低浓度瓦斯发电技术研究现状分析

低浓度瓦斯发电技术研究现状分析

摘要：煤炭开采过程中会排放大量的瓦斯气，其主要来自于矿井瓦斯抽取系统、地面钻井和煤矿井下回风井形，而这些瓦斯气浓度都较低。煤矿生产时所采用的

瓦斯为清洁能源，如果对其进行回收发电利用可以有效减少温室气体的排放，在

满足煤矿用电要求的同时，还可以把多余的电能输送到电网中，对于推动企业和

区域经济发展具有很大的实用价值。本文作者结合自己的工作经验并加以反思，

对低浓度瓦斯发电技术研究现状进行了深入的探讨，具有重要的现实意义。

关键词：低浓度瓦斯发电；氧化发电；技术原理

利用瓦斯发电是有效的节能方式，国内的瓦斯发电总容量已经达到了几万千瓦，瓦斯发

电的装机规模得到了快速的提升。其中大多采用低浓度瓦斯发电的方式，可以有效地提高煤

矿瓦斯的应用价值。

1低浓度瓦斯发电技术研究现状

1.1内燃机发电技术

因为煤矿生产抽采出来的瓦斯浓度及压力都不稳定，因此需要采用控制器来对执行机构

发出燃气调整及空气进气量等控制命令，从而实现自动混合控制，混合处理后的瓦斯浓度可

以控制在6%左右，保证发动机空燃比处于合理状态，由此看来，空燃比自动控制技术更适合应用在低浓度、大流量和瓦斯和空气的混合，从而实现低浓度瓦斯发电。在发动机缸体内出

现爆燃，回火的几率会提高，如果发动机缸温大于500度，缸盖及活塞等部会的热负荷会不

断提升，可能会由于爆震而引发机械运行事故，因此可以采用稀薄燃烧技术，发动机内的热

负荷会显著减小，有效地减小回火的可能性，机组运行可靠性也会得到有效提升。除此之外，缸体甲烷燃烧速度也会提升，燃烧效率可以得到保证，发动机的运行性能可以得到改进和优化。当前，国内发电机组制造商一般都会把发动机缸体内的点燃能量提高，一般设置在0.1

焦左右，再采用预燃技术，高温高压气体快速点燃燃烧室内稀薄的瓦斯气体，稀薄燃烧会使

燃烧室内的传热减少，燃烧温度及排气温度都会显著降低，可以保证有效的热效率，最高可

以达到35%左右。

1.2燃气轮机发电技术

提升燃气轮机效率的主要途径就是把燃气初始温度提高，也就是改进和优化高温部件的

冷却处理技术。涡轮喷嘴、叶片等关键的高温部件材料从原来的合金材料发展到陶瓷、结晶

叶片等，早期的喷嘴及动叶片冲击、对流等冷却技术已经转变为蒸汽冷却。通过大量的实践

可以看出，燃气温度提升100度，燃气轮机效率可提升2-3%，采用技术先进的冷却技术，可

以使平前端燃气进口温度提升500-800度，所以，燃气轮机具备的热效率从原来的16-25%上

升到40%左右。

一般情况下，把燃气轮机功率区间在300-20000千瓦的划分到小型燃气轮机，而功率在30-300千瓦的归为微型燃气轮机，但微型燃气轮机发电机技术还处在科研中。因为矿井抽取

