浅谈高浓度瓦斯发电厂工艺设计

王俊杰

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

我国大约有30%以上的煤矿瓦斯是甲烷含量在30%以上的高浓度瓦斯。高浓度瓦斯发电是指利用甲烷含量在30%以上的瓦斯进行发电，而且瓦斯抽放系统多是以单个矿井为单位建立的，相对地作为发电燃料的瓦斯浓度的可选择性较少。因此，在煤矿瓦斯的利用上应考虑坑口分布式高浓度瓦斯发电厂的建设。

高浓度瓦斯发电厂工艺系统包括:燃料供应与输送系统、高浓度瓦斯发电机组、余热利用设施等部分。下面从高浓度瓦斯发电厂的工艺系统，重要设施、设备的工作原理及应考虑的设计程序等方面进行具体论述。

1 燃料供应与输送系统

煤矿在开采过程中矿井瓦斯涌出量相当丰富，瓦斯抽放工作在矿井抽放系统已经确立的情况下，其服务年限应与矿井服务年限一致[1]. 瓦斯输送系统各管段均设有放散阀、吹扫接口，吹扫气体为氮气汇流排提供的氮气。

1.1 加压与混气系统

经过在井下收集抽取后通过管路输送到地面抽放泵站的瓦斯里常含有硫分、水分，且压力较低[2]. 因此，在瓦斯抽放泵站出口设计加压泵房，安装加压风机和脱硫脱水设备。脱硫设备可选用干法脱硫设备。采用氧化铁脱硫剂的干法脱硫设备具有孔隙率大、硫容量大、强度高、遇水不粉化、不影响脱硫、脱硫效率高等特点。

加压泵房将井下抽放的瓦斯升压、脱硫脱水后，通过瓦斯管道输送至混气装置。为了满足高浓瓦斯内燃机正常运行对供气浓度的要求，同时为了充分利用抽放的瓦斯，将瓦斯、空气通过混气装置混合至30%～45%浓度进入储气柜。根据上述设计参数，采用随动流量式混气方式即以高浓瓦斯为基准气源，以低浓瓦斯或空气为随动气源，通过调节阀调节高浓瓦斯的流量，低浓瓦斯或空气跟随流量的变化自动调节流量以满足混合比例及达到工艺要求。设计选用静态混气器作为实现该混气功能的主要设备，采用以PLC和计算机系统为控制系统的核心，通过调节阀实现对瓦斯流量的调节，通过监控甲烷浓度实现对混合气的调控，保证稳定的混气比例。随动流量式混气方式具有控制方便、投资少、运行费用及维护成本低等特点。

1.2 储气柜与预处理系统

混气装置出来的高浓瓦斯通过瓦斯管道接入发电厂的干式储气柜。储气柜储存的全厂用气量应能够满足当供气管路故障时全厂安全停机所需的用气量。

瓦斯从干式储气柜出来后通过瓦斯管道输送至预处理车间，预处理车间的额定处理能力应满足全厂用气需求。

预处理主要工艺流程如下：

瓦斯→初级过滤器→冷干除湿设备→鼓风机→

↓ ↑

制冷机组

精密过滤器→阻火器→燃机间

1) 初级过滤器。

瓦斯中含有的杂质会影响罗茨风机的正常运行，并降低其使用寿命，故在罗茨风机前设置初级过滤器，以滤掉瓦斯中的大部分杂质。

2) 冷干除湿设备。

含有水分的瓦斯若直接进入高浓度瓦斯内燃机燃烧，将降低高浓瓦斯内燃机的效率和运行可靠性，缩短高浓燃机的使用寿命，因此需设置冷干除湿设备对瓦斯进行预冷及脱水，以满足内燃机对瓦斯的湿度要求。冷干除湿设备包括：水-瓦斯气换热器(使瓦斯温度降低)、气水分离器(使瓦斯脱水)、制冷机组(为水-瓦斯气换热器提供冷却水)、循环水泵(为冷却水提供动力)以及补水箱(补充冷却水损耗)，使得瓦斯湿度降至高浓度瓦斯内燃机湿度上限(通常为50%)以下。

3) 鼓风机。

从储气柜出来的高浓瓦斯压力较低，考虑储气柜至预处理车间沿程管道及阀门等的阻力损失，并满足高浓度瓦斯内燃机对燃料的进气压力较高的要求，因此预处理系统需设置鼓风机，设计采用罗茨鼓风机。

4) 精密过滤器。

在罗茨鼓风机出气管道上设置精密过滤器，以滤掉瓦斯中残余的细小杂质，确保高浓燃机用气要求。

1.3 瓦斯防爆

井下抽放瓦斯主要成分是CH4和空气的混合气体，CH4属于易燃易爆气体，所以要做好防爆工作。

可燃气体和空气的混合气体遇明火而引起爆炸时的可燃气体含量(体积分数)范围称为爆炸极限。在这种混合气体中当可燃气体的含量减少到不能形成爆炸混合物时的含量，称为可燃气体的爆炸下限；而当可燃气体含量增加到不能形成爆炸混合物时的含量，称为可燃气体的爆炸上限。CH4在常压和20 ℃温度条件下空气中的混合浓度爆炸下限是5%，爆炸上限是15%. 但是混合气体的爆炸极限不是一个固定值，随着各种因素而变化，与压力、温度、含氧量等因素有关。压力增加、温度升高、含氧量增加均使爆炸极限范围扩大[3]. 由于瓦斯中CH4浓度是变化的，在使用井下抽放瓦斯作为机组的燃料时不仅必须满足CH4浓度在爆炸区域以外，而且必须有较大的安全系数。

