矿井低浓度瓦斯开发利用及安全输送探讨

2019-12-12卢正才

煤 2019年12期

卢正才

(晋煤集团金驹股份公司，山西晋城 048006)

矿井瓦斯是煤体中伴生的一种次生能源，当其瓦斯浓度超过30%时被称为高浓度瓦斯，浓度较高的瓦斯抽采技术日渐成熟，现已将瓦斯能源用在了化工或民用领域[1]。瓦斯浓度低于30%时被称之为低浓度瓦斯，特别是当瓦斯浓度处于5%～16%范围容易遇火发生爆炸，在矿井瓦斯抽采和运输过程中易出现安全事故。各矿井各煤层中赋存的瓦斯浓度和抽采效果不同，造成当今矿井对瓦斯的利用程度极低，绝大多数矿井都是把煤层中的瓦斯直接抽放到大气中，不仅造成对大气污染，而且还是对资源的浪费。为此，晋煤集团金驹股份公司借鉴国内外瓦斯利用经验和技术[2]，结合长平煤矿自身实际，建设了矿井低浓度瓦斯利用发电站，本文对瓦斯发电技术和瓦斯安全输送措施进行探讨。

1 低浓度瓦斯发电

1.1 瓦斯发电站

金驹股份公司芦家峪瓦斯发电站主要由瓦斯抽放系统、瓦斯输送系统、发电系统、控制系统、电网系统以及余热系统组成，其发电站局部如图1所示。

图1 金驹股份公司芦家峪瓦斯发电站

1) 瓦斯抽放系统。瓦斯经抽放钻孔抽出，流经高低压瓦斯抽采支管、干管直至地面抽放泵站，最后将瓦斯输送至瓦斯发电站。

2) 瓦斯输送系统。为了安全输送，长平抽放泵站低浓度瓦斯输送管路上分别设置了阻火器、水封防爆器、过滤器等装置，通过这些设备达到安全输送矿井瓦斯的效果。低浓度瓦斯安全输送流程如图2所示。

图2 低浓度瓦斯输送方案

3) 瓦斯发电系统[3]。在发电站安设内燃机利用瓦斯进行发电，芦家峪瓦斯电站采用H16V190ZLWD1-2型内燃机，单机额定功率为1 000 kW，其转速为1 000 r/min，发电机输出电压10.5 kV。

4) 瓦斯发电控制系统。电站控制系统采用GECS大功率燃气控制系统，在燃气控制阀、GCSM瓦斯浓度修正和空气阀控制器、DGM-02转速负载控制器及其他设备综合作用下，进而达到调速、空燃比控制、负载管理、燃气浓度设定值修正和空气阀控制等功能。

5) 瓦斯电网系统。内燃机将瓦斯能源转变为电能，输出的电压为10.5 kV，通过高压母线并入芦家峪110 kV变电站。

6) 余热系统。瓦斯经过内燃机转换后，其排出的尾气温度仍较高，为了将其充分利用，将该余热用来给长平煤矿供暖。

1.2 瓦斯发电流程

低浓度瓦斯气从长平瓦斯抽放泵站抽出后流经主干路瓦斯管道，进入自动水位控制水封阻火器，与水封阻火器并排布置的有电动调压阀与湿式放散器，目的是将瓦斯输送压力控制在15 kPa以内以确保安全。瓦斯气再流经丝网过滤器对5 μm以上的颗粒杂质进行过滤清除，随后流经具有自动阻爆功能的液压快关阀，通过细水雾管道阻火输送系统后，再经过一级水封阻火器、燃气重力汽水分离器初级脱水后进入冷冻脱水器进行深度脱水，确保内燃机燃烧的是干燥瓦斯。瓦斯和空气混合气体被推送至内燃机气缸，经过气缸活塞压缩作用，形成高温高压气体，此时对混合气体进行点火，在混合气体燃烧后，随着气体温度和气压变化，活塞继续运动，并带动传动曲柄运转，在联轴器和内燃机转子共同作用下，将活塞的动力传给发电机组，发电机得到能量后，将机械能转换为电能[4]。

1.3 瓦斯发电核心技术

芦家峪瓦斯电站为了充分保障低浓度瓦斯发电顺利进行，采用了管路阻火、电子控制瓦斯与空气的混合、混合增压、燃烧自动化控制以及水雾输送等核心技术[5]。为了防止系统中的火焰窜回到输送管路而危及矿井安全，在内燃机进气电磁阀前增设有阻火器；为了防止机组异常工况下超压损坏，在机组本体上设置有超压泄爆阀，从而起到保护机组的作用；采用电子控制技术根据瓦斯浓度变化调配进气量，确保空燃比得到有效控制，保证瓦斯发电站发电机输出稳定的功率；采用瓦斯与空气混合增压技术是为了防止瓦斯压力过低无法直接用来发电，需要利用发动机尾气作为动力推动涡轮增压器，将瓦斯与空气混合增压后用来发电；瓦斯在燃烧过程中，温度是不断变化的，为了防止爆震等故障的发生，采用燃烧调节控制技术，将缸温控制在620℃以内；在瓦斯输送前期，为了确保瓦斯在输送过程中不泄露、不被引燃，采用细水雾输送装置进行保护。

2 低浓度瓦斯安全输送技术

芦家峪瓦斯电站低浓度瓦斯从瓦斯泵站到瓦斯发电站的过程中，为了确保瓦斯安全运输，在输送管路上安设了阻火器、过滤器、阀门等设备，以便输出的瓦斯干净、纯度较好，其低浓度瓦斯输送系统见图3。为了避免静电等因素引爆瓦斯，在输送管道上每隔一定距离安设水雾阻火器，瓦斯流经水雾发生器后，其瓦斯含有水分，阻止了瓦斯进入发电站前自燃或者爆炸，从而达到保障瓦斯安全运输。瓦斯在安全输送当中，起关键作用的是多级阻火、湿式放散技术和瓦斯与细水雾混合技术[6]。

图3 瓦斯安全输送系统

3 低浓度瓦斯发电效益

根据芦家峪瓦斯电站统计，长平煤矿平均每年抽放的瓦斯纯量为1 080万m3，瓦斯浓度在10%～20%范围内变化，属于低浓度瓦斯，满足瓦斯发电要求。芦家峪瓦斯电站装备了6台发电机，这些发电机对矿井抽出的低浓度瓦斯进行发电。

1) 经济效益。每台发电机的额定功率为1 000 kW，实际功率为额定功率的0.9，则每台发电机的实际功率为900 kW，整个发电站每年可发电约4 100万kW·h，若一度电售价为0.509元，则一年瓦斯发电收益为2 087万元，显著增加了矿井瓦斯再利用经济收益。

2) 社会效益。如果将长平煤矿抽采的瓦斯直接排放至空气当中，不仅严重污染环境，而且还会造成臭氧层空洞和温室效应，不符合当前国家提倡的走可持续发展道路，也不利于保护大气环境。抽采的瓦斯用来发电，既可以为矿井带来经济创收，还能利用余热为矿井冬季供暖。因此，对瓦斯开发利用可以带来经济效益和社会效益双丰收。