低浓度瓦斯发电技术研究现状

低浓度瓦斯发电技术研究现状
摘要：瓦斯发电主要采用内燃机发电、燃气轮机发电及低浓度瓦斯氧
化发电。

本文对低浓度瓦斯发电技术现状进行分析，并对瓦斯发电系统进
行了研究。

关键词：低浓度瓦斯发电;氧化发电;技术原理
我国从煤炭中排放的瓦斯量较大，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成的瓦斯，很多都是低浓度的瓦斯。

煤矿生产
时所采用的瓦斯为清洁能源，如果对其进行回收利用可以有效减小温室气
体的排放，也可以满足煤矿用电的要求，也可以把多作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。

瓦斯发电是有效
的利用方式，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，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。

1.1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，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控制命令，从而实自动混合控制，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，空燃比自动控制技术应该应用在低浓度、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，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然能量提高，一般设置在0.1集左右，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，早斯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。

如果要使瓦斯在燃烧室中稳定地进行燃烧，应该优化其
内部结构，特别要调整压气机及透平流过面积，从而加大喷嘴面积、叶片
高度，从而来提高透平燃气通过量。

减少空气量，提高燃料管及阀体尺寸
来提高压气机燃气流过量。

燃烧室内部结构和零部件优化，会保证燃气轮
机效率处于稳定状态。

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
温高压气华西驱动缸体活塞及曲轴实现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，从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，部分采有余
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
的客户，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，常温乏风经鞍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。

反应器末端可以共同与蒸汽轮机形成电能，煤矿井乏风量及瓦斯浓度应该
由大中型煤矿供应，不会达到燃气轮机的效率水平。

氧化发电需要的乏风燃料数量较多，但是价格比较低，因为乏风瓦斯
浓度不高，形成的热量比较有限，不管是燃气轮机发电，还是蒸汽轮机发电，都应该输入足够的低浓度瓦斯，从而保证余热锅炉可以形成足够的饱
和蒸汽来使蒸汽轮机运转，从而达到发电的目的，或者采用辅助瓦斯来进
行助燃，不断地提升燃气轮机透平前端进气温度，從而使旋转轴产生转动。

3结束语
综上所述，低浓度瓦斯发电技术得到快速的发展，为解决煤炭生产形
成的瓦斯气体应用提供了新的途径，对低浓度瓦斯发电技术存在的问题进
行分析，并提出解决措施，可以更好地推动低浓度瓦斯发电技术的发展。

需要不断地改进和优化发电设备，使燃气轮机微型化，装机方式更加灵活。

还应该发展低浓度抽采瓦斯、乏风瓦斯及抽采瓦斯的掺混技术，避免发电
系统瓦斯浓度产生较大的波动。