论文部分内容阅读
摘要：煤矿瓦斯利用主要集中在民用、发电、工业燃料及化工原料等方面。本文对瓦斯发电实现能源综合利用进行了相关研究。
关键词：瓦斯发电；能源综合利用
1.煤矿瓦斯综合利用的技术现状
从世界范围来看，煤矿瓦斯利用主要集中在民用、发电、工业燃料及化工原料等方面。因煤矿大多分布在较偏远的地方，瓦斯民用项目要敷设大量的中低压管网和入户管网，投资成本较大，而且民用消耗瓦斯气量少，达不到一定规模，因此瓦斯民用项目收回投资比较困难。燃气锅炉利用瓦斯为燃料，虽然消耗瓦斯气量大，但是，使用燃气锅炉热效率较低，还受季节性限制，加之采暖收费低，因此锅炉投资回收期长，经济效益差。利用瓦斯生产化工产品，经济性差，技术上也存在一定的问题。而瓦斯发电是利用目前成熟的内燃機技术，仅对内燃机的进气系统和燃料供给系统加以改造，技术较为可靠。投资少见效快，一般三年内可收回全部投资。瓦斯发电已成为目前煤矿瓦斯利用的一种主要方式。
由于煤矿瓦斯开采方式的不同，煤矿瓦斯中CH4的含量会有显著不同，其利用技术也有所不同，主要分为三类。一是通过地面钻井开采，采出CH4浓度多大于90%的煤矿瓦斯（目前约占煤矿瓦斯总量的1%左右），其成份特性类似天然气。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。二是通过井下瓦斯抽采系统和地面输气系统，采出CH4浓度范围多在3%～80%之间的煤矿瓦斯（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%），由于涉及到爆炸危险，一般对其应用都局限于浓度为30%以上部分。浓度在6%～30%部分的利用是一个难点，目前我国国内企业已拥有此项安全利用技术，并已在国内16个省、市、自治区的煤矿推广应用，取得良好的经济和社会效果。三是通过煤矿通风排出的煤矿瓦斯，CH4含量一般低于1%，称之为风排瓦斯（俗称“乏风”）。这部分煤矿瓦斯由于CH4浓度太低，利用技术难度较大，基本都被排空。我国相关企业正在准备对这部分瓦斯进行处理和利用。总之，目前煤矿瓦斯综合利用还处于初级阶段，无论是利用广度还是深度都有许多需要解决的问题。煤矿瓦斯利用最合理的方式就是发电，在发电的基础上实现“冷、热、电”三联供，以人为本，改善煤矿职工和当地居民生产、生活条件，节能减排。
2.国内外瓦斯发电能源综合利用技术
2.1煤层瓦斯主要参数
煤层瓦斯赋存基础参数是矿井瓦斯防治和瓦斯抽放设计的依据，进行瓦斯抽放设计所需的煤层瓦斯主要实测参数包括：煤层瓦斯压力、含量、煤中的残存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤层透气性系数以及钻孔瓦斯流量衰减系数等一些瓦斯的基础参数。对于基建矿井，如果没有开拓系统揭露煤层，则无法在采掘空间内各煤层瓦斯基础参数进行实测，只能借鉴地质勘探过程进行测定部分瓦斯基础参数。
2.2矿井瓦斯来源及涌出构成
根据对龙泉煤矿瓦斯涌出量的预测，可以得出该矿井在达产时瓦斯来源由以下3个部分组成：回采工作面（包括围岩及邻近层）的瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区（包括围岩和邻近层）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占矿井瓦斯的涌出比例与矿井的开采深度和矿井的生产接续布局、采掘强度等有关。经对矿井各部分进行瓦斯涌出量预测，可以得出各涌出源所占该矿井瓦斯涌出量的百分比。在现有的通风条件下掘进面瓦斯经常超限，所以掘进工作面的瓦斯治理非常必要。在整个矿井瓦斯治理工作中，回采工作面和采空区瓦斯治理占重要地位。
