瓦斯发电技术与节能减排探究

闫炎

摘要：矿井瓦斯来源主要有地面煤层瓦斯井、井下瓦斯抽采系统及矿井风排放瓦斯，矿井排放的瓦斯中约70%以上为低浓度瓦斯。如果实现低浓度瓦斯利用，不仅可以降低温室气体排放量，满足矿井的部分电力需求，还可以提高矿井的综合经济效益。本文综合分析了矿井低浓度瓦斯发电技术的研究现状，试图在一定程度上促进低浓度瓦斯发电技术的发展，为矿井低浓度瓦斯的高效利用提供指导。

关键词：瓦斯发电技术；节能减排；探究

引言

我国煤矿的天然气产量逐年增加，2015年我国煤矿天然气产量达到136亿吨。但利用率仅为34%。二氧化碳是一种高质量的资源，但其利用率较低，主要是由于其应用技术和泵送规模的影响，对我国煤矿使用二氧化碳技术现状进行综合分析具有重要意义。

1低浓度瓦斯发电技术

低浓度瓦斯发电技术主要由发电机组和安全输送管路组成。该技术的应用关键在于瓦斯浓度应高于10%，否则发电机组会因负荷而产生波动，可能导致燃烧效率降低，甚至导致机组停机。当前主流的瓦斯发电技术包括燃气轮机发电、内燃机发电和低浓度瓦斯氧化发电。内燃机组发电输出功率大、功率范围宽，具有一次性投入低、建站周期短、电站组合灵活、移动方便等特点，适合各类不同规模的矿井。燃气轮机发电热效率不超过30%，总装机容量不大，适用于瓦斯抽采量大且气体成分较稳定的大型矿井。目前应用最广泛、技术最成熟的是内燃机发电技术。该技术基于煤矿抽采瓦斯浓度、压力不稳定的特点，通过中央控制器自动调节燃气和空气混合比，应用稀薄燃烧技术提高发电机组可靠性和瓦斯燃烧效率，同时应用隔爆、抑爆及阻爆技术提高低浓度瓦斯输送管道的安全性，从而确保了瓦斯泵站的安全。2016年9月，芦家峪瓦斯电站正式并网发电，这标志着我国低浓度瓦斯发电技术进入市场化应用阶段。

2较高浓度瓦斯利用技术

(1）净化后通向配气网的直接使用技术。城市燃气几乎不需要天然气净化，可以直接使用，有利于当地的发展，但分布式系统的维护成本较高。(2）电点火燃气内燃机的能量利用技术；(3）热电联产和利用技术；(4）生产甲醇、甲醛、炭黑等产品使用技术的化工原料。矿井瓦斯工业应用技术主要是富集或直接用于生产甲醇、甲醛、炭黑等产品；(5）汽车燃料使用技术。车用燃料由液化（LG）或压缩（CNG）气体制成，其热值高于汽油热值，但混合物的热值低于汽油混合物的热值，导致发动机功率降低。发动机、空燃比等的稳定性也需要进一步研究。

3瓦斯发电技术与节能减排

3.1低浓度瓦斯燃烧技术

具体为：①多孔介质的孔隙率大于自由空间的孔隙率，同时具有较大的固体比表面积和较强的储热能力；②使其中的混合气体强烈扰动，加强换热；针对预混气体燃烧热量分布不均匀的问题，多孔介质导热系数和辐射能力强，可以将热量从下游高温热区传递到上游低温热区，即预加热不燃混合气体，大大提高燃烧速度和充分燃烧，减少CO排放；④多孔介质传热性能好，在保持均匀温度梯度的同时，还能降低最高温度水平，能有效减少NOx的生成量；⑤在同等热负荷下，多孔介质预混燃烧热效率高，辐射燃烧效率最高可达80%-90%。

