张红明 贾政

【摘要】煤矿瓦斯属于清洁型能源，储量大，经济性良好。瓦斯是煤层的伴生物，主要成分为甲烷。我国煤层气资源量巨大，仅仅次于俄罗斯、加拿大。开发利用瓦斯具有节能、环保、增效等意义。本文介绍了3种煤矿瓦斯开发方式及其产气特点，并对燃气轮机和燃气内燃机应用条件进行了比较，提出了煤矿瓦斯发电需要解决的“技术安全、瓦斯浓度的适应性和压力的变化”三大技术问题。

【关键词】煤矿瓦斯；发电技术；安全输送

1 瓦斯开发方式及特点

煤炭开采前地面钻井开采煤层气方式抽采又称煤层气地面开发，是指利用垂直井或定向井技术、储层改造技术（如压裂、洞穴完井等）、排水降压采气技术来开采原始储层条件下的煤层气资源的开发方式。地面开发生产的煤层气体，主要组分是甲烷（90%以上），含有少量氮气，出气压力一般在0.1MPa以上，是一种优质的天然气。

煤矿抽放是指通过煤矿井下抽放、煤矿采动区抽排、废弃矿井抽排等方法开采煤层气的一种工业行为。煤矿井下抽放是目前我国最普遍的一种抽放方式；煤矿采动区抽排是充分利用煤炭开采过程形成的采动影响带开采煤层气；废弃矿井抽排则是利用已报废的煤矿采空区进行负压抽排煤层气。由于受到煤炭生产影响，在抽放过程中总要从采煤工作面或巷道灌人一定量的空气，因此煤矿抽放所获得的瓦斯，其品质不如地面开发的煤层气产品品质。通常，煤矿抽放出的煤层气的甲烷体积分数一般在10%～55%，因此称之为低浓度煤层气。

风排瓦斯又称为煤矿乏风，甲烷排放量约占总排放量的90%，甲烷体积分数一般在0.1%～1%。目前，乏风氧化发电技术研究还处于起步阶段。

2 煤矿瓦斯发电关键技术

2.1 煤矿瓦斯发电设备应用比较

燃气轮机比较适合于高浓度瓦斯，需要1.0MPa以上的瓦斯压力，必须配套多级压缩机进行瓦斯压力提升，在高温高压下瓦斯爆炸上限提高，着火范围变宽，瓦斯浓度低时容易发生爆炸，因此如果瓦斯体积分数低于35%以下，就不能运行。另外低的瓦斯浓度也造成压缩机需求的排量大，功耗加大，投资效益变差。

燃气内燃机的燃烧在封闭的燃烧室内进行，燃烧时不与外部相连，因此，从原理上讲，除了可以燃用高浓度瓦斯外，在爆炸范围内的瓦斯也可以作为发动机的燃料，但是进气管回火现象是客观存在的，如果不能消除回火，那么将引起在爆炸范围内的瓦斯发生爆炸，对煤矿安全产生威胁。

2.2 煤矿瓦斯发电关键技术

煤矿瓦斯发电关键技术可以概括为瓦斯混合、自动控制、安全阻火三大类，细分为十项。

（1）等真空度膜片混合技术。主要用于甲烷体积分数大于75%的煤层气，调整混合器燃气供气压力和节流调节阀的开度，可以实现空燃比随功率变化的匹配特性，低负荷空燃比，高负荷空燃比大。该技术无法自动适应瓦斯浓度的变化，但由于地面开发的煤层气成分非常稳定，随时间的变化非常缓慢，相当于天然气，因此，这种混合器能满足高浓度煤层气应用场合。

（2）文丘里电控混合器混合技术。文丘里电控混合器采用文丘里管原理，利用空气在文丘里管流动产生一个负压力，使瓦斯从侧通道进入混合器进行混合。当瓦斯浓度变化时，控制系统自动进行控制，调整混合器瓦斯通道的开度，从而使混合气浓度保持稳定。这种混合器可以适应体积分数为30%～55%和45%～75%的瓦斯混合需要。