2.3抽放瓦斯的必要性
根据国家煤矿安全监察局部颁布的《煤矿安全规程》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，有下列情况之一者，矿井必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统。
2.4煤矿瓦斯基本分类及利用方法
煤矿瓦斯按体积分数分3类（参照胜动集团分类方法）：第一类是质量浓度大于30%的高浓度瓦斯；第二类是质量浓度在9%～30%的低浓度瓦斯；第三类是质量浓度在9%以下的低（超）浓度瓦斯（含煤矿通风乏风）。其瓦斯利用技术大致如下：第一类：质量浓度大于30%的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯直接燃烧供发电机组发电；第二类：质量浓度在9%～30%的低浓度瓦斯，采用低浓度瓦斯内燃机组进行发电利用；第三类：质量浓度在9%以下的低浓度（超）瓦斯（含煤矿通风乏风），甲烷质量分数为0.25%～5%，采用煤矿乏风氧化装置直接或经过掺混、稀释后利用；超低浓度瓦斯（甲烷体积分数6%～9%）也可采用柴油引燃技术发电利用。
2.5乏风利用不高的原因分析
煤炭开采中，瓦斯排出量的70%是通过乏风（风排瓦斯）排出的。由于煤矿乏风的甲烷含量极低，若进行提浓或提纯，不论是变压吸附，还是变温吸附分离，面对含量巨大的空气和稀少的甲烷，必须提供相对于甲烷产量更多的加压能耗或加温能耗。所耗的能量，远超过所获取甲烷的能量。因而无论从能源利用的角度，还是从经济利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏风中的甲烷含量远远超出了甲烷的空燃比范围，用直接燃烧的办法处理技术上也是行不通的。两种传统办法均不能解决乏风的有效利用问题。基于此，目前多数煤矿仍选择直接排放，造成了巨大的能源浪费和环境污染。
3.煤矿瓦斯综合利用技术的研究与成果
我国一直致力于煤矿瓦斯全方位利用的研究，最终目标是实现瓦斯“零”排放。为此我国企业投入了大量的人力、物力，并始终坚持自主研发，走自主知识产权之路。目前已在这一领域取得了突破性进展，获得了2项重要的国家发明专利、多项实用新型专利，将知识产权把握在自己手中。根据CH4浓度的不同，研究的瓦斯利用方式也有所不同，具体包括以下几种：①CH4浓度在60%以上的特高浓度瓦斯，进行CH4提纯利用；②CH4浓度在30%～60%之间的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯发电机组发电；③CH4浓度在8%～30%之间的低浓度瓦斯，通过发明“煤矿低浓度瓦斯安全输送及发电技术”，实现了低浓度瓦斯发电的目的；④CH4浓度在4%～8%之间的特低浓度的瓦斯，采用燃油引燃式瓦斯发电机组发电；⑤抽排瓦斯CH4浓度在4%以下的，与煤矿乏风混合后，氧化处理，先发电后制冷、制热，进行热量阶梯利用。
4.小结
我国企业煤矿瓦斯综合利用技术已经将可利用瓦斯扩大到各个浓度范围，除乏风氧化技术还在工业现场试验外，其余部分都已经找到了合理科学的利用方式，并已经产生了良好的市场反响和社会效益。而由此带动的巨大环保、经济、社会效益潜力也初步显现。目前依然需要在煤矿瓦斯综合利用的深度（提高热效率）和广度（各个CH4浓度范围）方面，做更多、更细的工作，迈向更高的层次，并最终实现煤矿瓦斯“零”排放的目标
参考文献：
[1]梁栋.煤壁瓦斯自然上浮运动机理[D]山东科技大学学报自然科学版，2000.3：48-50.
[2]刘萌.我国煤矿风排瓦斯发电的研究[D]北京北京化工大学，2006.
