摘要：瓦斯是与煤炭共同伴生的优质洁净能源，同时也是一种温室气体，它的危害是CO2的21倍，国际清洁能源组织把瓦斯作为主要温室气体之一，要求各国尽可能降低煤矿向大气排放瓦斯。我国多数高瓦斯矿井煤层透气性差，为了提高抽采效果，多采用高负压、大流量抽采系统，这样势必造成漏气量增加，抽采瓦斯浓度降低，达不到瓦斯利用条件。本文对低浓度瓦斯发电工艺进行了相关研究。

关键词：低浓度瓦斯发电；工艺研究

1.低浓度瓦斯发电技术研究现状

主要应用于内燃机发电、燃气轮机发电和氧化发电等。由于受到煤矿开采工艺的影响，高负压系统抽采瓦斯和地面钻井抽采瓦斯的浓度一般大于30%，主要应用于小型燃气轮机和高浓度内燃机发电；低负压系统抽采瓦斯的浓度普遍低于30%，主要应用于低浓度内燃机发电；矿井回风井风排瓦斯（乏风瓦斯）浓度通常在1%以下，主要采用低浓度瓦斯与矿井乏风瓦斯的混合气（或低浓度瓦斯稀释气）进入热逆流反应器和催化氧化反应器进行氧化发电。

1.1内燃机发电技术

由于煤矿抽采瓦斯浓度、压力不稳定，因此中央控制器发送给执行器控制命令调节燃气和空气进气量，自动调节混合比，混合后浓度一般设置在6%，使发动机空燃比始终保持在理想状态，该项空燃比自动调节技术尤其适应低浓度、大流量的瓦斯与空气混合进行低浓度瓦斯发电。发动机缸内爆燃，发动机回火的几率再次增大，同时当发动机缸温超过500℃，其缸盖、活塞等零部件热负荷增加后，极易产生爆震等机械事故，通过运用稀薄燃烧技术，发动机热负荷降低，回火概率降低，机组运行可靠性提高；此外，缸体内甲烷燃烧速度也会加快，燃烧效率提高，发动机性能得到改善。

1.2燃气轮机发电技术

提高燃气轮机效率的关键是提高燃气初始温度，即改进高温部件的冷却技术。涡轮喷嘴、叶片等高温材料由早期的一般合金材料发展到定向结晶、单晶叶片及陶瓷材料；由早期喷嘴和动叶片的对流、冲击等冷却发展到采用蒸汽冷却。实践表明，燃气温度每提高100℃，燃气轮机效率增高近2%～3%，先进冷却技术促使透平前端燃气进口温度提高500～800℃，因此简单循环燃气轮机的热效率由早期的16%～25%提高到40%以上。由于矿井抽采瓦斯浓度以中低浓度居多，发电机组如果要保持相同输出功率就需要输入更大流量的低热值瓦斯，运行的工况发生变化造成透平与压气机工作不协调、透平温度升高、出现运行效率降低甚至停机现象。若要保证瓦斯在燃烧室内稳定燃烧，需要改变其内部结构，尤其要调整压气机和透平的流过面积，通过增加喷嘴面积、叶片高度来增大透平的燃气通过量；通过降低空气量、加大燃料管和阀的尺寸来增大压气机的燃气通过量。燃烧室内部结构及各零部件的优化使燃气轮机效率保持稳定，其性能将得到充分发挥。

1.3氧化发电技术

矿井低浓度瓦斯其浓度普遍较低，若满足不了内燃机发电的要求，通常是将排空的低浓度瓦斯与乏风瓦斯混合（或将低浓度瓦斯稀释至1%左右）后氧化放热进行发电。其燃烧方式包括蓄热式氧化燃烧（RTO）和蓄热式催化氧化燃烧（RCO），共同特征是使用高温空气燃烧技术。蓄热式氧化采用了混合气体交替通过蜂窝状蓄热体燃烧室（或其他蓄热体）技术，将气体加热至1000℃，使CH4发生支链反应，实现高温燃烧；催化式氧化使用催化氧化燃烧技术，燃烧室即使在350～600℃时CH4仍可氧化燃烧，实现了NOx和CO的超低排放，以减少对大气的污染。