（3）双蝶门混合器电控技术。对于低浓度瓦斯，如果体积分数为25%，空气与瓦斯混合的体积比大约为3：1，如果瓦斯体积分数降为10%，那么空气与瓦斯混合的体积比大约为9：1。因此，常规的混合器无法满足低浓度瓦斯混合的需要。该混合器工作范围宽，可以用于体积分数为6%～30%的瓦斯混合。

（4）瓦斯低压进气混合技术。天然气与地面开发的煤层气压力和浓度都比较，因此可以采用增压后混合方式。矿井抽排瓦斯压力一般在10kPa，体积分数多在10%～55%，比较适合于空气与瓦斯增压前预混合，混合器前瓦斯压力为。就可满足要求，因此机组供气压力只需3kPa～5kPa就能正常运行，提高了投资经济性。

（5）低压大流量先导调压控制技术。在通道节流面积一定的情况下，流量近似与压力差的1/2次方成正比。空气进气压力为0，需要瓦斯进口压力也为。，而双蝶门混合器后的压力为kPa2kPa的负压，如果调压阀的出口压力变化0.5kPa，那么意味着瓦斯流量变化一倍。

（6）TEM电子管理技术。电子管理系统简称TEM系统。它主要实现了计算机数据采集、控制、显示、报警保护、通信、数据记录保存和打印功能。计算机根据发动机的功率、转速和缸温的变化自动发出调整信号，使混合器控制电机转动，以此来调整混合器空气通道和瓦斯通道的开度，实现混合气的浓度保持不变。

（7）瓦斯阻火技術。当火焰通过金属板狭窄通道时，由于火焰表面的化学反应放热与散热条件不匹配，使火焰熄灭。火焰以一定速度进入金属板狭缝时，火焰靠近狭缝冷壁处，作为化学反应活化中心的自由基和自由原子与冷壁相碰撞放出能，这相当于反应区的热量流向冷壁边界，从而当火焰面达到一定距离时，开始形成熄火层，随着火焰面的运动，熄火层厚度不断增大，以至自由基进入熄火层内就复合成分子并放出能量，自由基越来越少直到没有，火焰熄灭。

（8）湿式液位自控水封阻火技术。当火焰通过水层时，火焰与水接触，能量被水吸收，化学反应的自由基减少并消除。

（9）瓦斯细水雾灭火技术。冷却：细水雾颗粒直径越小，相对表面积越大，受热后更容易汽化。在汽化过程中，从燃烧区吸收大量的热量，使燃烧区温度迅速降低，当温度降至燃烧临界值以下时，热分解中断，燃烧随即终止；稀释：火焰进入细水雾后，细水雾迅速蒸发形成蒸汽，由液相变为气相，气体急剧膨胀，比表面积膨胀约1760倍，最大限度地使燃烧反应分子在空间上距离拉大，抑制火焰传播。

（10）低浓度瓦斯安全输送工艺技术。低浓度瓦斯安全输送技术工艺流程概括起来就：“3+4×1”的技术有机组合，“3”就是3种防火、阻火技术结合，来提高安全可靠性，即细水雾阻火、金属波纹带阻火和雷达控制水位的水封卸爆阻火技术的串联。“4×1”即：末端设置了一级脱水器、细水雾供水系统、一套瓦斯输送压力控制机构，限定瓦斯最高压力、设置了一台煤矿瓦斯细水雾输送电子管理系统。

3 结语

瓦斯发电市场容量巨大。目前全国每年利用煤矿瓦斯发电量仅为20亿kW·h左右，用气量约为7亿m3，不到瓦斯排放量的5%，绝大部分瓦斯被直接排放到大气中。随着瓦斯发电技术的进步，瓦斯的利用率必将不断提高，即减少了污染，有实现了资源的有效利用。

参考文献：

[1]陈宜亮.低浓度煤层气发电机组技术及其应用[J].山东理工大学学报（自然科学版），2003（4）：108-110