[3]贺黎明，沈召军.甲烷的转化和利用[M]北学工业出版社，2005
作者简介：胡迎江（1989-），汉族，山西省朔州市人，助理工程师。
关键词：瓦斯发电；能源综合利用
1.煤矿瓦斯综合利用的技术现状
从世界范围来看，煤矿瓦斯利用主要集中在民用、发电、工业燃料及化工原料等方面。因煤矿大多分布在较偏远的地方，瓦斯民用项目要敷设大量的中低压管网和入户管网，投资成本较大，而且民用消耗瓦斯气量少，达不到一定规模，因此瓦斯民用项目收回投资比较困难。燃气锅炉利用瓦斯为燃料，虽然消耗瓦斯气量大，但是，使用燃气锅炉热效率较低，还受季节性限制，加之采暖收费低，因此锅炉投资回收期长，经济效益差。利用瓦斯生产化工产品，经济性差，技术上也存在一定的问题。而瓦斯发电是利用目前成熟的内燃機技术，仅对内燃机的进气系统和燃料供给系统加以改造，技术较为可靠。投资少见效快，一般三年内可收回全部投资。瓦斯发电已成为目前煤矿瓦斯利用的一种主要方式。
由于煤矿瓦斯开采方式的不同，煤矿瓦斯中CH4的含量会有显著不同，其利用技术也有所不同，主要分为三类。一是通过地面钻井开采，采出CH4浓度多大于90%的煤矿瓦斯（目前约占煤矿瓦斯总量的1%左右），其成份特性类似天然气。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。二是通过井下瓦斯抽采系统和地面输气系统，采出CH4浓度范围多在3%～80%之间的煤矿瓦斯（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%），由于涉及到爆炸危险，一般对其应用都局限于浓度为30%以上部分。浓度在6%～30%部分的利用是一个难点，目前我国国内企业已拥有此项安全利用技术，并已在国内16个省、市、自治区的煤矿推广应用，取得良好的经济和社会效果。三是通过煤矿通风排出的煤矿瓦斯，CH4含量一般低于1%，称之为风排瓦斯（俗称“乏风”）。这部分煤矿瓦斯由于CH4浓度太低，利用技术难度较大，基本都被排空。我国相关企业正在准备对这部分瓦斯进行处理和利用。总之，目前煤矿瓦斯综合利用还处于初级阶段，无论是利用广度还是深度都有许多需要解决的问题。煤矿瓦斯利用最合理的方式就是发电，在发电的基础上实现“冷、热、电”三联供，以人为本，改善煤矿职工和当地居民生产、生活条件，节能减排。
2.国内外瓦斯发电能源综合利用技术
2.1煤层瓦斯主要参数
煤层瓦斯赋存基础参数是矿井瓦斯防治和瓦斯抽放设计的依据，进行瓦斯抽放设计所需的煤层瓦斯主要实测参数包括：煤层瓦斯压力、含量、煤中的残存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤层透气性系数以及钻孔瓦斯流量衰减系数等一些瓦斯的基础参数。对于基建矿井，如果没有开拓系统揭露煤层，则无法在采掘空间内各煤层瓦斯基础参数进行实测，只能借鉴地质勘探过程进行测定部分瓦斯基础参数。
2.2矿井瓦斯来源及涌出构成
根据对龙泉煤矿瓦斯涌出量的预测，可以得出该矿井在达产时瓦斯来源由以下3个部分组成：回采工作面（包括围岩及邻近层）的瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区（包括围岩和邻近层）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占矿井瓦斯的涌出比例与矿井的开采深度和矿井的生产接续布局、采掘强度等有关。经对矿井各部分进行瓦斯涌出量预测，可以得出各涌出源所占该矿井瓦斯涌出量的百分比。在现有的通风条件下掘进面瓦斯经常超限，所以掘进工作面的瓦斯治理非常必要。在整个矿井瓦斯治理工作中，回采工作面和采空区瓦斯治理占重要地位。
