瓦斯发电技术与节能减排探究

2020-02-17申建祥唐文杰

山西冶金 2020年4期

申建祥，唐文杰

（1.潞安集团瓦斯研究院，山西长治046202；2.山西潞安矿业（集团）有限责任公司瓦斯研究院，山西长治046000）

瓦斯发电是一种新能源发电技术，其主要是借助瓦斯燃烧来将热能转化为电能。作为一种新兴的新能源发电技术，在节能减排和环境的保护等方面发挥着重要作用，对发电产业的发展以及能源的利用等意义重大。

1 瓦斯发电发展概述

瓦斯是一种非常规的天然气体类型，主要是煤矿采煤过程所散发有害的气体，其主要的成分是甲烷，具有无色、无味、易爆和易燃等特点。如果空气内甲烷的浓度（体积分数）在10%时，再遇到明火就易出现爆炸，但也是一种具有高利用价值的洁净性能源。在传统的瓦斯发电中，主要是借助燃气轮机进行发电，对瓦斯进行加压，在高温加压的状态下达到爆炸上限。一般来说，燃气轮机在发电中对瓦斯的浓度要求比较高，这对压缩设备其压缩量和功耗会增加。而在内燃机的瓦斯发电出现后，则超过30%浓度（体积分数）的瓦斯实现了使用，现阶段内燃机的瓦斯发电逐渐得到了市场广泛使用，同时随着对新能源不断的开发，则内燃机的发电机组也对瓦斯的浓度具有更好的适应性，其机组单机的容量逐渐发生增大，且自动化的水平也逐渐提高[1]。

2 瓦斯发电技术的应用

2.1 燃气轮机瓦斯发电

煤层上直接进行瓦斯气的钻孔开采，则甲烷的浓度比较高，且危险系数也比较低，能够通过加压罐装进行运输，也能够通过远距离管道进行输送。

对于燃气轮机来说，其是将空气和燃气当作工质的一种旋转式发动机，是由飞机中喷气式的发动机逐渐演变的，主要包括燃气轮机、压气机和燃烧室三部分结构。其工作原理主要是叶轮式的压缩机先从外部进行对空气的吸收，再压缩后送到燃烧室内，并且气体燃料也同时喷入到燃烧室内，和高温压缩的空气进行混合，在定压条件下燃烧。后生成高温高压的烟气，进入到燃气轮机内膨胀进行做功，来推动动力叶片发生高速旋转，从而对发电机实现驱动发电[2]。

2.2 内燃机瓦斯发电

瓦斯发电技术的不断发展，逐渐出现了内燃机的瓦斯发电技术，此技术具有启动时间短、燃气的供气压力比较低、发电效率高、系统简单和运行灵活等特点，同时还可以通过设置余热锅炉和蒸汽轮机进行联合发电。尽管系统比较复杂，但有效地提升了燃气利用的效率。

对于内燃机瓦斯发电机组来说，发电的原理主要是空气通过滤清器过滤后，进入到涡轮增压器进行增压，再导入到内燃机的气缸混合器内，且瓦斯通过压力的调节阀后进入到混合器内，两者发生混合；借助电子点火进行爆燃做功，来推动活塞移动以及曲轴转动，所产生的动力带动发电机工作；再通过发电机把动能转换电能；最后通过输变电装置完成电能的输出。一般为了确保内燃机以及发电机等两大主机能够正常运行，还需要进行电气系统、燃气储存系统、加压与处理系统和循环冷却系统等一些辅助性系统配置[3]。

2.3 乏风瓦斯发电

在进行煤炭的开采中，要使工作人员呼吸到新鲜的空气，需要朝井下进行传送清洁空气。此时由井下通风位置所排废气内就存在微量的瓦斯，容易导致大气污染以及能源浪费。而乏风瓦斯的发电就是把瓦斯浓度超过0.2%乏风向氧化器内置入，并实施燃烧，通过燃烧的能量进行瓦斯销毁，同时借助燃烧产生的余热进行热水制取，并实现汽轮机发电。

3 瓦斯发电技术的节能减排

3.1 瓦斯预处理

在瓦斯发电技术使用中，瓦斯的预处理是重要的环节。瓦斯内往往含有很多水分、粉尘、硅氧烷和硫化物等复杂性的气体，通过瓦斯预处理就能够对其实施有效地净化。完成处理后，将其输送到内燃发电机内实施发电。在瓦斯预处理中，先要把瓦斯放在除湿性过滤器内实施脱水处理，将气体内水分降低；再借助过滤功能将气体内一些粉尘进行处理，接着将瓦斯放在罗茨的风机内，对气体实施加压处理；再使用冷却器冷冻的功能将气体内有害气体实施冷凝，达到脱硫的目的；最后使用精密性过滤器，将气体实施较为精密性的过滤处理，后输送至内燃发电机内实施发电。在瓦斯预处理中，其系统内一般具备自动化稳压功能，能够对内燃发电机内供气压力进行稳定。在此系统内还具备气体温度调节装置和风机超压保护性装置，从而保证气体温度和压力满足内燃机的实际要求[4]。

3.2 余热回收

在瓦斯内甲烷的含量超过30%时，则内燃发电机方可实现正常性工作。在瓦斯燃烧时，其内燃发动机排出烟气的温度一般会超过400℃。若将此类烟气直接性向外排放，不仅对周围环境造成污染，还导致这些烟气热能浪费，因此在瓦斯发电技术中就进行了余热回收系统的设置。通过余热回收系统，借助余热锅炉能对部分热量实现回收，后再将内燃机内排出的余热产生蒸汽，从而借助这些蒸汽提供生活和生产需要，最后再将换热后的气体接排放到大气内，实现了节能环保的目的。

3.3 控制进入发电机前瓦斯气体的浓度和气量

在瓦斯发电时，如果瓦斯浓度或者气流量出现减少时，发电机组的转速和发出的电能频率就会降低，甚至可能会导致内燃机出现失速和停机现象。如果瓦斯浓度或者气流量出现持续性增大，会增加发电机组的转速，实现发出电能频率提升[5]。但如果瓦斯气量以及浓度增大，还会导致其燃烧效率下降，进而导致能源浪费。因此这就需要做好对瓦斯浓度以及流量的合理控制，通过对瓦斯参数的测定，来进行DCS的控制平台和线性控制的策略制定，从而对瓦斯的气量以及浓度实施调节，达到节能减排的效果。