石 曄

（淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯利用分公司, 安徽 淮南 232001）

低濃度瓦斯發(fā)電工藝的探討

石 曄

（淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯利用分公司, 安徽 淮南 232001）

全國(guó)煤礦每年瓦斯抽放量為20億m3,其中,6%～30%濃度的瓦斯約占三分之一,解決這部分低濃度瓦斯抽排放空問(wèn)題,可以拓展瓦斯綜合利用的空間,有效地利用資源,對(duì)促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、減少溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境意義重大,結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯利用分公司謝一低濃發(fā)電站的實(shí)際情況,簡(jiǎn)要分析低濃度瓦斯發(fā)電的可行性,闡述目前低濃度瓦斯發(fā)電在進(jìn)一步發(fā)展過(guò)程中所面臨的問(wèn)題及以后發(fā)展的方向。

低濃度瓦斯; 細(xì)水霧輸送系統(tǒng); 瓦斯發(fā)電機(jī)組; 瓦斯利用

DO I:10.3969/j.issn.1671-4733.2011.03.004

我國(guó)是瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)瓦斯事故已占到煤礦事故的80%以上,造成的傷亡占到特大事故傷亡人數(shù)的90%。瓦斯已經(jīng)成為導(dǎo)致煤礦重特大安全事故的“頭號(hào)殺手”。同時(shí),我國(guó)煤層氣（即礦井瓦斯）資源量達(dá)36.8萬(wàn)億 m3,居世界第三位。目前可采資源量約10萬(wàn)億 m3,2010年,新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量3 000億 m3。治理瓦斯、實(shí)現(xiàn)瓦斯的全面綜合利用已迫在眉睫。

但是很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),人們能利用的只能是濃度在30%以上的瓦斯,而這一部分瓦斯在我國(guó)每年的抽排量中只是很小的一部分。大量富集于井下的低濃度瓦斯被抽排上來(lái)后,因?yàn)闈舛仍?0%以下,不能直接利用,提純的成本又太高,只能將它們排入大氣,造成溫室效應(yīng)。低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用則解決了上述問(wèn)題。

1 低濃度瓦斯發(fā)電的意義

1.1 減少事故發(fā)生,保障安全生產(chǎn)

煤礦安全是全國(guó)安全生產(chǎn)的重中之重,瓦斯治理和利用又是煤礦安全生產(chǎn)的基石。當(dāng)人們一提到煤礦瓦斯時(shí),很自然地就會(huì)聯(lián)想到礦井的爆炸,人員的傷亡。瓦斯治理和綜合利用率低一直困擾著瓦斯利用行業(yè),這是造成事故一個(gè)極其重要的因素。

瓦斯存在于煤層及周?chē)鷰r層中,主要成分為甲烷,這種無(wú)色無(wú)味的混合物雖然無(wú)毒,但當(dāng)濃度在4%～16%之間時(shí)卻具有極高的爆炸性。在采煤之前如果先開(kāi)采煤層氣,煤礦瓦斯爆炸率將降低70%～85%。目前我國(guó)每年因采煤而從礦井中抽放的瓦斯只有15億m3左右,瓦斯的實(shí)際利用率不到2%。全國(guó)煤礦每年瓦斯抽放量為20億m3,其中能利用、濃度在30%以上的瓦斯只有7億m3,其余為難以利用的低濃度瓦斯。在這部分低濃度瓦斯中,有部分是濃度在5%以下甚至絕大多數(shù)連1%也不到的風(fēng)排瓦斯,它們是井下在作業(yè)時(shí)為了保證作業(yè)面安全而隨巷道內(nèi)空氣排到地面的超低濃度瓦斯,雖然量大,但收集成本太高,難度大,總體利用價(jià)值不大。濃度在6%～30%的瓦斯,稱(chēng)之為低濃度瓦斯,這部分瓦斯約占了瓦斯總量的三分之一。它們大量富集于一些低瓦斯礦井中及井下采空區(qū)的巖石縫隙中。在采煤過(guò)程中,由高、低抽巷將這些低濃度瓦斯抽排出井下,保證礦井作業(yè)。而這部分瓦斯由于安全因素,利用我們現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法將其采集。多年來(lái),在煤礦生產(chǎn)中,為了保障井下生產(chǎn),已經(jīng)將這部分瓦斯抽放上來(lái),但因?yàn)闈舛鹊陀?0%不能利用,而又不得不將其放空,浪費(fèi)了資源的同時(shí)還給環(huán)境造成了巨大的負(fù)擔(dān)。