3.2瓦斯高效精准开采

为了进一步的实现‘双碳’的战略目标，需要煤炭企业加大对瓦斯的高效精准开采的力度。其中，必须是在煤炭及瓦斯地质预测结果的基础上，结合矿井采掘部署，采用以条带区域抽采、工作面顺层密集钻孔抽采和采空区综合抽采为主的瓦斯治理方式，针对不同布置条件的采煤工作面形成了两种不同的工作面瓦斯治理模式：按正常接替顺序开采的工作面，采用“预抽+卸压带抽采+横川（大直径钻孔）埋管+上隅角插管抽采”；不按正常接替进行跳采的孤岛工作面，采用“预抽+卸压带抽采+高抽巷埋管（顶板高位钻孔）抽采+上隅角插管抽采”。此外，按照瓦斯来源、浓度及瓦斯治理方式进行分源抽采，使瓦斯抽采效果、效率最优化，最大限度地降低煤层瓦斯含量及瓦斯涌出量，保障工作面的安全高效开采。

3.3氧化发电系统

氧化发电系统乏风气流运动使用阀门组1,2控制在前半个循环中乏风经蓄热陶瓷床加热，再进入到催化剂层，此时煤气温度较高，可以满足氧化反应需要。气体进入催化剂层后，气体发生氧化反应，伴随大量热量释放，排出大量高温尾气。在下半循环中，通过阀门组的开闭组合控制，吸热并提高温度的气体首先进入燃烧室，发生氧化反应，放出热量，将热量传递到上部低温侧。蓄热催化剂和蓄热氧化的主要区别在于催化剂层是否存在。与此同时，蓄热氧化温度较蓄热催化高，NOx更容易生成，造成环境污染。氧化发电的主要特点是矿井无风量大，但无风中气体含量较低，氧化反应过程中产生的热量较低，因此无论是使用汽轮机发电还是使用燃气轮机发电，都必须注入一定量的高浓度气体，锅炉才能产生足够的热蒸汽，驱动汽轮机从而实现燃气发电。

3.4燃气内燃机发电技术

气体在发电机缸体内部点燃并爆炸，气体膨胀推动活塞运动，并在活塞运动过程中将机械能转化为电能。内燃机电能是使用低浓度气体的最重要方式。内燃机排气温度高，可利用排气热能，低浓度气体利用率进一步提高。燃气内燃机发电效率高（30% ~ 40%)，初始投资少，设备模块化程度高，安装方便，对燃气粉尘要求低。降低了气体浓度，降低了内燃机气组的输出功率，有时为了提高系统的可靠性，必须启动备用发电设备；H2S气体引起内燃机气缸腐蚀。由于需要频繁更换插头和机油，系统维护成本增加。燃气内燃机集团的主要生产企业有卡特彼勒、安巴赫通用汽车、多丽兹、三菱重工等海外公司，以及胜动集团、济南柴油机厂、南通宝驹气体发动机厂、河南柴油机重工等国内企业。

3.5超低浓度瓦斯蓄热氧化技术

超低浓度瓦斯（矿井无风）是指以体积分数在0.75%以下的风排放瓦斯。目前主流的应用手段是蓄热氧化技术。该技术利用超低浓度气体（包括飞风）中的微量CH4与其中的O2发生氧化反应而产生的热量，在产业上适用。该技术是将超低浓度气体（温度10~30℃）和低浓度气体混合，在浓度为1.2%时送入反应器，气体在蓄热氧化装置（温度800~1000℃）作用下发生氧化反应，利用放出的热量推进汽轮机工作或带动锅炉工作的原理。此外，该反应器还设有余热回收装置。2001年，蓄热氧化装置在澳大利亚的Applin煤矿运行。近年来，随着蓄热式氧化焚烧炉（RTO）技术的飞跃发展和费用的大幅节约，蓄热氧化技术大规模推广。目前最先进的是12室旋转RTO，氧化分解效率提高到99.5%，余热回收效率达到97%。

结束语

总而言之，当前煤炭瓦斯的治理和利用过程，是一个复杂化的过程，需要专业的治理人员根据实际的情况来采取相应的治理和利用措施。其中，煤炭企业可以通过加强瓦斯高效精准开采，健全稳定、合理、可靠的通风系统，建立起煤与瓦斯共采抽采效果评价及信息管控系统，加大对瓦斯发电的利用以及培养煤矿瓦斯治理的专业人员来进一步的提高煤炭瓦斯中的治理效率，保证煤炭企业的稳定生产以及推进‘双碳’目标的完成进度。

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