瓦斯发电技术与节能减排
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【摘要】能源是不可再生资源。开发新能源和节能是备受各国关注。瓦斯是煤矿开采的副产品。对煤炭开采具有一定的危险性，但瓦斯是一种能源，其主要成分为甲烷。瓦斯利用在节能减排、保护生态环境方面将发挥巨大的作用。本文从瓦斯特性、瓦斯的预处理以及瓦斯发电等方面进行探讨。
【关键词】煤矿瓦斯;发电;节能减排
1 瓦斯的采集与特性
每个石煤层都存在天然甲烷和空气的混合物，这就是人们俗称的“瓦斯”。矿井瓦斯是有机物通过大约2.5亿年的漫长碳化过程演变形成的。这种无色无味的混合气体虽然无毒，但当浓度在4%～16%之间时却具有高度爆炸性。瓦斯虽然是可怕的煤矿杀手，但也是一种清洁能源，完全可以变废为宝，为人类带来可观的经济效益。
1.1 通过地面钻井开采，采出煤矿瓦斯的CH4含量多大于90%（目前约占煤矿瓦斯总量的1%左右），其成份特性类似于天然气。此类气体可利用天然气发电设备进行发电或作为民用燃料、化工原料等，利用技术相对简单且成熟。
1.2 通过井下瓦斯抽放系统和地面输送系统开采，采出煤矿瓦斯的CH4浓度多在3%～80%之间（目前约占煤矿瓦斯总量的15%左右，其中的三分之二浓度都低于30%），由于存在爆炸的危险，其应用都局限于CH4浓度在30%以上的瓦斯，而CH4浓度在6%～30%之间瓦斯的利用是一个难点，此项应用技术虽然已有一定的进展，但还处于试验阶段。
1.3 通过煤矿通风排出瓦斯，其CH4含量一般都低于1%，称之为风排瓦斯（俗称“乏风”）。这部分瓦斯由于含CH4浓度太低，利用技术难度较大，基本都采用排空处理。
2 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。因为瓦斯中通常含有水分、硫化物、粉尘、硅氧烷等杂质气体，必须经过处理净化后，才能送入内燃发电机组发电。瓦斯预处理的作用是通过预处理系统，实现瓦斯气体的脱水、脱硫、除尘、加压等功能，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。
首先，将瓦斯引入除湿过滤器，通过其除湿脱水功能，降低气体中的水分含量;通过过滤功能，降低气体粉尘杂质含量。然后将瓦斯气体引入罗茨风机，对瓦斯气体进行加压。再经过冷却器，通过其冷冻功能，使气体中的有害气体冷凝析出，起到气体脱硫的作用。最后经过精密过滤器，对气体进行精过滤处理，最后送至内燃发电机组发电。同时，瓦斯预处理
系统还具有自动稳压功能，保证内燃发电机组供气压力的稳定;该系统还配有风机超压保护装置，气体温度调节装置，使气体的压力和温度适应内燃机的需要。在气体性能监测方面，系统配置有气体在线检测仪，可以及时检测气体的成份。根据发电机组的要求，该系统还可以自动跟踪调节气体流量。
在正常情况下，发电机组入口的气体流量和压力是通过控制系统变频调节风机转速来实现的。当发电机组降负荷或停机时，通往火炬的焚烧系统会自动开启。系统采用可编程控制器（PLC）控制，以实现数据采集、在线检测、报警和自动停机等功能。
3 瓦斯发电与节能减排
3.1瓦斯发电简介
瓦斯发电站由矿井瓦斯开采系统、瓦斯气预处理系统、内燃发电机组、输变电系统以及余热利用系统几部分内容组成。其生产工艺流程内容如下：
煤矿瓦斯抽放站→加压站→混气站→储气柜→瓦斯预处理系统→内燃发电机主厂房混气站的主要作用是考虑储气柜内的气体流动性差，相对静止程度高，不利于温度、压力、浓度不同的瓦斯气混合。在储气柜前设置瓦斯混气站，可以将不同参数的瓦斯混合在一起，使其在进入储气柜前达到新的平衡。
储气柜的主要作用是解决瓦斯抽放时的不稳定性。当内燃发电机组在运行过程中，遇到检修、调整、故障等情况时，瓦斯输送系统不能均衡供气，储气柜可以对不稳定的瓦斯气体进行平衡和缓冲，并储存一定量的瓦斯，对输配系统进行调节。
内燃发电机组要求瓦斯中甲烷的含量达到30%以上，才能保证机组的正常运行。在瓦斯燃烧过程中，内燃发动机排出的高温烟气温度可达到400℃以上，若直接排空，既造成能源的巨大浪费，又给环境带来严重的热污染。通过设置余热回收系统，由余热锅炉回收这部分热量，利用内燃机排气的余热及富氧燃烧产生蒸汽，供给生产或生活用汽;换热后的燃气通过烟囱排入大气。在内燃机中的瓦斯能量大约有41%转变为电能，45%转变为热能。
在瓦斯发电领域，国内目前只有少数企业的内燃发电机组应用获得成功，但在性能方面与国外品牌相比，还存在较大差距。近两年国外品牌燃气机组已进入中国市场，目前卡特比勒，颜巴赫，道依茨等厂家的产品已在国内有成功运行的案例。全国已投入运行的瓦斯发电机组有数百台，装机容量达到100MW，在建的瓦斯发电项目装机容量达到300MW。国内已上瓦斯发电项目的地区有：山西沁水、阳泉;贵州水城;安徽淮南;黑龙江鹤岗;河南焦化等。
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，自2006年以来，国家出台了一系列加快瓦斯抽采利用的政策和意见，充分体现了国家对煤矿瓦斯综合利用的高度重视。
3.2效益分析
瓦斯发电的电价目前约为0.35元/kWh。由于没有燃料成本，瓦斯发电运行成本仅0.08元/kWh左右。以5MW瓦斯发电站为例，机组年运行成本约320万元，年收入可达1400万元。项目总投资约2000万元，1.5年即可收回投资。
此外，由于瓦斯发电项目可以实现温室气体减排量的转让，通过申请CDM项目，可得到为数可观的减排费。而且，瓦斯得到充分利用，可以大大減少煤炭和燃油的耗用量，减轻火力发电对环境的污染。因此，瓦斯发电项目具有非常好的经济和社会效益。
4 结束语
我国的煤矿瓦斯发电技术还处于初级阶段，无论是利用的广度还是深度都存在许多需要解决的问题。向节能减排要效益利国利民，由此带动的巨大环保、经济、社会效益潜力也已初步显现。但是，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。
参考文献：
[1]张国铎，李华，游涌，刘月勤.浅谈煤层气发电技术及应用前景[J].能源与环保，017（1）.
作者简介：
葛庆坤（1987-），女，汉族，本科，山西太原人，助理工程师，研究方向：物资供应和节能减排。
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