將已經(jīng)抽采至地面的低濃度瓦斯安全引入發(fā)電站,進(jìn)行發(fā)電并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益能很好的解決瓦斯綜合利用率低的問(wèn)題,從經(jīng)濟(jì)角度促進(jìn)礦井的瓦斯治理與抽排積極性,保障安全生產(chǎn)。

1.2 促進(jìn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益

我國(guó)低濃度瓦斯發(fā)電產(chǎn)業(yè)一旦發(fā)展起來(lái),會(huì)給相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)劇的巨大的商機(jī),包括設(shè)計(jì)建造、環(huán)保評(píng)估、鉆進(jìn)機(jī)械（鉆機(jī)）、瓦斯抽取及輸送設(shè)備（真空泵及壓縮機(jī)）、輸送管道、監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備、低濃度瓦斯發(fā)電設(shè)備、利用瓦斯生產(chǎn)化工原料的設(shè)備等。瓦斯的開(kāi)發(fā)利用盡管是一個(gè)長(zhǎng)期的投資過(guò)程,但從國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,其增值的財(cái)富是令人驚訝的。英國(guó)市場(chǎng)分析人士認(rèn)為,中國(guó)瓦斯煤層氣的開(kāi)發(fā)利用將會(huì)帶來(lái)20億歐元的巨大市場(chǎng)。

現(xiàn)在利用低濃度瓦斯發(fā)電,也為將來(lái)利用超低濃度瓦斯發(fā)電奠定了基礎(chǔ),積累了經(jīng)驗(yàn)。只有實(shí)現(xiàn)瓦斯的零排放,才是最終的目標(biāo)。發(fā)展低濃度瓦斯發(fā)電,完全符合現(xiàn)在提倡的發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo),無(wú)論是現(xiàn)在已經(jīng)簽約的關(guān)于《京都議定書(shū)》的CDM減排指標(biāo)的出售協(xié)議,還是即將實(shí)行的《可再生能源法》,都能夠給我們的參與企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 保證循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)

資料顯示,瓦斯直接排放到大氣中,其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍,對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。然而,1 m3純瓦斯氣的熱值相當(dāng)于 1.13 kg汽油、1.21 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,其熱值與天然氣相當(dāng),可以與天然氣混輸混用,而且燃燒后很潔凈,幾乎不產(chǎn)生任何廢氣,是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。

我國(guó)每年在采煤的同時(shí)排放的煤層氣在130億m3以上,合理抽放的量可達(dá)到35億 m3左右,除去現(xiàn)已利用部分,每年仍有30億m3左右的剩余量,加上地面鉆井開(kāi)采的煤層氣50億m3,可利用的總量達(dá)80億m3,約折合標(biāo)煤1 000萬(wàn)t。如全部用于發(fā)電,每年可發(fā)電近300億kW·h。

由此可見(jiàn),利用低濃度瓦斯發(fā)電具有一舉多得的功效,提高瓦斯事故防范水平,具有安全效應(yīng);有效減排溫室氣體,產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng);作為一種高效、潔凈能源,商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)還能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

2 低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 低濃度瓦斯發(fā)電的原理

利用瓦斯發(fā)電,關(guān)鍵是利用瓦斯在一定濃度范圍內(nèi),達(dá)到相關(guān)條件會(huì)產(chǎn)生爆炸,進(jìn)而利用其產(chǎn)生的能量。目前主流的低濃度瓦斯發(fā)電載體是由柴油發(fā)電機(jī)組改裝而成,利用低濃度瓦斯為燃料,在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)發(fā)生爆炸做功,再帶動(dòng)發(fā)電機(jī),輸出電能。

2.2 低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2005年12月25日安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯利用分公司謝一低濃度瓦斯發(fā)電站安全發(fā)電科技成果在淮南煤礦通過(guò)專(zhuān)家委員會(huì)鑒定,其發(fā)電站總體設(shè)計(jì)6臺(tái)500 kW機(jī)組,裝機(jī)容量3 000 kW,同時(shí)運(yùn)行。電站以濃度6%～23%的煤礦井下瓦斯為原料,成功解決了6%以上低濃度瓦斯抽排放空問(wèn)題,開(kāi)創(chuàng)了世界低濃度瓦斯發(fā)電先河。本文將結(jié)合這個(gè)發(fā)電站,對(duì)目前低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)各方面作簡(jiǎn)單闡述。

