从瓦斯发电探析煤矿瓦斯利用的新途径

华晋焦煤有限责任公司电力分公司 胡建荣

1 引言

煤矿瓦斯发电是指利用煤矿采空区、封闭的巷道或采煤工作面采空区的瓦斯，经过预抽后，在矿井内利用空气压缩机或水煤浆燃烧器等设备，将瓦斯由高浓度压缩成低浓度、高密度的可燃气体，然后通过燃烧器将可燃气体与空气混合燃烧，从而产生电力。瓦斯发电是一项既环保又高效的能源利用技术，具有极高的利用价值，可以作为一种清洁能源进行开发和利用。瓦斯中甲烷占总含量的99.5%以上。

在煤矿生产中，因煤层赋存条件不同而产生不同的瓦斯含量，并且随着开采深度的增加，其含量也相应增加。同时，由于煤层中存在着许多裂隙、断层和构造裂隙等发育带，在一定条件下会使煤层中的瓦斯含量增多。据统计分析我国目前已探明的煤炭储量中约有30%为瓦斯含量高的煤；若将全国煤矿瓦斯抽采量按50%计算，每年至少可提取煤炭资源总量的50%。我国现有煤矿213万处，产能10.7亿t/年，年产量4.6亿t。据有关部门估算目前全国煤矿累计开采煤层中煤炭平均含瓦斯1.13kg/m3；煤层中瓦斯含量在2%～5%，以1m3煤为例，按煤层瓦斯含量10%计算，则每年约有9000万t～1亿t 以上的煤被开采出来[1-2]。

2 煤矿概况

华晋焦煤电力公司发电业务主要为原华晋焦煤有限责任公司瓦斯发电厂所辖业务，主要负责发电一期、发电二期、管网工区三个工区生产运行，并负责监管白家坡低浓度瓦斯发电站和高家山低浓瓦斯发电站的安全管理，建设规模见表1。

3 煤矿瓦斯发电利用优势

3.1 节约能源，保护环境

与火力发电厂相比，瓦斯发电具有明显的节约能源，保护环境作用。

首先，从瓦斯的来源上看，由于我国煤炭资源赋存条件复杂、煤种分布不均、煤层透气性差等因素的影响，煤矿瓦斯形成过程中存在着较多地质灾害。瓦斯中含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等多种成分。利用煤矿瓦斯发电，一方面可以防止甲烷等有害气体泄漏造成的环境污染和爆炸事故，另一方面可以有效地对煤系地层瓦斯进行利用，在开采过程中通过抽采处理后排放到大气中。

其次，从煤矿瓦斯的特性上看，煤炭是一种不可再生资源，其开采过程中会产生大量的废弃煤系地层瓦斯。煤矿井下的采空区、封闭巷道或采煤工作面采空区内都存在大量的采空区煤层和煤尘。这些煤层和煤尘中蕴含着大量的甲烷气体，对环境有较大的危害。然而利用煤矿瓦斯发电，不仅可以实现煤矿采空区甲烷气体有效利用，而且可以有效地减少煤矿井下废弃煤系地层中甲烷气体对环境和周边居民的影响。

据统计，我国每年因煤炭开采所释放出来的煤炭热量占全国总热量排放总量的10% 左右。同时，由于瓦斯燃烧热值只有空气燃烧热值的60% 左右（一般为10%～30%）。有关资料显示目前我国煤矿井下排放出来的甲烷约占全国甲烷排放总量的1/3左右[3]。如果采用煤矿瓦斯发电技术替代燃煤发电技术，其所产生的能源利用率可以提高到75%～85% 左右，这对于解决煤炭资源短缺和环境污染问题具有重要的意义。

3.2 节能减排，提高能源利用效率

瓦斯是一种可燃气体，在空气中浓度为10%～20%时，遇火源即可燃烧，爆炸极限为5%～15%。在开采过程中，由矿井内的瓦斯被抽放后，储存于封闭的巷道内或采空区中，经抽放后成为低浓度瓦斯。煤矿瓦斯含有较多的甲烷、二氧化碳等温室气体和其他有害气体，含量高达90%以上。当煤矿瓦斯浓度达到10%时，遇火源即可发生爆炸。煤矿瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷热值为4700～5100kcal/kg，相当于标煤的发热量，是煤炭的2～3倍。

