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低浓度瓦斯发电技术研究现状分析矿井瓦斯来源主要有地面煤层气井、井下瓦斯抽 采系统以及矿井风排瓦斯，矿井排放瓦斯中约有 70% 以上为低浓度瓦斯。若实现低浓度瓦斯利用不仅可降低温室气体排放量而且可满足矿井部分电力需要，提升矿井综合经济效益。本文对矿井低浓度瓦斯发电技术研究现状进行综合探讨，以期为在一定程度上促进低浓度瓦斯发电技术进步并为矿井低浓度瓦斯高效利用提供指导。 1 低瓦斯发电技术现状分析 现阶段矿井低浓度瓦斯多通过内燃机、氧化发电以及燃气轮机组发电[ 4]。矿井高负压瓦斯抽采系统以及地面煤层气井抽采瓦斯浓度一般在 30%以上，可通过高浓度内燃机或者小型燃气轮机发电；低负压瓦斯抽采系统瓦斯浓度相对较低，一般在 30%以内，主要使用低浓度内燃机发电；通风系统乏风瓦斯浓度多在1%以内，瓦斯利用主要是将乏风与低浓度瓦斯混合， 混合气体依次通过热逆流反应器、催化氧化反应器等 通过氧化发电。 1.1 内燃机发电 矿井瓦斯抽采压力、浓度等有一定变化，为实现瓦斯浓度始终在合理范围内，一般使用中央控制器控制空气进气量以及瓦斯进气量，确保混合后瓦斯浓度在 6%，以便使得内燃机处于理想工作状态。内燃机发电使用的空燃比自动调节技术可将高流量、低浓度瓦斯与空气混合实现低浓度瓦斯发电。由于低浓度瓦斯处于瓦斯爆炸范围（5%~16%）内，因此采用水封阻火泄爆技术、自动阻爆技术等实现瓦斯安全输送，同时在短时间内熄灭瓦斯输送管道内的爆炸火焰。 1.2 燃气轮机发电 燃气轮机发电关键点在于提升燃气初始温度，已有研究成果表明，燃气温度每增加 100 ℃，燃气轮机发电效率即可提升 2%以上。通过使用先进冷却技术可将燃气进口温度增加至 500 ℃~800 ℃，从而将单循环燃气机轮发电效率提升至40%以上。燃气轮机使用低浓度瓦斯发电时，要确保相同输出功率需要大流量高浓度瓦斯，燃气轮机运行工况变化会导致压气机与透平间运行不协调，出现运行效率降低、透平温度增加，严重时甚至导致燃气轮机出现停机事故。若需要确保低浓度瓦斯在燃机轮机燃烧室内平稳燃烧，需要针对性对燃气室内部结构进行改进。 1.3 氧化发电 当低浓度瓦斯浓度无法满足内燃机组发电需要时，可使用氧化发电技术进行发电。一般情况下将矿井乏风以及低负压系统瓦斯混合，后再进行蓄热发电，具体蓄热燃烧包括 RCO（蓄热式催化氧化）、RTO （蓄热式氧化）。RTO 技术是将混合气体依次通过蓄热燃烧室，从而将气体温度增加至 1 000 ℃，从而实现瓦斯高温燃烧；RCO 通过催化氧化使得 CH4 在350 ℃～ 600 ℃时即可氧化燃烧，可实现 CO、NOx 等气体超低排放。 2 低浓度瓦斯发电系统 由于内燃机输出功率调节范围宽，应用相对较为广泛；燃气轮组受到瓦斯浓度、瓦斯量等因素制约，一般使用小型燃气轮组；氧化发电是通过瓦斯氧化产生高温烟气，并加热锅炉产生蒸汽从而带动发电机组转动，在低瓦斯发电利用方面具有较好的应用前景。 2.1 内燃机发电系统 低浓度瓦斯由安全输送系统运输，并由预处理系统对气体中的水、杂质等过滤，并调节气体温度；低浓度瓦斯进入内燃机发电机组后首先进行预混合，后使用增压器增压、中冷器降温、火花塞点火，瓦斯燃烧后推动发动机运转做功。内燃机工作过程中瓦斯燃烧释放的能量中电能约占 35%、废气约占 30%、冷却水冷却约占 25%，剩余能量为机械损失。 2.2 燃气轮组发电系统 发电系统有燃气轮机、湿式压缩机、汽轮机、冷却器等，湿式压缩机将压缩空气运送至燃料室内与瓦斯进行混合燃烧，形成的高温转气流做功带动涡轮转动，从而将热能转换成机械能、电能；剩余的部分高温尾气则注入到蒸发气中，生产热蒸汽，从而驱动蒸汽轮组转动，以便利用余热进行发电。燃气轮组发电具有功率大、污染物排放量低、启动快等优点，但是燃气轮组也存在对瓦斯气体浓度要求高、输送压力要求大等问题。 2.3 氧化发电系统 氧化发电系统运行原理，乏风气流运动使用阀门组控制，在前半个循环中乏风经蓄热陶瓷床加热，再进入到催化剂层，此时瓦斯气体温度较高可满足氧化反应需要；气体进入到催化剂层后瓦斯氧化反应并伴随大量热量释放，排除大量高温尾气；在下半循环中，通过阀门组开闭组合控制，吸热升温的气体首先进入燃烧室，产生氧化反应并释放热量，并将热量向上部低温侧传递。蓄热催化和蓄热氧化主要区别在于是否存在催化剂层；同时，蓄热氧化温度较蓄热催化高，更容易产生 NOx，从而导致环境污染。氧化发电主要特点为：矿井乏风量大，但是由于乏风中瓦斯含量较低，氧化反应过程中产生的热量较低，无论使用蒸汽轮机发电或者燃气轮机发电，均需要注入一定量的高浓度瓦斯方可确保锅炉产生足够的热蒸气驱动蒸汽轮组转动，实现瓦斯发电。 3 结语 矿井瓦斯发电可实现瓦斯高效利用，不仅可增加矿井效益而且有助于降低矿井温室气体排放、改善矿区环境。低浓度瓦斯具有流量大、压力小以及发热量低等问题，低瓦斯发电技术有其自身的特征。为此，本文中对现阶段矿井常使用的瓦斯发电技术以及发电系统结构、研究现状等进行分析，以期为低瓦斯发电技术推广应用提供经验借鉴。 |
