新时期煤矿瓦斯发电技术与发展

达志强

摘要：随着我国综合实力的发展，社会发展需要更多的能源，煤矿瓦斯是清洁能源之一，并且在我国境内储量比较大，产生的经济效益也比较可观。瓦斯是煤矿的伴生能源，其成分是甲烷，煤矿瓦斯发电技术不仅能够充分利用煤矿伴生能源，也能为社会带来能过的清洁能源，对我国发展有重要意义。本文从煤矿瓦斯发电发展情况入手，分析了不同浓度瓦斯发电技术特点，以及瓦斯发电中的关键技术，探讨了煤矿瓦斯发电技术发展。

关键词：新时期;煤矿瓦斯;发电技术;发展

我国煤矿数量非常多，每年通过煤矿排放的瓦斯占全球总量的50%。瓦斯不仅是造成全球温室效应的气体之一，同时也是燃料的一种。煤矿瓦斯能够通过一些列技术进行合理利用，能够极大的减少温室效应，而且也能为社会提供更多的电力能源，缓解我国能源紧缺的情况。一般而言，瓦斯来自高瓦斯矿的抽放系统、矿井钻探过程中排放，矿井通风系统携带。目前，矿井瓦斯最常用的利用方式就是发电。目前，我国煤矿当中伴生的瓦斯浓度有高有低，其处理技术各有不同，但通过瓦斯发电，利用电力抽取瓦斯进行循环，其发展前景非常可观。

一、煤矿瓦斯发电发展情况

目前，我国利用瓦斯进行发电使用的技术大多是，燃气轮机、内燃机、氧化发电。各个煤矿伴生的瓦斯浓度各有不一，有的煤矿瓦斯浓度会比较高，甚至超过30%，有的会低于1%。对于高浓度瓦斯，其开采方式是通过高强度负压抽出，或者是在地面打井抽出。但是通过煤矿通风系统抽出，或者不同负压抽出的，大多浓度比较低。另外，燃气轮机、高精度内燃机是应用在高浓度瓦斯发电的技术，低精度内燃机则用在低浓度瓦斯发电当中，浓度过低的瓦斯发电，则是通过混合高浓度气体然后进行加热，在催化氧化设备中发电。

二、不同浓度瓦斯发电技术特点

1、高浓度瓦斯发电技术特点

一般而言，浓度超过30%就是高浓度瓦斯，这种瓦斯比较容易进行储存和长途运输，能够将煤矿瓦斯通过管道输送到其它地方，通过大型瓦斯发电厂集中利用发电，例如我国山西晋城已经建成120MW的大型瓦斯发电厂。同时也可以在瓦斯抽气点附近建设小型的发电站。高浓度瓦斯发电技术中普遍使用内燃机，而内燃机在瓦斯发电方面能够适应的浓度范围比较广，而且在后期使用、维护、保养等方面具有明显优势。目前内燃机技术已经在瓦斯发电使用率比较高。内燃机发电热效率在40%，同时会有35%左右的热能通过尾气流失，如果放任热能流失，则会对周边的环境带来污染，也会浪费瓦斯资源。所以，高浓度瓦斯发电过程中，要立足具体情况充分利用剩余热能，将500℃以上的内燃机尾气输入到余热锅炉，能够通过高温蒸汽进行发电，而90℃的余热尾气则输送到暖气系统中，为周边居民提供暖气服务，通过这种方式，能够有效利用高浓度瓦斯发电中产生的余热。

在高浓度瓦斯发电过程中使用的内燃机，虽然其生产厂家不同，部分结构也会有不同，但总体而言，其基础结构是一样的，都是由燃气进气排气、点燃、冷却、润滑、控制几个系统组成。燃气进气排气系统中包含了燃气、过滤器、进气排气门等，燃气和空气通过过滤器融合后，进入到内燃机缸体内燃烧，热能转化成动能并推动活塞、连杆等运动，并输出功率。冷却系统则是利用缸套、中冷水泵的工作，将冷却液循环在散热水箱和燃机之间，实现冷却的目的。点燃系统则是利用点火变压器和火花塞实现混合气体的点燃。润滑系统则是利用机油泵将润滑油润滑的目的。控制系统则是利用计量阀、节流阀的工作，合理调整瓦斯进入量，从而实现瓦斯在混合气体中的比例为7%左右，在燃气缸体内燃烧。

2、低浓度瓦斯发电技术特点

我国境内煤矿伴生的瓦斯，一般以上都是30%浓度以下的低浓度瓦斯。另外，我国以前的煤矿安全相关的法规规定，浓度低于30%的瓦斯不能使用，所以我国境内很多低浓度瓦斯没有进行充分利用。随着我国科技的发展，低浓度瓦斯发电技术不断创新，低浓度瓦斯发电已经比较成熟，国内已经建成多个低浓度瓦斯发电站，同时我国相关规定的改进已经为低浓度瓦斯的利用开拓了发展空间。

