关于煤矿瓦斯发电的研究

关于煤矿瓦斯发电的研究

[摘要]瓦斯发电项目在瓦斯综合利用领域占有举足轻重的地位，技术成熟、效益显著、值得大力推广。本文从瓦斯的危害及带来的利益两个方面入手，在分析我国的瓦斯分布状况及历年抽采利用情况的基础上，详细阐述了瓦斯发电的重要性及技术流程。

[关键词]煤矿；瓦斯；发电

1.煤矿瓦斯发电的意义

1.1瓦斯的危害

煤矿瓦斯，又称煤层气，是矿井开采工作中一种最常见的有害气体。其有害性归纳如下：

（1）瓦斯具有燃烧爆炸的危险，而且难以预测。一旦发生，不仅会造成大量的人员伤亡，而且会造成巨大的经济损失，淮南矿区历史上重特大瓦斯爆炸事故频繁发生，特别是上世纪九十年代发生重特大瓦斯爆炸4起，经济损失达上亿元。

（2）抽排的瓦斯严重的污染了环境。全世界每年都有大量因煤矿开采而排入大气中的瓦斯气体，到2010年，排放量将增至2800万t。由于单位质量的瓦斯气体对大气温室效应影响gwp（global warning potential）是二氧化碳的21倍，因此加剧了大气污染，进一步激化了温室效应。

1.2瓦斯发电项目的可行性分析

（1）瓦斯资源

淮南矿区已探明瓦斯资源蕴含量为5928亿m3，瓦斯绝对涌出量

高达725m3／min，煤储层气含量12-25 m3／t，年抽放量达1.5

亿m3，并随着矿井产量的日益增加，抽放量将逐年递增，预计2007年将突破2.5亿m3。而目前瓦斯利用率仅为3.7％，大量的瓦斯放空，造成了资源浪费。由于淮南矿区瓦斯资源可采性好，气体质量高，为发展瓦斯发电创造了良好的条件。

（2）抽采瓦斯利用现状

我国目前煤矿抽采瓦斯利用尚处于起步阶段，利用量小，利用率相对较低，并且没有形成规模。到2000年，全国已有160多座煤矿建立了井下抽采系统，年抽采量达8.2亿立方米，但利用量仅为5亿立方米。2008年统计表明，我国瓦斯利用总量为7.43亿立方米，利用率平均约为51％，相对于发达国家的瓦斯利用水平而言，这一数字仍然过小。目前，已开始利用瓦斯的单位主要集中在抽采较高的国有重点矿区，尤其是45户安全重点监控的企业。瓦斯利用率较好的有淮南、阳泉、松藻、抚顺、晋城、石炭井等矿区。瓦斯利用以民用和工业燃气为主，占到80％左右，瓦斯发电、化工则是主导发展方向，具有广阔的市场前景。

（3）瓦斯的理化特性

淮南煤层瓦斯当甲烷浓度为35％时，标准状态下（00c，101325×105pa）组份为ch4：35％；co2：0.195％；02：13.65％；n2：50.7％；其他惰性气体：0.455％。瓦斯作为一种气体燃料，理化特性适于作为发动机的燃料，具有燃烧热效率高，排放污染低的效果，具有以下特点：

①燃烧排放特性好：由于瓦斯是以气态形式与空气混合进入发动机气缸，使其容易混合，且混合迅速均匀，因此燃烧比较充分完全，从而使排放中的co、hc、nox等有害成分减少。

②混合气发火界限宽：瓦斯与空气混合具有很宽的发火界限，可在大范围内改变混合比而成为不同成分的可燃混合气体。

③使用性能好：由于瓦斯是气体燃料，低温启动性和低温运转性能良好，并且气体燃料进入缸后不会对润滑油产生稀释作用，从而使发电机组润滑状态提高很多，零件磨损进一步降低，发动机故障减少，使用寿命增长。

④经济性能好：在燃烧相同质量的燃料时瓦斯热值（以有效成分ch4计）比汽油高12.7％，而且从理论空燃比看，一定量的空气所需瓦斯比汽油约少16.5％，所以，燃用瓦斯的费用要低廉的多。

因此，通过对淮南矿区瓦斯理化特性分析，其甲烷含量在30～80％，按照甲烷浓度50％计算，每立方瓦斯的热值为18.5mj，完全可以作为燃气发动机燃料。

（3）环境效益分析：1吨甲烷（ch4）产生的温室效应相当于21吨二氧化碳（co2）产生的影响，通过将废弃甲烷在电力生产中转化成co2，产生了两种主要的环境效益：一是最大限度地减少大气中的甲烷排放量，降低了温室气体的排放；二是生产同样多的电减少了所需煤炭燃烧量。

1.2瓦斯发电工艺流程

（1）瓦斯预处理系统

瓦斯发电技术的关键在于对瓦斯进行预处理。由于瓦斯在排放过程中通常夹杂有水分、粉尘、硫化物、硅氧烷等杂质气体，这些杂质会严重影响发电机工作，必须经过处理净化后，才能送入内燃发电机组发电。通过预处理系统，实现瓦斯气体的脱水、除尘、脱硫、加压等效果，使供气压力、流量、温度等物理参数与内燃发电机组的要求相匹配。瓦斯预处理系统主要由除湿过滤器、冷凝器、罗茨风机、精密过滤器等设备组成，同时还包括系统连接的管道、阀门、测量仪表及控制调节设备。

（2）瓦斯发电机站主要是通过管路将浓度在30％以上的瓦斯气输送至瓦斯储气罐中，由储气罐将压力值稳定的瓦斯气体送至发电机组的气体预处理系统，经过上文中所述的各项处理工作后输送至发电机组进行发电。同时发电机组在发电的过程中产生的高温烟气可作为热源，通过制冷机将高温循环回水制成冷水后，送入井下工作面进行降温。发电机组产生的400v电压，由变压器升压至6kv，经过载、短路、逆功率、欠压保护后并上矿电网。

1.3瓦斯发电机组的类型

目前，瓦斯发电机的类型大致可分为四类。（1）往复式发电机。其热效率高，燃气进口压力低，占地面积小，对燃料热值稳定性要求较低，但发电机投资高，后期维修费用高经济效益不明显。

（2）燃气轮机。其成本低，功率大，重量轻，但对瓦斯气体质量要求较高，必须使用高压瓦斯气，瓦斯气压必须在1.8mpa以上，其次，瓦斯中的甲烷浓度必须在50％以上，而满足这两点要求的瓦

斯气体只占瓦斯排放总量的一小部分，从而使瓦斯气的利用率降低。（3）汽轮机。发电效率一般介于25％-30％之间，而且需要的辅助设备多，占地面积大，现场施工量大，建设周期相对较长。（4）内燃机。内燃机是将气体燃料与空气混合后，直接输入机器内部燃烧产生热能再转化为机械能的一种热机。它因为具有质量小、体积小、便于移动、热效率高、起动性能好的特点而得到广泛应用。

2.总结

利用瓦斯发电，可以充分利用能源，解决瓦斯排空所带来的环保问题和困扰煤矿安全的瓦斯爆炸问题。而且建设投资小，发电功率根据瓦斯储量可大可小，短期内即可解决能源紧缺问题。目前，瓦斯发电项目的开发还处于起步阶段，依然需要在煤矿瓦斯综合利用的深度（提高热效率）和广度（适应ch4浓度范围）方面，做更多、更细的工作，走向更高的层次，并最终实现煤矿瓦斯“零”排放的目标。