摘要：概述了瓦斯气体特性及其发电技术的应用方式，介绍了国内外瓦斯发电技术的现状，探讨了内燃机瓦斯发电的关键技术及工艺流程，成功运行的典型案例证明了瓦斯发电技术的可行性和有效性．
关键词：瓦斯发电；分布式能源；节能减排
引言
瓦斯属于温室气体，其所产生的温室效应比较明显。为了有效改善和缓解温室效应，CDM（清洁发展机制）能源组织要求世界各国降低瓦斯的排放量。作为新能源发电技术，瓦斯发电技术主要借助小型燃气发电机组、小型燃气能源转换装置和烟气回热技术将瓦斯转化为电能，在提高瓦斯燃烧效率的同时，有效减少对大气环境的污染。目前，瓦斯发电技术在煤矿开采过程中得到了广泛的应用，有效地消除了对温室效应的影响，成为新能源发电的重要组成部分之一。
1瓦斯特性
瓦斯是非常规天然气体，主要成分是CH4，具有无色、无味、易燃、易爆等特征。在煤矿开采过程中，如果空气中CH4浓度超过5%，一旦遇到明火将会引发爆炸。因此，瓦斯属于诱发煤矿安全的“头号杀手”，但是其也属于清洁能源，具有非常高的利用价值。中国拥有非常丰富的煤层气资源，储量位居世界第三，每年煤矿开采过程中都会向大气中排放大量的瓦斯，对大气环境形成污染，形成温室效应。
2瓦斯发电技术类型
2.1内燃机瓦斯发电
在进行煤矿开采的过程中，常运用瓦斯地面输送系统和井下瓦斯抽放系统来进行瓦斯的开采。瓦斯属于煤矿开采过程中所产生的附属气体，浓度变化范围在3%～80%之间，并且气体流量变化较大。在煤矿开采阶段，一般借助负压风机或水环真空泵将瓦斯从巷道中抽取到地面，一旦瓦斯的甲烷浓度达到了5～16%，遇到明火就有可能发生爆炸，危及工作人员的身体健康和生命安全。为了安全起见，需要做好瓦斯的处理工作，并根据甲烷浓度来选择利用方式，从而在提高能源利用效率的同时，有效减少对环境造成的污染。在进行瓦斯调查与研究的过程中发现，一些煤矿企业会将甲烷浓度超过30%的高瓦斯气体点燃排空或无偿供给当地居民使用，而如果瓦斯体积分数低于30%，会选择直接排放到大气中，导致瓦斯的利用率降低。实际上，瓦斯具有非常高的发电利用价值，可利用内燃发电机组进行发电，可以达到比较理想的节能减排效果[1]。
2.2乏风瓦斯氧化发电
在进行煤炭开采阶段，为了确保矿工人能够呼吸到新鲜的空气，需要源源不断地向井下压送洁净空气，该过程中在井下通风系统中排出的废气就是所谓的“乏风”，其中包含有一定量的瓦斯，一般甲烷低于1%，其同样会造成能源的浪费，而且还会污染大气环境。而乏风瓦斯发电技术主要是将甲烷浓度超过0.2%的乏风混合较高浓度瓦斯到甲烷浓度1%输送至乏风氧化炉中进行氧化，以达到无焰燃烧的目的。该过程不仅可以达到销毁瓦斯的目的，还可以运用瓦斯燃烧过程中所产生的余热来制取热水或蒸汽，蒸汽能够推动汽轮机运转，从而达到发电的目的，而热水可以用于制冷或供热。
2.3燃气轮机瓦斯发电
这一发电技术主要是在地面上对煤层直接钻井抽采瓦斯，以实现对瓦斯的有效开采，其中所含甲烷浓度超过了90%，和天然气成分类似，危险系数较低，可以借助加压罐装对此类瓦斯进行运输，也可以借助管道进行远距离输送，因此该类瓦斯在化工原料和民用燃料等领域得到了广泛的应用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这样高浓度的瓦斯也可以借助燃气轮机发电，虽然可以达到比较理想的发电效果，但是由于高浓度瓦斯具有非常广泛的应用，加之现在中国的气源比较紧张，该发电技术应用有限。
3瓦斯发电的关键技术
3.1瓦斯品质的提升
