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低浓度瓦斯发电在我省煤矿应用的探讨

发布时间:2006-10-27  作者:李德华

    要:瓦斯(也称煤层气)是指伴生在煤中的一种非常规气体,其主要成分是甲烷(CH4.瓦斯具有很强的爆炸性,给煤矿生产带来极大的安全威胁。但是煤层气资源又是不可多得的洁净能源。因此,开发利用好煤层气具有保护全球环境,改善煤矿安全和开发新能源等多重效益。
  关键词:低浓度 瓦斯发电 应用

   

    一、瓦斯基本特征及危害性
   
瓦斯,是赋存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。化学名称叫甲烷。它是一种无色、无臭。无味、易燃、易爆的气体。如果空气中瓦斯的浓度在5.5%上16%时,有明火的情况下就能发生爆炸。瓦斯爆炸会产生高温、高压、冲击波,并放出有毒气体。因此,被称为井工煤矿的第一杀手 据统计,在我国发生的矿难中,13遇难矿工的生命是被瓦斯爆炸夺走的。
   
新中国成立以来全国煤矿共发生一次死亡百人以上的恶性事故22起,死亡3569人。其中,瓦斯事故20起,死亡3335人,分别占90.9%和93.4%。2005年全国煤矿瓦斯事故死亡2171人,占煤矿各类事故死亡人数的36.6%;采取坚决有力的措施治理和利用瓦斯,是保证煤矿安全生产、维护人民群众生命财产安全的重要举措,是一项利国安民的生命工程。为此,国家有关部门下了死命令:煤矿开采之前必须先上瓦斯抽排系统,先抽后采以风定产,以确保矿工的生命安全。
   
近年来,瓦斯的抽放工作取得了一定的成绩,井下瓦斯抽放率得到提高,煤矿的瓦斯事故大幅度下降。但是,由于没有很好的利用手段,抽上来的瓦斯大都排空,对环境造成了严重污染。瓦斯的主要成分甲烷,是杀伤力最大的温室气体,甲烷对温室效应的贡献率是二氧化碳的24.5倍。不仅如此,瓦斯大量排空还造成了惊人的资源浪费。经测算:1立方米瓦斯的热值相当于1.22公斤标煤,可发电3.5千瓦时。我国每年采煤排放的瓦斯在135亿立方米以上,其中可利用量达到80亿立方米左右,折合标煤近1000万吨,每年可发电300多亿千瓦时,瓦斯利用迫在眉睫。
   
二、低浓度瓦斯发电技术在我国推广应用情况
   
瓦斯发电技术应用主要形式:第一种是利用锅炉+蒸汽轮机发电,第二种是燃气轮机+蒸汽轮机发电,第三种是利用燃气内燃机发电。目前,我国大多煤矿都采用燃气内燃机发电。据有关资料介绍,瓦斯作为燃气内燃机发电具有以下特点:
    1
)燃烧排放特性好。由于煤层瓦斯气是以气态形式和空气混合进入发动机气缸,使其容易与空气混合,且混合迅速、均匀。因此燃烧比较充分、完全,从而使排放中的COHCNOX等有害成分大为减少。
    2
)燃烧抗爆燃性能好,工作热效率高。由于瓦斯气和汽油燃料、柴油燃料相比有较高的辛烷值(120),故其抗爆性能好,可用于高压缩比的发动机,再加上气体燃料与空气混合更加均匀,因此这将充分发挥和提高发动机的工作效率。
    3
)混合气发火界限宽。瓦斯气与空气混合具有很宽的发火界限,可在大范围内改变混合比,提供不同成分的可燃混合气。通过采用稀薄燃烧技术可进一步提高发动机的经济性能和环保效益。
    4
)使用性能好。由于瓦斯气是气体燃料,低温起动性及低温运转性能良好,并且气体燃料进入气缸后不会对润滑油产生稀释作用,从而使发动机润滑状况也提高很多,零件磨损进一步降低,发动机故障减少,使用寿命长。
    5
)经济性能好。在燃烧相同质量的燃料时,煤层瓦斯气热值(以有效成分CH4计)比汽油高12.7%,而且从理论空燃比看,一定量的空气所需的瓦斯气比汽油约少16.5%,所以燃用煤层瓦斯气的费用要低廉的多。
    6
)动力性能有所下降。由于瓦斯气燃料本身是气态,当采用缸外预混合方式时,就会占据部分进入气缸的空气流通截面,使发动机充气系数比使用液体燃料大约低10%左右,因此在同一机组上使用瓦斯气燃料将使发动机功率有所下降。
   
