煤矿瓦斯发电技术研究

齐永建

(山西晋城煤业集团沁水晋煤瓦斯发电公司，山西 048000)

煤矿瓦斯发电技术研究

齐永建

(山西晋城煤业集团沁水晋煤瓦斯发电公司，山西 048000)

本文根据煤矿高、低浓度瓦斯与乏风发电的设备及技术创新成果，就高浓瓦斯发电中热能的综合利用、内燃机发电技术，低浓瓦斯发电过程中低浓瓦斯的安全输送技术，乏风的利用技术等进行了细致分析，有利于进行适合的煤矿瓦斯发电方案选择。

高浓瓦斯 低浓瓦斯 乏风 内燃机

1 高浓度瓦斯发电

瓦斯浓度30%以上的高浓度瓦斯便于储存和远距离输送，可将不同气源点的瓦斯通过管路输送至某地，集中建设大型瓦斯发电厂，如山西晋城地区已建成装机容量120MW的国内最大的瓦斯发电厂，也可在气源点附近就近利用建设小型电站。

1.1 高浓度瓦斯发电流程

由于内燃机具有适用瓦斯浓度的范围比较宽，维护和保养方便等优点，在煤矿瓦斯发电领域已经广泛推广使用，利用内燃机瓦斯发电流程如图1。

图1 内燃机瓦斯发电流程图

内燃机发电热效率虽然可达40%左右，相对较高，但仍有约35%～40%左右的热能通过燃机尾气和缸套水散热被排放掉，这部分热能如不充分利用将会对环境造成热污染和资源的浪费。对此高浓度瓦斯发电要根据实际情况充分考虑余热的利用，利用内燃机500℃以上的高温尾气通过余热锅炉，产生高温蒸汽驱动汽轮机发电。利用90℃左右的缸套水通过板换换热给居民区供暖。经过余热的充分回收利用，瓦斯气中所蕴含的热能80%以上可得到利用。

1.2 内燃机发电技术

不同厂家生产的内燃机虽有一定的差异但结构基本相同，一般都包含燃气进排气系统、点燃系统、冷却系统、润滑系统、控制系统五大系统。燃气进排气系统包括燃气、空气过滤器，计量阀，节流阀和进排气门等，燃气、空气通过净化过滤后充分混合进入燃机缸内燃烧将热能转化为动能，推动活塞带动连杆、曲轴运动输出功率。冷却系统通过缸套水泵、中冷水泵的工作使冷却液在散热水箱与燃机本体间不断循环，为燃机缸体、瓦斯气、机油进行冷却。点燃系统通过点火变压器、火花塞的工作点燃缸内混合气。润滑系统通过机油泵将润滑油送至燃机连杆瓦、曲轴瓦等转动部件对其进行润滑降温。控制系统通过控制计量阀、节流阀等阀门动作自动调整瓦斯气进气量，使其与空气充分混合后浓度达到6%～8%，进入缸内进行燃烧。通过监测燃气进气压力、温度传感器，机油温度、压力传感器，发动机速度正时传感器，爆燃传感器等采集到的各类信号控制燃机各系统的协调工作、监测燃机的运行状态。

2 低浓度瓦斯发电技术

2.1 低浓度瓦发电简述

我国煤矿所抽采的瓦斯60%以上为浓度30%以下的低浓斯。以前根据煤矿安全工作规程规定，利用瓦斯时，瓦斯浓度不得低于30%，因此大量的低浓瓦斯得不到有效利用。随着低浓瓦斯输送、发电技术的不断发展，目前新版煤矿安全工作规程关于浓度低于30%的瓦斯的相关规定已更改为“不得做为燃气直接燃烧，用于内燃机发电或作其它用途时，瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定”为低浓度瓦斯利用从制度上扫清了障碍。

2.2 低浓度瓦斯发电

低浓度瓦斯发电与高浓瓦发电的最大区别是低浓度瓦斯进入机组前不允许设立储气罐，必须经过安全输送系统的传输，才能经瓦斯预处理系统脱水、除杂后供内燃机使用。实现低浓度瓦斯安全输送的主要方法有细水雾安全输送、水蒸汽安全输送、气水二相流安全输送、惰化激活安全输送等几种，工作原理不尽相同，目的都是为解决低浓度瓦斯在输送过程中一旦遇火爆炸问题，实现阻火、防爆和抑爆。细水雾输送技术已经过了工业试验，2005年世界第一座利用内燃机经过细水雾输送的低浓度瓦斯发电站在淮南谢一矿投运。

细水雾输送装置主要有截止阀、湿式阻火泄爆装置、泄压溢流阀、水雾发生器、脱水器、循环水泵与管道组成。煤矿瓦斯抽放泵站输出的瓦斯首先经过湿式阻火泄爆装置，再经过金属波纹带瓦斯管道专用阻火器，随后经过管道细水雾阻火，细水雾与煤矿瓦斯在管道内混合输送，管路末端脱水装置将混合在瓦斯中的水份脱出。细水雾发生器在管道上的设置距离不准超过20m，水雾雾珠直径小于400μm。由于低浓度瓦斯不允许储存，因此需在瓦斯管路上设置放散阀门，根据机组瓦斯用量情况，及时调整瓦斯输送压力，多余气体及时排空。经过这些安全措施的保障，最终低浓瓦斯即可被送至内燃机，实现瓦斯发电。