如今，大部分瓦斯发电所采用的气体基本上是煤矿开采过程中为了确保井下作业的安全而需要从井下抽放的瓦斯，此类瓦斯的品质高低将会直接决定瓦斯发电机组运行效率的高低。因此，在进行瓦斯发电的过程中，需要在瓦斯进入内燃机之前采取有效措施对其进行处理，有效提升瓦斯的品质，更好地满足发电机的运行要求，从而有效提高发电效率。通常情况下，瓦斯品质的提升包括以下几种方式：a）去除瓦斯中的杂质。在瓦斯抽放过程中，会有少量粉尘及有害气体掺杂其中，此时需要借助过滤器来对其中的粉尘进行滤除，随后根据气体的物理性质来对其中的有害气体进行冷凝气体析出处理；b）降低瓦斯中的含水量。通常情况下，瓦斯从井下抽放出来的时候会含有一定量的水蒸气，另外低浓瓦斯细水雾输送也混合到瓦斯气部分水蒸气，此时需要按照要求对瓦斯进行脱水除湿处理，从而使瓦斯中的水分含量降低，满足瓦斯发电技术要求。目前，主要借助冷凝脱水或旋风重力脱水技术来降低瓦斯中的水分；c）调节瓦斯的压力。该过程主要包括两个阶段，第一个阶段是矿井抽放瓦斯阶段。该阶段由于受到多方面因素的影响和限制，从矿井抽出的瓦斯气体浓度和压力处于不断变化之中，甚至会出现较大范围的波动，此时需要将瓦斯运输至储气柜中，以达到稳压缓冲的效果，随后才允许将瓦斯运输至发电机组进行发电；第二个阶段是瓦斯进入发电机组阶段。实际上，内燃机发电机组要求瓦斯需要具备特定的压力条件，此时可以根据压力的具体要求来借助变频罗茨风机对其气体压力进行调节；d）控制进入发电机前瓦斯的温度。在进行内燃机瓦斯发电的过程中，对瓦斯的进气温度提出了明确的要求，因为外界温度的变化会对管道内瓦斯气的温度产生一定的影响，此时就需要根据外界及季节气温的变化来有效调节和控制瓦斯的温度。
3.2瓦斯气量和浓度的控制
通常情况下，瓦斯的气量和浓度表现为瓦斯的热值，即所谓的“内能”，可以根据“能量守恒定律”来对其进行计算。在瓦斯发电过程中，瓦斯发热量将会直接决定燃气机组的发电量，瓦斯气量和浓度会对发电机组的运行状态产生直接的影响。在进行瓦斯抽放的过程中，其浓度处于不断的变化之中，不能根据某一浓度来对其发热量进行计算，此时就可以将瓦斯发热量按照相关规范和要求折合成纯瓦斯进行计算，通常1m3纯瓦斯产生的电量为3kW·h～3.5kW·h。在瓦斯发电时，瓦斯流量的减少或瓦斯浓度的降低会导致瓦斯发热量降低，从而降低发电机组转速，致使发电机的频率降低。在瓦斯发电过程中，如果气量减少或瓦斯浓度降低到一定程度时，极有可能导致内燃机失速，诱发安全事故。如果瓦斯流量增大或瓦斯浓度升高，将会导致瓦斯发热量增加，从而提升发电机组的转速，提高发电机的频率。实际上，瓦斯浓度和气量的增大，会导致瓦斯的燃烧效率下降，导致资源的浪费。因此，对瓦斯流量和浓度进行有效的调节和控制，是确保瓦斯发电技术得以实施的关键，同时也是瓦斯发电技术体系中的难点。虽然大多数瓦斯预处理企业已经对瓦斯气量和浓度的控制进行了深入的研究，比如有效测量瓦斯的参数，借助线性控制策略及DCS（分布式控制系统）控制平台，能够将瓦斯气量和浓度的变化控制在较小范围内，以更好地满足瓦斯发电的要求。
4结语
综上所述，瓦斯发电技术在中国处于起步阶段，但是由于瓦斯浓度和气量很容易受到外界因素的影响而发生变化，从而对瓦斯发电效率产生影响。如今，在全球节能减排的大背景下，需要加强对瓦斯发电技术的研究，以期更好地提高瓦斯发电效率，这样不仅可以提高能源的利用效率，还可以降低对环境的影响，从而达到节能减排的效果。
参考文献：
［1］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，2017，9（6）：68-69.
［2］张国铎，李华，游涌.浅谈煤层气发电技术及应用前景［J］.能源与环保，2017，13（1）：143-144.
［3］刘洪雨.低浓度瓦斯发电技术在峻德煤矿的应用［J］.科学与财富，2017，8（10）：89-90.
论文作者:孙玉泰
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/31
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