瓦斯发电技术推广应用情况
   
瓦斯发电技术在我国由胜利油田胜利动力机械集团(以下简称胜动集团)为主导企业的研究和攻关下,已日趋成熟。胜动集团从1997年在山西晋城首次进入煤矿瓦斯发电领域,先后发明了〈电控燃气混合器〉等十多项具有完全自主知识产权的燃气机控制核心技术,开发了400kW500kW1200kW2000kW煤矿瓦斯发电机组。电控燃气混合器技术可以通过计算机实现控制发动机空燃比闭环控制,适应煤矿瓦斯压力低和浓度的变化现实,发电机组输出功率稳定。瓦斯与空气先混合后增压技术通过利用发动机排余热将瓦斯与空气同时增压,可实现直接应用煤矿抽排瓦斯发电的目的,而不需要额外的瓦斯增压设备。稀燃技术采用新概念预燃室,提高甲烷燃烧速度,降低发动机热负荷,发动机功率和经济性得到提高。TEM-全电子控制技术,对发电机组所有运行参数实行计算机监控。安装了基于GPRS的远程控制系统,可实现远程监控。
   
胜动集团的瓦斯发电技术在全国一些煤矿得到迅速的推广使用,加快了利用瓦斯发电的推进速度。胜动集团原开发的均是高浓度(瓦斯浓度含量>25%)瓦斯发电机组。在解决了煤矿瓦斯发电的关键技术(电控燃气混合器技术、全电子管理控制技术、稀燃技术、煤矿瓦斯发电机组专用阻火器)后,低浓度瓦斯发电技术在全国得到了快速的推广应用。低浓度瓦斯发电机组与高浓度瓦斯发电机组原理基本一致。这主要是瓦斯发电机组发电原理是采用瓦斯爆炸而不是瓦斯燃烧做功发电。所有进入发电机做功的瓦斯含量在5—15%即可,所有浓度的瓦斯在进入爆炸室前都由电子计算机控制自动调整瓦斯含量以达到爆炸所需浓度。所不同之处是为保证安全,在采用低浓度瓦斯发电时,在瓦斯输送管道上和发电机组前要设置细水雾化输送系统、干式阻火器、湿式阻火器等设施,以防止因在发电时引起瓦斯爆炸而顺管道回爆,导致瓦斯抽放泵站的损坏。这方面的技术,已由胜动集团研制成功并已投入使用。其中细水雾化输送系统已于200512月通过了国家安全生产总局组织的技术鉴定。
   
目前低浓度瓦斯发电技术已在我国许多煤矿广泛使用:北到东三省,中到河南、安徽、江西,南到重庆、贵州,共有70多个发电站在13个产煤省在使用,日发电量达到350万千瓦时,一年下用掉瓦斯4亿立方米,可以替代50万吨标准煤。 其中贵州水城大湾煤矿通过在瓦斯发电站总进气管上增加水封式阻火器和19个雾化装置,在每台发电机组上增加1个旋风式分离器和7个阻火器,使发电机组在瓦斯浓度达到8%以上时即可以开机发电。现有瓦斯发电机组16台,装机容量为8000kw16台*500kw/台),发电效率在80%左右。在其发电机尾气排放处设立了余热回收装置烧水,解决了全矿职工家属洗澡用水问题,
   
三、我省瓦斯含量及部分煤矿瓦斯抽放情况
   
我国陆上埋深2000米以浅的煤层瓦斯资源量为31.46万亿立方米,主要分布于24个省区,山西、贵州、新疆、陕西、内蒙、甘肃、川黔滇边界、两淮等地区最丰富。到2004年底,已陆续探明瓦斯储量1023亿立方米。我省2000米以浅的瓦斯资源量为4460亿立方米,主要分布在恩洪、圭山煤田。其中:恩洪煤田瓦斯资源量为613亿立方米,镇雄煤田瓦斯资源量为822亿立方米,圭山煤田瓦斯资源量为2543亿立方米。如此大量的瓦斯,给煤矿的生产带来了极大的安全隐患,也给瓦斯的综合利用创造了更大的空间。为保证煤矿的安全生产,东源煤业集团下属的几个矿井都进行了瓦斯的抽放工作。具体情况是:
    1
、东源集团田坝煤矿二号井是煤与瓦斯突出矿井。

根据2005年矿井瓦斯等级鉴定结果,二号井瓦斯相对涌出量为60.274m3/t,瓦斯绝对涌出量为36.918m3/t。根据重庆煤炭科学研究院提供的资料,二号井瓦斯地质储量为14.7亿立方米(含所有煤层和岩石的瓦斯含量)。其中,K9煤层的透气性系数为1.0432m2/Mpa2.d,瓦斯流量衰减系数为0.0433d-1, 属于可抽放煤层。二号井瓦斯抽放系统与2001年建成,瓦斯泵型号为2BEC52两台,配套电机功率250kw,其中一台备用。单台抽放流量为120—150m3/min。现在采用的抽放方式主要有;一是开采层采动卸压抽放(使用效果不佳)、二是工作面上隅角采空区尾巷密封抽放、三是工作面顶板高位巷密闭抽放。现在矿井瓦斯抽放系统流量为150m3min,瓦斯抽放浓度15—20%,平均为17.5%,最高达30%。排空的纯瓦斯量达26.25m3/min.日排空量达3.78m3 2005年实际抽放(排空)瓦斯1159m3(纯量),矿井瓦斯抽放效率达42.73%。
    2
、据云南煤田地质局提供的资料,恩洪煤田煤层气预测资源量为600—670亿立方米(老书桌区块20.22亿立方米,清水沟区块35.45亿立方米)。根据目前东源集团所拥有的煤炭资源和将整合的煤炭资源情况,恩洪矿区瓦斯资源量分为四个块段。
   