2.2.1 低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送系統(tǒng)

眾所周知,瓦斯爆炸的濃度范圍是5%～15.87%,在這個(gè)范圍內(nèi),瓦斯遇明火便會(huì)爆炸,而絕大多數(shù)低濃度瓦斯恰恰就在這個(gè)范圍內(nèi),屬于極高危氣體,一旦泄漏,遇明火或高溫物體就會(huì)爆炸,所以低濃度瓦斯的輸送問(wèn)題是困擾低濃度瓦斯發(fā)電乃至利用的首要因素,低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送系統(tǒng)則很好的解決了以上問(wèn)題。

2.2.2 電控混合器

要利用低濃度瓦斯爆炸做功發(fā)電,就必須要能非常精確的控制甲烷和氧氣的混合量,也就是瓦斯和空氣的混合比例。為此,低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組采用了最新研發(fā)的電控混合器。

2.2.3 電磁閥、雷達(dá)水封、干式阻火器

在低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)中的電磁閥不同與以往傳統(tǒng)高濃度瓦斯輸送系統(tǒng)中的電磁閥,確切的說(shuō),應(yīng)該是一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)。

高科技的雷達(dá)水封是第一次被應(yīng)用于瓦斯輸送,它與干式阻火器配套使用,分別對(duì)可能發(fā)生的爆炸起到泄壓和阻火的作用。其中,雷達(dá)水封的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)是一項(xiàng)軍轉(zhuǎn)民技術(shù),穩(wěn)定、可靠。

以上只是低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部件,在系統(tǒng)中,還包括機(jī)組各個(gè)重要部位的小型干式阻火器及相應(yīng)的防爆門(mén),輸送系統(tǒng)中的鋼管也是特制的,具有很高的強(qiáng)度,可以抵御爆炸產(chǎn)生的沖擊波。所有這些,共同保障低濃度瓦斯的安全輸送,組成了具有特色的低濃度瓦斯輸送系統(tǒng),解決了利用低濃度瓦斯發(fā)電的前提。

3 低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)解決的技術(shù)難題

3.1 直接利用泵排瓦斯發(fā)電

以往利用高濃度瓦斯發(fā)電,都是由煤礦抽排泵將適合發(fā)電濃度的瓦斯送入儲(chǔ)氣罐,再由儲(chǔ)氣罐向瓦斯發(fā)電機(jī)組供氣。這樣做的好處很多,首先,儲(chǔ)氣罐就象一個(gè)大的混合容器,使得機(jī)組可以運(yùn)行在一個(gè)濃度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下;其次,儲(chǔ)氣罐還起到了均壓的作用,使進(jìn)入機(jī)組的瓦斯壓力穩(wěn)定;再次,在儲(chǔ)氣罐中,從井下抽到地面上的瓦斯中的水份將被慢慢沉積排出,不會(huì)進(jìn)入發(fā)電機(jī)組。最后,儲(chǔ)氣罐還可以均衡瓦斯溫度,保證為機(jī)組在一定程度上的持續(xù)供氣等。但由于安全方面的問(wèn)題,低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)不能有任何瓦斯儲(chǔ)存容器,由抽排泵提供的瓦斯氣直接進(jìn)入機(jī)組。瓦斯?jié)舛群蛪毫Φ牟环€(wěn)定直接導(dǎo)致機(jī)組功率變化大,甚至脫網(wǎng)、停機(jī);大量的水分進(jìn)入發(fā)電機(jī)組更是會(huì)給機(jī)組帶來(lái)災(zāi)難性的損害;瓦斯氣中的固體雜質(zhì)會(huì)造成發(fā)電機(jī)組內(nèi)的積碳等等。

為了解決以上的問(wèn)題,結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)瓦斯利用分公司剛剛試運(yùn)行成功的國(guó)內(nèi)首個(gè)移動(dòng)發(fā)電站,在低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組中采取了一系列技術(shù)革新,包括下述的高效的脫水裝置、便于及時(shí)、快捷操縱的電控混合系統(tǒng)等等。

3.2 瓦斯脫水

在這里的脫水裝置已經(jīng)不僅僅是脫掉瓦斯從井下、水環(huán)式真空泵中帶來(lái)的水分,更要將細(xì)水霧輸送系統(tǒng)混合在瓦斯中的大量水分脫掉。低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中采用了螺旋壓力脫水裝置,不僅脫水效果好,而且性能可靠,成本低廉。