细水雾输送虽然解决了低浓度瓦斯的输送问题，但仍然存在一定的局限性，低浓度瓦斯不便于长距离输送，只能在气源点附近就近利用。

3 乏风发电技术

矿井乏风是煤矿瓦斯最难利用的部分，主要障碍是流量大，浓度低。乏风在发电上的利用方式主要两种：(1)作为辅助燃料助燃，将乏风替代空气，以减少主燃料的使用。如将乏风送入内燃机、燃气轮机等。(2)做为主燃料，利用热逆流氧化技术或热逆流氧化催化技术利用甲烷氧化产生的热量使水加热从而带动汽轮机发电。

3.1 乏风辅助燃烧

单位体积乏风中瓦斯浓度含量非常低，一般为0.5%左右，如不能大量利用，经济效益与环保意义都不大。乏风替代空气助燃内燃机、燃气轮机、瓦斯锅炉理论上可行，但除去瓦斯锅炉对空气的洁净度要求不高外，内燃机、燃气轮机对空气中杂质都有一定的要求。多数内燃机要求空气中灰尘直径需小于1μm，但乏风做为矿井的回风，其中携带了大量的煤尘，如何有效的去除煤尘是困扰乏风助燃的一个重要问题。例如对晋城矿区寺河矿西风井乏风中携带的煤尘进行实验分析，煤尘颗粒大于1μm的煤尘含量为48.23 mg /m3，乏风助燃某型单机功率1800kW进口内燃机组为例相关数据如表1。

表1 某型单机功率1800kW进口内燃机组相关数据

通过表1可看出，如利用风井所产生的乏风给单机功率1800kW燃机助燃，可供60台燃机使用，24小时可利用瓦斯5.8万标m3，但24小时乏风所携带的煤尘量也高达625.4kg，大量的煤尘会堵塞空气滤网，使燃机不能正常进气。如何高效除尘是制约乏风助燃的一个关键问题，需进一步寻求更加高效方便的除尘方式。

3.2 乏风氧化

乏风氧化处理装置从原理上分为两种，逆流式瓦斯氧化装置与逆流式瓦斯催化氧化装置，其主要工艺区别在于采用氧化催化剂能够使甲烷的氧化过程在350～800℃的温度下进行，否则甲烷氧化将在800～1000℃进行。国、内外虽然都对触媒式甲烷氧化装置进行了大量研究，但催化氧化装置仍存在催化剂活性、稳定性难以保证等问题，若乏风中含硫则催化剂易中毒、寿命短，成本高，另外在氧化反应温度降低的同时也减少了热量的回收利用率。目前投入工业使用的主要是逆流式瓦斯热氧化装置，已建成、投运多座示范电站。

逆流式瓦斯热氧化装置工作原理：首先将蓄热陶瓷氧化床加热到800～1000℃的高温，乏风中的甲烷在反应器中氧化释放热量，利用释放的热量实现蓄热和余热的交替转换，送入反应器的气体不断变换运动方向，使进气在蓄热器中吸热升温，以保证氧化过程的自维持。乏风氧化产生的热量除去自维持外，其余热量以高温烟气的方式带入余热锅炉，加热余热锅炉中的水产生高温过热蒸汽，带动汽轮机发电。乏风氧化技术由于设备结构较简单，乏风处理量大，瓦斯利用效果比较好越来越得到企业的重视。2007年阜新矿业集团王营矿投运处理量为12500m3/h的国内自主研发的逆流式瓦斯热氧化装置，成功产出饱和蒸汽。2014年潞安集团高河煤矿，利用乏风氧化释放的热量给水加热产出过热蒸汽驱动汽轮机发电，建成世界最大的装机容量30MW的乏风发电站。

[1] 高增丽，高振强，刘永启，苏庆泉，矿井乏风瓦斯治理利用现状与发展[J].冶金能源，2010,5：43-46.

[2] 张国昌，煤矿瓦斯发电技术综述[J].车用发动机2008, 5：9-15.

[3] 李磊，低浓瓦斯发电技术研究与展望,矿业安全与环保[J].2014，41(2):86-89.

[4] 贾剑，乏风氧化及余热利用技术在山西潞安高河煤矿的应用[J].矿业安全与环保，2014,41(6)：68-27.

[5] 王玉麟，王君杰.低浓瓦斯综合利用新技术研究[R].全国暖通空调制冷学术年会论文集，2010.

(责任编辑 黄 岚)

Study on CMM Power Generation Technology

QI Yongjian

(Qinshui JAMG Gas Power Generation Company, Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd., Shanxi 048000)

On the basis of the power generation equipment and technology innovation for CMM with high and low concentration as well as VAM, the paper analyzes the comprehensive utilization of heat during power generation process of CMM with high concentration, power generation technology of internal combustion engine, safety transportation technology of CMM with low concentration during power generation process, VAM utilization technology, etc., which will help to select a suitable utilization plan.

CMM with high concentration; CMM with low concentration; VAM; internal combustion engine

齐永建，山西晋城煤业集团沁水晋煤瓦斯发电公司。