(一) 东源恩洪煤矿
   
恩洪煤矿是东源集团的一个骨干矿井。现生产的二号井属煤与瓦斯突出矿井,2005年瓦斯鉴定结果;相对瓦斯涌出量为40.3m3/t,绝对瓦斯涌出量为29.76m3/min。根据地质资料及矿井在生产过程中实测瓦斯含量分析。C9煤层相对瓦斯等值线分别为:开采深度100—200米时相对瓦斯涌出量为15—30m3/t,开采深度200—300米时相对瓦斯涌出量为45—80m3/t,开采深度300米时相对瓦斯涌出量为80—1003m/t.据重庆煤科院1988年实测,309工作面钻孔瓦斯自然涌出量为46L/min,百米钻孔初始流量为0.332m3/min。瓦斯抽放可行性指标属可抽放煤层。
   
据地质资料提供和生产过程掌握分析,矿井可开采的C8—C16九层煤中共有瓦斯储量18.25亿立方米。
恩洪煤矿1980年就建立了简易瓦斯抽放系统,2002年对系统进行了改造,设备为2BEC52型两台。现瓦斯抽放方式主要是采空区上隅角抽放,形式较为单一。瓦斯抽放浓度为6—20%。2005年实际抽放瓦斯384万立方米(纯瓦斯量)。2006年预计瓦斯抽放量将达到1000万立方米。
   
(二) 清水沟矿井
   
清水沟矿井矿井设计生产能力60万吨,预计2007年投产。煤的保有储量16806.9万吨。根据目前的掘进情况及相邻恩洪煤矿、瓦斯地质报告提供资料分析,清水沟矿井11井田瓦斯蕴藏量约15.63亿立方米。14井田瓦斯蕴藏量约13.51亿立方米。合计29.14亿立方米。清水沟矿井将于2006年投产,同时也将建立瓦斯抽放系统,其瓦斯抽放量相当于恩洪煤矿。
   
(三) 老书桌矿井
   
老书桌矿井设计生产能力45万吨/年,煤的保有储量6944.86万吨。按地质报告提供的瓦斯含量分析,瓦斯蕴藏量约8.88亿立方米。
   
(四) 煤炭坡矿井
   
煤炭坡矿井设计生产能力45万吨/年,煤的保有储量7928.18万吨。按地质报告提供的瓦斯含量分析,瓦斯蕴藏量约4.5亿立方米。由此可见,我省瓦斯资源量是十分丰富的,对其进行开发与综合是值得我们关注的。而当前比较成熟和可行的项目就是瓦斯发电技术的使用。
    
东源煤业集团的田坝、恩洪、羊场煤矿均建有矿井瓦斯抽放系统,现每年抽放后向大气层排放的瓦斯约2000万立方米。既污染了环境,又浪费了资源。为提高瓦斯的综合利用,减少对大气环境的污染,节约能源。建议加快瓦斯综合利用的速度。
   
从目前田坝、恩洪煤矿的瓦斯抽放数量和质量来看,完全可以建立两套低浓度瓦斯发电系统。今年3月我曾带领相关人员到贵州进行了现场考察。掌握的资料证明,低浓度瓦斯发电技术完全可以在我省推广应用。建议先在田坝、恩洪煤矿建设国家鼓励的科技项目——燃气电控混合器为核心技术开发的矿井瓦斯发电机组,经考察调研,宜采用山东胜动集团生产的 500GFI—3RW机组。该瓦斯发电机组是胜动集团较成功的机型,普偏被煤矿采用,而且电站建设成本降低,据测算,每台机组售价为140万元左右,加上15%的土建费用,每千瓦投资为3220元。预计投资回收期为1.24年。若在加上引入清洁能源机制的CDM项目,相信能获得更多的效益。在总结上属两套机组运行的基层上,迅速在省内条件适应的其他煤矿推开使用。
   
我们必须清醒的认识到,煤层气(瓦斯)的防治工作和综合利用工作是相互促进的,瓦斯防治工作做好了,综合利用才会有效果。反之,综合利用的效果又将促进瓦斯防治工作。只要将二者有机的结合起来,我省瓦斯治理和综合利用工作必将取得成绩。



本文作者; 李德华 中国矿业大学毕业 采矿高级工程师 现任云南煤化工集团副总工程师 0871—3327144

参考文献: 《煤矿通风与安全》 许瑞祯、上官波等
《全国煤矿瓦斯治理与综合利用会议》 2006
《煤矿瓦斯防治工作》 国家煤矿瓦斯防治小组
《国务院办公厅关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采用的若干意见》


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