2.低浓度瓦斯发电原理工艺流程及关键技术

2.1发电原理

通过水环式抽采泵站抽出瓦斯， 经安全管道进入500GF1-3RW型发电机组缸体，点燃爆炸推动活塞运动，产生机械能，进而转化为电能。

2.2 瓦斯发电机组及其工艺流程

瓦斯发电机组是以成熟的内燃机技术为基础，结合煤矿瓦斯的特点，对柴油发电机组加以改造而成。它由原来燃油改为燃烧瓦斯，发动机驱动发电机运转，达到由机械能转化为电能的目的。

2.3关键技术

2.3.1阻火技术

为了将瓦斯发电机组与瓦斯抽采系统隔离，在发电站总进气管上设置了2个水封式阻火器、1个干式阻火器； 为了确保低浓度瓦斯在管道输送过程中的安全，安设3组细水雾输送装置。

2.3.2电控燃气混合器技术

电控技术是采用电子控制技术，通过闭环自动调节混合气空燃比， 电控混合技术显著提高了机组对瓦斯浓度和压力变化的适应能力。

2.3.3瓦斯与空气先混合后增压技术

发电机针对瓦斯的特性精致设计和匹配增压器和中冷器，实现燃气稀薄燃烧，降低热负荷，改善排放，提高发电机功率，同时提高了燃气机的动力性、经济性。瓦斯与空气混合均匀，容易点火，避免了点火不连续现象性。

2.3.4稀燃技术

采用瓦斯与空气先混合后增压技术，调低空燃比，配合新概念预燃室技术，在局部形成点火能量相对优势，尔后放大点火能量，提高甲烷燃烧速度，降低了发动机热负荷，提高了发动机功率。

2.3.5数字式点火技术

数字式点火技术是由电控单元根据瓦斯发电机的不同工况，从软件上调整点火能量和点火时间。

3.低浓度瓦斯发电应用中存在的问题及建议

1）继续完善和改进发电设备

目前的燃气轮机是针对中、高热值燃料开发的，为适应低浓度瓦斯燃料，应改进其内部结构及控制系统，同时积极将燃气轮机微型化，利用大、中、小型煤矿的抽采瓦斯都可进行发电，使装机形式更加灵活。

2）瓦斯发电系统受瓦斯浓度波动影响较大，浓度过低，机组维持自身运行困难，因此需要积极发展掺混技术，包括高、低浓度抽采瓦斯掺混技术、乏风瓦斯与抽采瓦斯掺混技术。

3）以冷热电为主要形式的多联产系统实现了能源的梯级利用，能源综合利用效率达70%～90%，但目前我国电网针对传统型大型火电设计，小容量电站与大电网存在连接技术的问题，因此建议加快建设智能电网。配电网侧的电力市场尚未开放，通常做法是“并网不上网，自发自用”，建议在不对国家安全造成影响情况下，尽快开放配电网，开发新的电力零售市场。

4）目前瓦斯发电机组在低碳、减排方面还有待改进和完善，需要严格控制发动机及反应器的NOx排放，包括不断完善内燃机稀薄燃烧技术、催化还原技术（在燃气轮机用）、催化氧化发电技术、发展抗高温材料。随着京都议定书到期，国内发电企业在无碳减排机制前提下可能是处于亏损状态，建議尽快在企业碳排放方面制定相应政策并实施，鼓励技术先进、节能减排环保的发电企业，淘汰高排放、落后产能电企。

5）在各矿区井田边界上考虑规划瓦斯利用区，同时开发低浓度瓦斯长距离输送技术，以便集约开发，瓦斯电站朝大型化发展，这样，电站在经济效益增加的同时可避免各煤矿重复投资建设，节约社会成本。

4.结语

瓦斯发电符合国家能源产业政策，提高了矿井瓦斯抽放的积极性，同时有利于矿井安全生产。瓦斯发电项目的实施，减少了温室气体的排放，为企业创造了良好的经济效益，具有安全、环保、节能的三重价值。低浓度瓦斯发电技术既节约能量又可减少环境污染，值得在煤矿推广。

参考文献

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[2]李家球.燃气轮机在低热值煤矿瓦斯发电方面的应用[C].北京：第六届国际煤层气研讨会论文集，2006：147-156.

[3]陶瑞林等.高瓦斯区域回采工作面瓦斯治理[J].煤矿开采，2003.

作者简介：

薛旭兵（1980-），男 汉族，山西省柳林县人，助理工程师职称，瓦斯发电方向.