622023.06.DQGYCHINAELECTRICALEQUIPMENTINDUSTRYPRODVCTANDTECHNIC产品与技术低浓度瓦斯发电技术及应用吕旭峰（贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司）摘要：作为瓦斯开发利用的新兴技术，低浓度瓦斯发电技术直接影响到煤矿的安全生产、能源利用及环境保护等。本文以某煤矿为例，详细阐述低浓度瓦斯发电技术的发电原理、关键技术，针对该煤矿瓦斯抽排的具体状况，提出低浓度瓦斯发电技术应用方案，深入分析低浓度瓦斯专用防爆配套装置、细水雾输送技术等，促进燃气发电机组运行的安全性及稳定性。实践表明，有效应用低浓度瓦斯发电技术，能够带来一定的社会及经济效益，保护生态环境，提高煤矿生产安全性，具有广泛推广及应用价值。关键词：低浓度瓦斯；发电技术；经济效益；发电机组0引言瓦斯也叫作煤层气，按照当前有关规定，瓦斯的浓度低于25%则为低浓度瓦斯，一旦遇到明火，极易发生爆炸的现象，对其抽采及运输的安全造成极大威胁，在开采煤炭时，如果抽采不及时或者不能够确保通风顺畅，就会发生安全事故。由于瓦斯的抽放量及浓度具有较大波动性特征，因此，瓦斯的利用率通常都较低，其中，直接排放到大气当中的瓦斯较多，严重破坏生态环境。基于此，本文以某煤矿为研究案例，深入分析低浓度瓦斯发电技术在该煤矿中的具体应用。1低浓度瓦斯发电技术概述1.1发电原理瓦斯浓度低于30%时，能够利用水环式抽采泵在地下煤层进行抽采，继而利用安全可靠的输送管道将其运输到发电机组缸体当中，在缸体中利用点燃爆炸从而实现活塞运动，以此有效将化学能转化成为机械能，最终形成相应的电能。根据这一原理，通常发电站、发电系统的构成主要包括监控系统、水雾输送系统、高低压电器系统、冷却水循环系统、气体输送系统，主要采取全垫资控制技术对发电过程进行全方位的监控。1.2关键技术在应用低浓度瓦斯发电技术的具体实践当中，为确保其发电过程的顺利开展，就必须要有效利用各种核心技术，主要有瓦斯和空气混合增压技术、电控燃气混合技术、阻火技术等。在机组系统当中，气体安全传输及系统安全运行至关重要，所以，必须要充分保障阻火器的安全性及可靠性，根据实际情况在各个部位配置相应类型的阻火器，包括机组进气总管、发电站总进气管、进气管调速节气门间、混合器前端燃632023.06.DQGYCHINAELECTRICALEQUIPMENTINDUSTRYPRODVCTANDTECHNIC产品与技术气管线等。同时，在输送瓦斯的过程当中，在确保输送管道安全性的基础上，还要根据输送管道的实际长度及输送瓦斯的具体规模，在当中安装相应的细水雾输送装置。所谓的电控燃气混合器技术，实际上也就是充分利用电子控制技术，对混合气的混合比及空燃比进行有效调节的一种技术。所谓的瓦斯与空气混合增压技术，指的是通过中冷器及增压器，有效改善瓦斯空气混合效果及比例，从而增强发电机的功率，使其热负荷大大降低。2低浓度瓦斯发电技术应用案例分析以某煤矿为研究案例，分析低浓度瓦斯发电技术在该煤矿中的应用。该煤矿为煤和瓦斯突出矿井，为Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘易爆炸，其核定生产能力为0.6Mt/a，二1煤层为主采煤层，保护层为一5煤层。其瓦斯相对涌出量达到10.82m3/t，绝对涌出量达到9.33m3/min，至2022年12月为止，该煤矿所抽放的瓦斯总量达到133万m3。