同比高浓度瓦斯发电技术相比，低浓度瓦斯发电过程中，瓦斯进入发电机组前不能设立储气罐，而是必须通过安全输送系统，才能完成瓦斯预处理，在去除杂质之后进入发电机组。低浓度瓦斯的安全输送包含了，细水雾、水蒸气、汽水二相流、惰化激活安全输送技术，这些输送技术的原理各有不同，但其最终目的都是解决瓦斯输送中遇到明火产生危险，从而达成防爆的目的。目前，细水雾安全输送已经投入使用当中，如我国淮南谢一矿已经投入使用。细水雾安全输送技术当中使用的设备包含了，截止阀、湿式阻火泄爆设备、泄压溢流阀、税务发生器、循环水泵、管道等。而煤矿低浓度瓦斯在抽出之后，先通过湿式阻火泄爆设备，通过带有阻火器的专用瓦斯管道，经过带有细水雾阻火的管道，从而实现细水雾和瓦斯的充分混合以及输送，然后将混合水雾的瓦斯通过脱水装置将瓦斯中的水分脱出。另外，输送管道上的细水雾发生器之间的间隔不能超过二十厘米，同时水雾雾珠直径要小于400～m。根据相关规定，低浓度瓦斯不能设立储气罐，所以无法储存，需要在输送管道上配置放散阀门，从而根据瓦斯发电机组的具体情况，实时调节瓦斯输送，同时也需要及时将多余的气体排出。通过这一系列的安全保障技术，从而将低浓度瓦斯输送到发电机组中进行发电。虽然细水雾输送技术能够实现低浓度瓦斯的输送，但仍旧存在一些问题，如低浓度瓦斯输送距离有限，所以，低浓度瓦斯只能就地、就近使用。

3、乏风氧化发电技术特点

煤矿当中的乏风，是煤矿瓦斯当中利用比较困难的瓦斯，其问题是流量大而瓦斯浓度低。目前，煤矿乏风的利用方面有，代替空气减少燃料的消耗，例如将乏风输送到内燃机当中;作为主要燃料，通过热逆流氧化技术等，利用甲烷氧化过程中释放大量的热，从而加热水推动汽轮机进行发电。

乏风氧化技术所用的设备，从原理上而言，分为逆流式瓦斯氧化和逆流式瓦斯催化两种，二者之间的主要不同之处是，一个是通过氧化催化剂，将甲烷氧化过程放在350-800摄氏度之间，如果不通过氧化催化劑，其氧化过程则在800-1000摄氏度之间。目前，全球都对触媒式氧化设备进行研究，但氧化催化设备仍旧存在很多问题，如催化剂活性和稳定性都无法保证，如果乏风当中含有硫等元素，就会造成催化剂中毒、成本比较高、使用寿命短等，同时也会降低氧化温度和热量回收率。目前，我国工业领域当中普遍使用的是逆流式瓦斯热氧化技术，而且国内也有多个发电站投入使用。逆流式瓦斯热氧化技术，是把蓄热陶瓷杨华创温度控制在800-1000摄氏度，瓦斯在反应器中快速氧化并释放热能，通过热能的释放，实现储热、余热的不断交替，同时通过不断变换送进反应器的气体，让气体在蓄热器中快速升温，确保整个氧化过程的自动循环。瓦斯氧化过程中产生的热能，除了用于维持氧化过程的循环持续之外，剩下的热能则以高温气体的方式进入余热锅炉，加热锅炉中的水产生水蒸气，进而推动汽轮机进行发电。乏风氧化技术所使用的发电设备比较简单，而且处理量非常客观，所以这种氧化技术收到了众多企业的关注。

三、瓦斯发电中的关键技术

从瓦斯发电设备而言，燃气轮机的应用比较适合高浓度瓦斯，而且瓦斯压力要求在1.0MPa以上，还需要利用压缩机提升瓦斯压力。瓦斯在高温高压条件下，其燃爆上限、着火范围都会提升，但瓦斯浓度偏低时就会爆炸，所以，一旦瓦斯浓度低于35%，就不能使用。另外，低浓度瓦斯会加大压缩机的排量、功耗，造成总体经济效益的下降。而燃气内燃机中的燃烧过程在燃烧室内，和外界环境是隔离的。从工作原理上来看，燃气汽轮机不仅能够用于高浓度瓦斯，也能用于低浓度瓦斯，成为发动机燃料，但是燃烧过程出现回火则是客观现象，如果不能避免回火，那么就会引爆周围的瓦斯。从煤矿瓦斯发电技术来看，其关键技术在于瓦斯混合、自动控制、安全阻火等方面，具体如下。