据测算，我国每年约有3亿t 煤炭因矿井瓦斯泄漏而被污染，排放的污染物中，含有二氧化硫、氮氧化物和粉尘等有害物质超过10万t，产生的温室气体二氧化碳占到了温室气体排放总量的40% 以上，如果对煤矿瓦斯进行回收利用，每年可减少二氧化碳排放量约280万t[4]。经测定，每产生1kg 甲烷（CH4）所放出的热量为71.85cal，将这些热量进行回收利用，其发电量可达1kWh，如利用煤矿瓦斯发电一年发电量约1100万kWh。煤矿瓦斯发电技术已基本成熟，机组热效率可达35%～40%，可以实现能源梯级利用和循环经济的目标，采用煤矿瓦斯发电技术还可以减少污染物排放，减少温室气体排放和空气污染。瓦斯排放后不会对大气环境造成影响，煤的燃烧过程会释放多种有害气体和粒子，如二氧化硫、氮氧化物和粉尘，这些物质对环境造成严重污染。

相比之下，煤矿瓦斯发电过程中，主要排放的是二氧化碳，虽然其是一种温室气体，但与煤燃烧产生的其他有害气体相比，其对环境的直接毒性影响较小。通过先进的瓦斯发电技术，可以将煤矿瓦斯转化为电能，这不仅减少了煤炭燃烧产生的有害排放，也提高了能源利用的效率。此外，将瓦斯转化为能源还有助于减少温室气体的排放，对抗气候变化。因此，煤矿瓦斯发电是一种具有显著环境和社会效益的能源解决方案，有助于节约能源，提高能源利用效率，改善生态环境。

3.3 转型之路：煤矿瓦斯发电对提升安全与劳动条件的影响

瓦斯作为一种重要的工业气体，在煤矿井下广泛存在，利用煤矿瓦斯发电，既能够提高煤矿的经济效益，又能够降低对环境的污染。瓦斯发电必须选择高技术含量的设备和高质量的辅助设备，并保证生产过程中的安全。目前我国煤矿开采普遍采用小煤柱回采工艺，工作面回采速度较快，采空区内大量存在瓦斯。

据不完全统计，我国每年开采煤柱面积达1000万t 以上，占煤炭总产量的5%以上。开采煤柱造成瓦斯涌出量的增加，且大部分矿井采用“一进一回”方式开采。因此，煤柱抽放是当前煤矿安全生产中的重要环节。通过煤柱抽放使采空区内的瓦斯被释放出来，利用瓦斯发电设备将瓦斯经压缩、冷却、除尘、燃烧等处理后转化为洁净可利用的电能。另外由于煤矿开采煤层一般较厚，导致煤层瓦斯涌出量增加，一般在0.5m3/t 以上，如果采用抽放后利用瓦斯发电方式将大大减少矿井涌水量[5]。煤矿瓦斯发电后减少了粉尘排放，降低了有害气体排放对环境造成的污染。因此，煤矿瓦斯发电是煤矿安全生产和劳动条件改善的有效途径。

4 煤矿瓦斯发电利用

4.1 瓦斯设备性能参数

该煤矿装备的瓦斯利用装备性能见表2。

表2 瓦斯设备性能参数

4.2 瓦斯抽放状况

华晋焦煤电力公司瓦斯抽放泵站正在进行改造，依据华晋焦煤电力公司供应的瓦斯抽放设计资料，至矿井最低开采深度+1000m 标高时，设计瓦斯抽放量为3480m³/min。

4.3 应用效益

2022年1～12月电力分公司发电量、供电量、瓦斯消耗情况及厂用电率见表3。

表3 利用情况

5 结语

综上所述，煤矿瓦斯发电的原理是利用瓦斯中含有的甲烷、二氧化碳、水蒸气等可燃气体燃烧后产生的热能带动发电机组发电，同时可以将其排放的废热加以利用。瓦斯燃烧产生的热能可转化为机械能，再由机械能推动发电机发电，从而实现能量循环。煤矿瓦斯发电作为一种清洁能源，具有较高的社会效益。本文得出的结论如下。

一是煤炭开采过程中产生的瓦斯主要成分是甲烷，是一种可燃气体。如果能够将瓦斯加以利用，就可以减少对煤炭资源的浪费。同时，由于煤矿瓦斯是一种清洁能源，可以减少对大气环境的污染。二是煤矿瓦斯发电作为一种环保能源，可以减少因煤矿瓦斯燃烧而产生的温室效应，提升了总发电量15.9%。三是煤矿瓦斯发电可以增加就业岗位。利用煤矿瓦斯发电企业是一个高科技产业，其工作环境好，工作时间长，可以吸纳大量的劳动力就业。四是煤矿瓦斯发电企业利用瓦斯发电过程中产生的余热可以为附近居民提供生活热水和采暖。