从抽放瓦斯至今，抽放的所有瓦斯都是排放到大气当中，导致大量洁净能源被浪费，且污染大气环境。在这种情况下，为使瓦斯能源得到充分的利用，深入研究瓦斯发电技术，其能够对矿井的洁净能源进行充分的利用，同时，还能够为瓦斯利用提供新的思路，使煤矿企业更加积极主动地抽放瓦斯，有效提升煤矿生产的安全性。2.1某煤矿瓦斯抽放现状当前，某煤矿两种型号共4台水环式真空瓦斯抽放泵，即2BEC-42型号的有2台，其功率为160kW，额定流量达到90m3/min，抽放形式为高负压；2BEF3-50型号的有2台，其功率为220kW，额定流动达到190m3/min，抽放形式为低负压。在确保安全生产规范及要求的基础上，该矿的泵站瓦斯抽采能力达到了矿井瓦斯抽采量的要求，采用螺旋管作为抽采管路，设置1条管径300mm和1条400mm的抽采诸管路。自从该煤矿设置了抽放系统至今，其每年的抽放总量都超过900000m3，不过，大部分浓度都在5%以下。自2020年至今，该煤矿的平地抽放管路瓦斯浓度始终保持在7%~12%之间。2.2低浓度瓦斯发电技术应用方案2.2.1低瓦斯发电技术应用方案针对该煤矿具体瓦斯抽排状况，设计低浓度瓦斯发电技术应用方案。为满足输送的安全可靠性，主要采取低浓度瓦斯细水雾输送、燃气空气混合以及专用防爆配套装置等技术，保障燃气发电机组运行的稳定性及安全性。首先对发动机进行混合，继而进行增压，在这种方式下，气体在经过混合之后，其浓度不受到瓦斯进气浓度变化的影响，一旦瓦斯浓度发生变化，计算机会及时分析具体的运行参数，并做出准确的判断，根据得出的结果对混合气进行相应的调节，改变瓦斯和空气混合比。若瓦斯浓度过低，需要增加瓦斯供应量，并减少空气供应量，若瓦斯浓度过高，需要增加空气供应量，减少瓦斯供应量，以此确保不同浓度的气源在通过混合气之后的混合气浓度的稳定性。在这种发动机方式下，降低了瓦斯气的压力要求，也不用额外的增压设备进行辅助，就能够保障其正常的使用。2.2.2瓦斯发电机组的构造瓦斯发电机组燃气发动机的工作模式及系统主要包括进气、做功、循环、动力输出、控制、润滑等。采用四冲程式的瓦斯发电机组，包括空气中冷、增压、水冷、火花塞点火，其增压器为前混合式，在利用增压器前混合瓦斯气和空气的基础上，通过增压器对其进行增压，再通过中冷器进行冷却，并输送到气缸当中，在火花塞点火之后，让瓦斯发生爆炸燃烧，使其产生热能，再利用曲轴将其转化成为机械能，最终使发电机正常运行。瓦斯发电机组的性能指标如下表所示。642023.06.DQGYCHINAELECTRICALEQUIPMENTINDUSTRYPRODVCTANDTECHNIC产品与技术类型性能指标机组型号LH-500GFW2发电机型号G12V190ZLD额定功率500kW额定频率50Hz额定转速1000r/min额定电压400V总排量11295L冷却方式闭式启动方式24V电启动表瓦斯发电机组的主要性能指标情况2.3低浓度瓦斯发电技术的优化为提升瓦斯发电效率，充分应用以下技术优化发电机组，主要包括：1）水封阻火技术。将水封阻火技术应用于煤矿瓦斯管道输送系统当中，煤矿在抽放瓦斯的过程当中，一旦出现爆炸事故，能够对爆炸冲击波进行有效的抵抗，保护抽放系统的安全，同时，还能够有效防止爆炸所形成的火焰进入到井下当中，最大程度降低事故所带来的损失。2）金属波纹带式瓦斯专用阻火技术。防爆阻火器能够对火焰所导致的爆炸进行有效的防范及阻止，其阻火层一般都是由不锈钢等材料所制成，主要为波纹形，气体的性质、阻止火焰的速度直接关系到波纹的实际大小。