，2009（11）