低浓度瓦斯发电技术在祥升煤矿的应用

张 新

(山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司，山西 长治 046204)

瓦斯的主要成分为甲烷，是优质的清洁能源，但也是重要的温室气体。如果对矿井瓦斯综合利用而不是直接排放到大气中，既可以起到保护环境的作用，同时又对保障矿井安全生产、增加清洁能源供应具有重要意义。

对于高瓦斯矿井，瓦斯抽采已成为瓦斯治理最有效的方式，由于每个高瓦斯矿井的瓦斯地质条件和治理模式的差异，使得瓦斯抽采纯量和浓度显著不同，最终采用的瓦斯综合利用模式也不同。

目前，国内不同浓度瓦斯的利用方式主要有以下几种：①对地面抽采井抽采的瓦斯(浓度≥90%)直接用于汽车燃料和工业燃料等；②高浓度瓦斯(30%≤浓度<90%)直接用于居民生活等；③低浓度瓦斯(6%≤浓度<30%)采用低浓度瓦斯发电技术进行综合利用；④对于极低浓度瓦斯(浓度<6%)采用乏风氧化技术实现供热和发电。

祥升煤矿依据煤层瓦斯地质条件、瓦斯抽采量和浓度等基本情况，结合矿井自身的供电负荷和供热负荷的实际情况，采用“低浓度瓦斯发电”方式进行瓦斯综合利用。

1 矿井概况

祥升煤矿核定生产能力为90万t/a，开采3～15下煤层，属于高瓦斯矿井，瓦斯储量14.644 2×108m3，其中，可采煤层瓦斯储量为9.432 7×108m3，不可采煤层瓦斯储量为3.301 4×108m3，围岩瓦斯储量为1.910 1×108m3。

目前，矿井建有1座地面永久瓦斯抽采泵站，布置4台2BEC80型水环式真空泵，分为高、低负压抽采系统。其中，高负压抽采系统有2台抽采泵(1运1备)，瓦斯抽采浓度35%，纯量37.68 m3/min；低负压抽采系统有2台抽采泵(1运1备)，瓦斯抽采浓度15%，纯量23.76 m3/min，全矿井瓦斯总抽采纯量为61.44 m3/min，混合后浓度为23.09%。

综上所述，祥升煤矿瓦斯储量丰富，瓦斯抽采量大，浓度稳定，为瓦斯的综合利用提供了稳定的气源。

2 低浓度瓦斯发电技术的工程应用

2.1 低浓度瓦斯发电设备选型

目前，低浓度瓦斯发电机组有进口和国产两类。进口设备虽然具有占地面积小、发电效率高、使用寿命长等优势，但是价格高，初期投资大，瓦斯气体需要过滤、脱水、加压和冷却等预处理，瓦斯浓度必须大于30%；与进口设备相比，国产设备价格低，对瓦斯气体的适应性较强(浓度只需大于6%)，结合祥升煤矿瓦斯抽采纯量和浓度等指标，采用国产低浓度瓦斯发电机组。

国产低浓度瓦斯发电机组主要有500 kW、600 kW、700 kW和1 000 kW等规模，通过综合比较，1 000 kW机组的发电电能品质更稳定、系统更可靠、线损和线耗更低，而且在同等发电规模情况下，所需机组数量少、占地面积小、电气及各系统更简洁、施工难度低、工程量少、建设工期短。因此，选用1 000 kW国产低浓度瓦斯发电机组。

根据矿井供热负荷情况，每台发电机组配套1台余热回收装置，回收机组排出的高温烟气余热，供电厂和矿井工业场地等用热。

根据矿井的瓦斯储量、抽采纯量和浓度等基本参数，确定总装机容量为10 MW，建设规模为10×1 000 kW国产低浓度瓦斯发电机组+10×0.7 t/h余热回收装置。

2.2 低浓度瓦斯综合利用的工艺系统

低浓度瓦斯综合利用的工艺系统包括瓦斯输送系统、制冷脱水系统、燃机本体系统和余热利用系统。

1) 瓦斯输送系统。瓦斯浓度在6%～30%范围内，发电机组能安全运行，而管道输送过程中浓度在5%～15%范围内极易发生爆炸。为确保安全，在瓦斯输送管道中加设细水雾输送系统，通过水雾发生器在管道内连续成雾，从而降低瓦斯输送过程的危险性。

2) 制冷脱水系统。由于采用细水雾输送系统，使得输送瓦斯中携带有较多的水雾，从而形成气液两相流，为了不影响发电机组的燃烧效率，满足机组对瓦斯质量的要求，必须在进入发电机组前，除去瓦斯中的水分。

3) 燃机本体系统。燃机本体系统主要包括燃气系统、空气系统、循环冷却水系统、润滑系统和排气系统等。

4) 余热利用系统。余热回收装置回收发电机组尾部高温烟气中的余热，产出的饱和蒸汽除供矿区建筑物采暖及雾化水池防冻外，其余全部进入矿井现有蒸汽供热系统，供矿井用热。

3 社会经济效益分析

3.1 经济效益

矿井低浓度瓦斯发电产生的经济效益主要来源于瓦斯发电和余热回收利用。其中，瓦斯发电机组的年发电量6×107kW·h，年供电量为5.739×107kW·h，直接用于矿井生产、生活的用电负荷；余热回收年供热量为3.87×1 013 J，直接用于矿井建筑采暖、生活热水和井筒供热风。

3.2 社会效益

对于高瓦斯矿井而言，直接排空抽采瓦斯，不仅浪费资源，而且污染大气环境。矿井对抽采瓦斯进行综合利用，实现了节能减排和绿色转型发展，减少了大量瓦斯直接排放造成的环境污染和温室效应，同时保障煤矿安全生产，为高瓦斯矿井提供双电源支撑点，使煤炭资源达到充分的综合利用，具有明显的社会效益。

4 结 语

祥升煤矿以抽采瓦斯的浓度和抽采量等气源条件为基础，结合矿井供电和供热负荷等实际情况，选择采用低浓度瓦斯发电技术进行瓦斯综合利用，不仅为矿井提供了稳定的电源和热源，而且实现了节能减排和绿色转型发展。