阻火层的组成形式主要有两种，其一是在中心轴上面，利用平板及波纹薄板进行相互缠绕，从而形成三角形状的孔隙阻火层，其二是利用两块薄板材料，将其折叠成为两个相反方向的波纹型，波纹中存在着大量的通道及小孔隙，确保火焰畅通。一般所采用的波纹薄板厚0.1~0.3mm，而波纹高度通常受到火焰速度的直接影响。3）细水雾与煤矿低浓度瓦斯混合输送技术。将该技术应用于煤矿低浓度瓦斯安全输送装置当中，从而在管道当中，实现煤矿低浓度瓦斯和细水雾全过程的混合输送，以此避免煤矿低浓度瓦斯输送管道中出现火源的现象，并对阻止火焰的扩散。4）汽水分离循环使用技术。通过该技术的应用，可以在输送装置尾部分离瓦斯当中的游离水分。5）瓦斯管路电动放散装置。通过应用该技术，在瓦斯发电时，一旦发电机组发生意外导致停机的情况下，可以确保及时地达到电动一键启动的目的。2.4低浓度瓦斯发电技术在某煤矿中的应用效益1）经济效益。目前，某煤矿发电站配置的发电机组数量为4台，每台功率为500kW，具有发电能力的为2台，根据2.5m3/min的纯量有1台已开机。当保护层的开采纯量为5m3/min之后，则将其中的2台机组启动，就能够使发电量达到800kWh。现阶段，652023.06.DQGYCHINAELECTRICALEQUIPMENTINDUSTRYPRODVCTANDTECHNIC产品与技术某煤矿发电站每月发电量超过了22万kWh，每年发电量超过了220万kWh。按照0.7元/kWh的电费进行计算，平均每年为煤矿带来的经济效益达到了154万元以上。2）社会效益。若直接排放瓦斯气体于大气中，将破坏大气环境，所带来的温室效应远超二氧化碳，严重损害臭氧层。当前，某煤矿所抽采的煤层气浓度约为12%，以平均每日50万m3的低浓度瓦斯消耗为标准，除去维护日等时间，按每年330天计算，则平均每年所消耗的低浓度瓦斯16500万m3，大大降低了瓦斯直接排放所带来的温室效应，具有极大的社会效益。因为受到技术的制约，低浓度瓦斯发电机功率基本都不超过1000kW，并且，由于低浓度瓦斯的压力及浓度具有较大波动性的特征，导致其自动化程度不足，因此，未来要重点研究低浓度瓦斯发电效率的提升路径。某煤矿在应用低浓度瓦斯发电技术的过程当中，在采用燃气内燃机发电机之后，具有较好的抗爆燃性，能够充分燃烧瓦斯，大大降低了有害气体的排放量，不过，机组的维修及保养较为繁杂。3结束语通过研究及实践表明，某煤矿根据所抽采的瓦斯浓度及数量等，针对矿井的具体状况，有效应用低浓度瓦斯发电技术，在为煤矿提供稳定电源及热源的同时，还达到节能减排的目的，促进煤矿绿色转型发展的进程，并且带来巨大的经济效益及社会效益，对保护大气环境也具有极大的积极作用，具有广泛推广应用价值。参考文献[1][2][3][4][5][6]韦文锋.低浓度瓦斯发电技术及应用研究[J].百科论坛电子杂志，2019（13）：238.廉常军.小型煤矿低浓度瓦斯发电技术及应用效果研究[J].能源与环保，2020，42（3）：96-99.王辉.低浓度瓦斯发电技术及其应用探讨[J].科学与财富，2018（30）：111.麻磊.低浓度瓦斯发电气体预处理工艺选择及应用效果分析[J].山西化工，2022，42（3）：102-103.李朋.低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望[J].建筑工程技术与设计，2017（6）：2466.梁立志.低浓度瓦斯发电技术研究现状分析[J].山西化工，2022，42（3）：47-48.（收稿日期：2023-02-28）