的瓦斯浓度以低、中浓度的比较多，发电机组形成相同的输出功率应该输入更多的低热值瓦斯，运行情况产生的变化会引起透平和压气机工作无法保证协调，透平温度会显著提升，出

现效率减少而产生停机问题。

1.3氧化发电技术

矿井低浓度瓦斯浓度如果较低，达不到内燃机组的发电需求，一般是把排空的低浓度瓦

斯和乏风瓦斯进行混合，然后进行氧化放热来实现发电。燃烧采取的方法主要有蓄热式催化

氧化燃烧、蓄热式氧化燃烧，两者共同的特点是采用高温空气燃烧技术，蓄热氧化应用混合

气体进行交替，经过蜂窝状蓄热体燃烧室技术，把气体温度提高到1000度，从而甲烷形成

支链反应，从而实现了高温燃烧。催化式氧化应用催化氧化燃烧技术，当燃烧室温度在350-600度时，甲烷还可以进行氧化燃烧，可以减少对空气的污染。

2瓦斯发电系统

2.1内燃机发电技术

瓦斯往复式内燃机发电是由燃气内燃机、瓦斯安全输送系统、发电机、预处理系统、电

气系统及冷却系统等构成。低浓度瓦斯和高浓度瓦斯发电最大的差别在于，达到气体爆炸极

限的甲烷在输入到发电机组之前不可以通过加压机及储气罐，高浓度瓦斯可不采用安全输送

系统。低浓度瓦斯通过安全输送系统时，预处理系统可以对气体温度、杂质及液态水进行调节，在到达机组之前实现预混，然后利用涡轮增压器完成增压操作，采用中冷器进行降温，

在缸体内通过火花塞进行点火，混合气体燃烧之后形成的高温高压气体驱动缸体活塞及曲轴

运动从而实现发动机的做功，把化学能转变成电能。燃料中的35%能量转变为电能，30%随

着废气排放出来，25%被冷却系统吸收。

2.2燃气轮机发电系统

小型的燃气轮机是由透平、压气机及燃烧室等构成，发电系统是由冷却器、湿式压缩机、冷却器、燃气轮机、冷凝器等组成，湿式压缩机会连续把空气进行压缩，进而吸入到燃料室

中实现与瓦斯气体的混合，燃烧形成高温旋转气体驱动涡轮进行转动，从而带动轴杆进行高

速的旋转，持续地切割轴周围定子的磁力线，从而把热能转变为电能，此发电原理为开式循

环燃气轮机。温度较高的尾气把热能变成热水注到蒸发器当中，会使饱和蒸汽转变为过热蒸汽，再通过蒸汽管道来使蒸汽轮机发电，部分采用余热发电的方式。燃气轮机发电实现的单

机功率比较大，可以很快地启动，不会产生较大的污染，机体尺寸不大，只需采用少量的冷

却用水，发电效率比内燃机小很多，一般处于20-30%的区间，比较适用于余热要求量大的用户，采用尾气余热可把效率提高到70-80%，瓦斯气源浓度保持在40%左右，气体压力维持在0.9兆帕。

2.3氧化发电系统

催化式氧化反应器进行发电，乏风气体流向由两组阀门实现轮换控制，在前1/2循环，

常温乏风经上部的蓄热陶瓷进行加热，之后转到催化剂层中，混合气温度可以使甲烷出现氧

化反应，从而形成热量，之后气体到达下部催化剂层，然后进行加热处理，再排放出高温尾气。在后1/2循环中，控制阀门来改变气体流通方向，受热升温之后的气体进入到燃烧室内，经过氧化反应形成热能，热量再被带到反应器上部低温部位。蓄热式氧化反应器和催化式氧

化反应器主要的差别在于反应器内部并没有催化剂层，无法把温度进行有效地催化升高，更

利于离解空气，把氮气和氧所进行化合反应形成氮化物，从而对空气产生严重的污染。

催化式氧化反应器主要由进气风机、陶瓷蓄热床、切换阀、催化燃烧室等部件构成，燃

烧室中把上下层催化剂进行了有效的分离，反应器两侧采用陶瓷床蓄热材料，发电系统主要

有发电机、过滤器、燃气轮机、压气机和催化氧化反应器等构成。但蓄热式氧化和催化式发

电差别在于构成了没有逆流回热器。

采用过滤器把矿井乏风及低浓度瓦斯进行混合粉尘进行处理，然后进入到燃气轮机中的

压气机，然后把压缩处理之后的气体输入到回热器中，根据点燃温度及循环透平机回热温度

对压缩气体进行加热处理，从而达到催化反应温度，之后经过催化反应器形成氧化反应从而

释放出热量，形成的高温度和高压力的气体驱动透平机产生转动，从而使发电机输出电能。