瓦斯管道上设在线CH4浓度监测仪，当浓度低于32%时报警，低于30%时切断阀门，停止瓦斯供应。在储气柜进出口、气动盲板阀两端及瓦斯管道末端等处设有放散管，放散管高出管道4 m，离地面不小于10 m. 在机组启动及停运时瓦斯管道采用氮气吹扫。在预处理系统出口及放散管上设置阻火器。每个预处理单元进出口均设有蝶阀和气动切断阀，在瓦斯出口母管上设有阻火器、安全阀、放散管及流量计量装置，确保系统安全可靠地运行。

2 高浓度瓦斯发电机组

考虑到高浓度瓦斯发电机组对进口瓦斯参数的要求，预处理后的合格瓦斯通过瓦斯管道送至燃机间依次经过燃气过滤器、压力调节阀、安全放散阀、电磁阀、阻火器及流量调节阀后，通过软连接与高浓度瓦斯内燃机连接。

瓦斯通过燃料输送系统送至高浓度瓦斯发电机组。高浓度瓦斯发电机组对燃料的通常要求见表1.

表1 燃气内燃发电机组对燃料的要求表

高浓度瓦斯发电机组可单台机组或多台机组并机、并网运行，机组运行采用计算机控制。高浓度瓦斯发电机组是高浓度瓦斯发电厂的核心，是将瓦斯转变为电能、热能的关键设备；单台机组全套装置主要包括：高浓度瓦斯内燃机、发电机、机组进气燃气阀组、机组并网控制屏、远程散热水箱以及排烟消声器等。

目前，国内外生产的高浓度瓦斯发电机组单机容量范围一般为500～4 000 kW，且工作性能可靠，可以满足高浓度瓦斯发电厂的需要。现在常用的煤矿坑口高浓度瓦斯单机容量为2 000 kW，发电机组系统流程图见图1. 瓦斯发电厂所发电经升压变压器升压后可直接为矿区提供生产电力，也可并入电网。

图1 燃气内燃发电机组对燃料的要求图

3 余热利用设施

在高浓度瓦斯发电机组发电过程中，燃料的能量只有约40%被发电机组转化为电能，另有约30%随烟气排出，20%被机组缸套水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右。高浓度瓦斯内燃机所用燃料近50%的能量以余热的形式随烟气和缸套水排出。余热利用设施就是在高浓度瓦斯发电机组发电的同时，以机组排出的高温烟气和缸套水的热值为能源进行回收利用的设施，使能源达到充分利用，全厂热效率可达50%～60%.

3.1 余热发电利用设施

高浓度瓦斯内燃机排出的烟气温度较高，为了回收余热资源，做到循环经济，在机组后配套余热蒸汽锅炉，产生过热蒸汽拖动组合快装凝汽式汽轮发电机组进行发电。这属于燃气—蒸汽联合循环发电，由燃气内燃发电机组和余热蒸汽汽轮发电机组组成[4].

余热发电热力系统包括烟道、蒸汽系统、给水系统、除氧系统、锅炉排污、锅炉取样和加药、水处理系统等。蒸汽和给水管道均采用单母管制；余热锅炉补水用除盐水；余热锅炉汽水系统考虑常压省煤器系统，锅炉补给水及来自汽轮机的冷凝水先送到常压省煤器，在余热锅炉中与烟气进行换热，将补给水加热到120 ℃左右，再到除氧器进行除氧处理，以提高整个系统的热效率。

余热发电系统提高了发电效率，并能满足各种运行工况及事故处理，同时保证了供热的安全性。

3.2 余热供热利用设施

高浓度瓦斯发电机组冷却采用两路闭式冷却循环系统，一路是缸套水冷却系统，一路是后冷却器系统。每台机组各设置一台缸套水-水板式换热器。电厂设置两套换热系统，一套为溴化锂制冷机组提供热源，瓦斯降温脱水采用热水型溴化锂制冷机组制冷，利用回收缸套水余热产生的热水制冷，与常规电制冷相比，节省大量电力，同时节省散热水箱自身消耗的电量；另一套接入工业区供热系统管网供热，承担工业和民用建筑采暖供热任务，以及供应矿区生活和洗浴热水；将机组缸套水余热充分利用，实现热电联供循环经济运行。

4 小 结

从利用甲烷含量在30%以上的高浓度瓦斯的发电入手，论述了煤矿坑口高浓度瓦斯发电厂的建厂要求、工作原理、设备选定、余热利用、工艺设计等具体应用问题。高浓度瓦斯发电厂所有热力主管道，如排气烟道、余热锅炉、蒸汽管道，主给水管道等，均采用良好的绝热保温材料和足够厚度的保温层以及可靠的保护层，以减少管道散热带来的能量损失。

高浓度瓦斯的综合利用，特别是煤矿坑口的高浓度瓦斯发电厂的建设既为矿区的供电、供热节约大量燃煤也通过并网输电带来了经济效益。