2.3抽放瓦斯的必要性
根据国家煤矿安全监察局部颁布的《煤矿安全规程》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，有下列情况之一者，矿井必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统。
2.4煤矿瓦斯基本分类及利用方法
煤矿瓦斯按体积分数分3类（参照胜动集团分类方法）：第一类是质量浓度大于30%的高浓度瓦斯；第二类是质量浓度在9%～30%的低浓度瓦斯；第三类是质量浓度在9%以下的低（超）浓度瓦斯（含煤矿通风乏风）。其瓦斯利用技术大致如下：第一类：质量浓度大于30%的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯直接燃烧供发电机组发电；第二类：质量浓度在9%～30%的低浓度瓦斯，采用低浓度瓦斯内燃机组进行发电利用；第三类：质量浓度在9%以下的低浓度（超）瓦斯（含煤矿通风乏风），甲烷质量分数为0.25%～5%，采用煤矿乏风氧化装置直接或经过掺混、稀释后利用；超低浓度瓦斯（甲烷体积分数6%～9%）也可采用柴油引燃技术发电利用。
2.5乏风利用不高的原因分析
煤炭开采中，瓦斯排出量的70%是通过乏风（风排瓦斯）排出的。由于煤矿乏风的甲烷含量极低，若进行提浓或提纯，不论是变压吸附，还是变温吸附分离，面对含量巨大的空气和稀少的甲烷，必须提供相对于甲烷产量更多的加压能耗或加温能耗。所耗的能量，远超过所获取甲烷的能量。因而无论从能源利用的角度，还是从经济利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏风中的甲烷含量远远超出了甲烷的空燃比范围，用直接燃烧的办法处理技术上也是行不通的。两种传统办法均不能解决乏风的有效利用问题。基于此，目前多数煤矿仍选择直接排放，造成了巨大的能源浪费和环境污染。
3.煤矿瓦斯综合利用技术的研究与成果
我国一直致力于煤矿瓦斯全方位利用的研究，最终目标是实现瓦斯“零”排放。为此我国企业投入了大量的人力、物力，并始终坚持自主研发，走自主知识产权之路。目前已在这一领域取得了突破性进展，获得了2项重要的国家发明专利、多项实用新型专利，将知识产权把握在自己手中。根据CH4浓度的不同，研究的瓦斯利用方式也有所不同，具体包括以下几种：①CH4浓度在60%以上的特高浓度瓦斯，进行CH4提纯利用；②CH4浓度在30%～60%之间的高浓度瓦斯，采用高浓度瓦斯发电机组发电；③CH4浓度在8%～30%之间的低浓度瓦斯，通过发明“煤矿低浓度瓦斯安全输送及发电技术”，实现了低浓度瓦斯发电的目的；④CH4浓度在4%～8%之间的特低浓度的瓦斯，采用燃油引燃式瓦斯发电机组发电；⑤抽排瓦斯CH4浓度在4%以下的，与煤矿乏风混合后，氧化处理，先发电后制冷、制热，进行热量阶梯利用。
4.小结
我国企业煤矿瓦斯综合利用技术已经将可利用瓦斯扩大到各个浓度范围，除乏风氧化技术还在工业现场试验外，其余部分都已经找到了合理科学的利用方式，并已经产生了良好的市场反响和社会效益。而由此带动的巨大环保、经济、社会效益潜力也初步显现。目前依然需要在煤矿瓦斯综合利用的深度（提高热效率）和广度（各个CH4浓度范围）方面，做更多、更细的工作，迈向更高的层次，并最终实现煤矿瓦斯“零”排放的目标
参考文献：
[1]梁栋.煤壁瓦斯自然上浮运动机理[D]山东科技大学学报自然科学版，2000.3：48-50.
[2]刘萌.我国煤矿风排瓦斯发电的研究[D]北京北京化工大学，2006.
[3]贺黎明，沈召军.甲烷的转化和利用[M]北学工业出版社，2005
作者简介：胡迎江（1989-），汉族，山西省朔州市人，助理工程师。