真空镀膜片混合技术。在甲烷体积在煤层气中超过75%，那么通过该技术可以调整混合燃气压力，以及节流阀的开合程度，能够随着功率的变化匹配空气和燃气的比例。但是该技术也存在一些问题，如不能自动适应瓦斯浓度变化。但是我国大部分煤矿煤层气成分相对稳定，而且其变化也比较缓慢，同天然气类似，所以该技术能够广泛应用在瓦斯浓度比较高的煤矿当中;文丘里电控混合技术。该技术是利用了文丘里管的原理，通过空气在文丘里管道中的负压力，实现瓦斯进入混合器。如果瓦斯浓度产生改变的时候，该技术能够自动进行调控，改变混合器通道的开口大小，改变混合气中瓦斯的浓度。这种混合器能够适应瓦斯体积30-50%和45-75%的需要;双碟门电控混合技术。该技术一般应用于低浓度瓦斯，一般情况下，瓦斯体积分数25%，空气和瓦斯体积比是3：1，瓦斯体积分数10%，空气和瓦斯体积比为9：1。但是一般的混合器满足不了如此低浓度的混合需求，但该技术适应范围比较宽泛，能够适应瓦斯体积分数6-30%的混合;瓦斯低压进气混合技术，对于浓度比较高的煤矿瓦斯，可以利用增压混合的方式进行混合。煤矿瓦斯抽出的压力大多在10KPA，其体积分数为10-55%，适合瓦斯和空气增压预混，这种方式瓦斯0压力就能满足混合要求，所以，整个发电机组的供气压力保持在3-5KPA就能维持运行，具有很高的投资价值;TEM电子管理技术。该技术是通过计算机技术，实现各种数据的采集、显示、控制、报警、记录、通讯等功能，计算机在读取发动机功率转速等数据的情况下，发出相应的信号控制混合器电机，从而实现调整空气和瓦斯的进气量，确保混合气浓度在一定范围内;瓦斯阻火技术。该技术的原理是，火焰在金属板材质的狭窄通道中通过，因为火焰表面的化学反应和散热不匹配，而造成火焰熄灭。火焰通过一定的速度进入金属板之间，因为火焰非常接近狭缝冷壁，化学反应中的自由基和自由原子与冷壁相互碰撞，这个过程等同于热量流向冷壁边界，进而成为熄火层，伴随火焰的通过，熄火层变大变厚，最终实现火焰熄灭的效果;湿式液位自控水封阻火技术。该技术原理是火焰通过水层，能量被吸收而实现灭火效果;瓦斯细水雾灭火技术，该技术灭火主要从冷却和稀释入手，冷却方面体现在，细水雾颗粒比较小，但表面积更大，受热会快速气化，水雾在气化当中，从燃烧的火焰中吸取热量，降低燃烧区域温度，直至讲到燃烧临界温度以下，从而终端燃烧。稀释的方面体现在，火焰通过细水雾过程中，细水雾被蒸发成蒸汽，从液态变为气态，其表面积膨胀1700多倍，拉大了燃烧分子之间的距离，从而实现灭火的效果。

四、煤矿瓦斯发电技术发展前景

目前，我国燃气机轮技术进行发电所使用的燃料都是高热值的可燃气体，但是浓度比较低的瓦斯则无法充分利用，所以我国燃气轮机将会发展该方面的可能性，从不断改进机械结构等，让燃气轮机能够适应浓度范围更加广泛的瓦斯，这样才能有效利用煤矿瓦斯能源。就当前低浓度瓦斯利用情况来看，仍旧有非常多的问题，如将浓度不同的煤矿瓦斯进行混合，从而提高瓦斯的浓度，这个问题涉及的技术问题就非常多，也需要进一步探索，提高混合瓦斯的安全性、高效性，最终能够应用到内燃机发电机组中。从我国电网并网来看，我国小容量电站和电网之间的连接仍旧有比较广泛的发展空间，需要电网部门尽快解决相关的技术问题，改善小电站入网的技术问题，促使煤矿瓦斯发电能够在自身利用之余，将多余电量输送到其它地方，提升能源利用效率。

从瓦斯发电的发展前景来看，瓦斯发电需要的投入小，成本低，回收快速，而且碳排放也比较少，瓦斯发电所产生的经济、环境、社会等效益非常明显。而且随着瓦斯发电技术的发展，其设备的安全性、可靠性等都得到了巨大的提升。但瓦斯发电过程中仍旧有部分制约因素，如当下的瓦斯发电技术大多都适用于高浓度煤矿瓦斯，对于乏风瓦斯的利用技术不够成熟，部分技术甚至停留在了实验室，没有进行商业化，低浓度瓦斯发电技术虽然相对成熟，但瓦斯浓度介于临界爆炸值范围内，需要严格规瓦斯发电设计及低浓度瓦斯传输设计，同时也要需加强防范措施和安全设施。还有部分设备需要依赖进口，而国产设备又不达标。从我国政策方面来看，国家对瓦斯发电的政策支持并不积极，所以政府需要对煤电气一体化发展又足夠的政策倾斜，才能促进瓦斯发电技术的发展。

结语

综上所述，随着我国综合实力的发展，在节能减排和碳中和的政策背景下，煤矿瓦斯发电技术有助于节能减排，同时也能充分利用我国煤矿伴生的瓦斯资源，并且创造相应的经济效益。我国煤矿瓦斯储量大，伴随发电技术的发展，未来煤矿瓦斯发电市场非常广阔。

参考文献

[1]金鹏，李涛.瓦斯利用现状分析与建议[J].冶金与材料，2021，41（01）：191-192.

[2]马培耀.瓦斯发电技术的改进分析[J].科技风，2019（25）：170.

[3]冯金山.煤层气（瓦斯）发电技术与节能减排分析[J].数字通信世界，2018（05）：85+115.