3.3 機(jī)組空燃比的精確、迅速控制

在上面已經(jīng)說(shuō)過(guò),由于要將低濃度瓦斯與空氣混合得當(dāng),并且還要能及時(shí)反應(yīng)瓦斯壓力、濃度的變化,在低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中的空燃比控制不但要精確,還要迅速。這套系統(tǒng)采用了進(jìn)口的步進(jìn)電機(jī)控制器、執(zhí)行器、調(diào)速器及驅(qū)動(dòng)器,以滿足空燃比控制精確、迅速的要求。除此之外,電控混合技術(shù)的引進(jìn)解決了瓦斯?jié)舛炔环€(wěn)定、壓力波動(dòng)大而影響燃?xì)馊紵环€(wěn)定的問(wèn)題;利用預(yù)燃室、電子點(diǎn)火技術(shù)加大點(diǎn)火能量,保證了低熱值燃?xì)獾恼｜c(diǎn)火;采用全電子管理技術(shù)提高了機(jī)組的監(jiān)控水平,保證了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性等。

3.4 解決安全問(wèn)題

3.4.1 瓦斯安全輸送

把低濃度瓦斯從抽排站安全輸送到瓦斯發(fā)電站是利用低濃度瓦斯的前提。低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。在輸送瓦斯的直徑為500 mm的管道上,每隔20 m便設(shè)置了一組細(xì)水霧噴頭,每組噴頭有12個(gè)噴頭組成,分別從不同的方向,將高達(dá)2 M Pa的水噴到輸氣管道中安裝的擋板上,經(jīng)過(guò)反射,產(chǎn)生顆粒為1 000μm的細(xì)水霧,隨著低濃度瓦斯輸送,在進(jìn)入機(jī)組之前,經(jīng)過(guò)螺旋脫水裝置將水脫掉,完成低濃度瓦斯的安全輸送。在這里,細(xì)水霧起到了,阻爆、防爆、隔爆的作用。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),這樣的系統(tǒng)中,高達(dá)瓦斯點(diǎn)火三倍的能量也不能將瓦斯點(diǎn)爆,徹底杜絕了爆炸的隱患。

另一方面,由電磁閥、干式阻火器、雷達(dá)水封和高強(qiáng)度的鋼管,組成了主被動(dòng)的隔爆系統(tǒng),防止發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生回火而將爆炸傳遞到井下。在瓦斯輸送管道上,安裝了壓力、溫度、甲烷濃度、氧濃度、流量采集探頭,將采集的數(shù)據(jù)傳送到在監(jiān)控室的瓦斯輸送監(jiān)控機(jī)上。通過(guò)設(shè)定的程序,電腦將監(jiān)控以上數(shù)據(jù),一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示發(fā)生或可能發(fā)生爆炸,監(jiān)控機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉位于抽排站內(nèi)的電磁閥,隔斷爆炸,對(duì)井下系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。雷達(dá)水封和干式阻火器在必要時(shí),也可起到被動(dòng)隔爆的作用。

3.4.2 發(fā)電機(jī)組安全

在機(jī)組上,也進(jìn)行了大量的關(guān)于安全方面的改進(jìn)。首先,較之高濃機(jī)組,低濃機(jī)組分別在進(jìn)氣總閥、兩側(cè)增壓器前及中冷器前后加裝了7個(gè)小型干式阻火器,并在機(jī)組和脫水裝置上安裝了防爆門(mén),保障機(jī)組安全運(yùn)行。

在給兩側(cè)氣缸進(jìn)氣管道上,安裝了防爆電磁閥,在機(jī)組突然停機(jī)時(shí),自動(dòng)關(guān)閉,防止回火。

其他諸如開(kāi)放式廠房的設(shè)計(jì),隨處可見(jiàn)的防爆電機(jī),瓦斯、煙霧探頭,無(wú)不一一保障了低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)作。

利用低濃度瓦斯發(fā)電目前還是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè),但是這個(gè)產(chǎn)業(yè)的前景非常廣闊。

低濃度瓦斯發(fā)電解決了相當(dāng)一部分瓦斯的抽排放空問(wèn)題,在給社會(huì)產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看,利用低濃度瓦斯發(fā)電為將來(lái)對(duì)1%以下的超低濃度風(fēng)排瓦斯積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),為最終實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯零排放的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

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1671-4733（2011）03-0010-03

2011-05-03

石曄（1982-）,男,安徽淮南人,助理工程師,從事低濃度瓦斯發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)管理工作,電話:13966451739。