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摘要：瓦斯治理是煤矿安全的重中之重，变害为宝，合理利用瓦斯成为当前治理瓦斯的趋势。 瓦斯是煤矿生产的五害之一，其主要含量为 CH4，俗称沼气，燃烧时具有污染小、发热量高等优点，运用于发电和民用 ，必将是能源开发利用的新亮点。本文对瓦斯进行发电过程中引发的废气余热处理问题进行了分析，并未节能减排提出了应对策略。
关键词：瓦斯发电；废气余热再利用
前言
瓦斯作为煤矿生产五大自然灾害之一，严重制约着煤矿安全生产，“先抽后采”作为一项瓦斯治本之策，发挥了积极作用，但同时对所抽瓦斯的利用，尤其是低浓度瓦斯的利用成为一个新的难题。在我国煤矿中，矿井风排出的70%以上的瓦斯，为 30%以下的低浓度瓦斯，利用其发电主要存在安全输送及浓度不稳定两方面的问题。瓦斯发电技术主要采用锅炉燃烧、燃气轮机+蒸汽轮机、燃气内燃机3种方式。我国目前主要采用内燃机发电配套系统，常用内燃瓦斯发电机组有进口机组和国产机组，进口机组单机容量大、效率较高、运行稳定、寿命长、噪音低，优于同类型国产机组，但另一方面，进口机组对瓦斯气源质量和压力要求高，如要求 CH4浓度≥30%、压力P≥15 k Pa，清洁度高即尘粒≤2 mg/Nm3，所以必须增设瓦斯提纯工艺系统、瓦斯增压装置和净化装置，工艺系统复杂，设备价格高（和同类型国产机组相比价格高出1～2倍），机组备品备件检修和更换不便，而国产机组则系统简单，对瓦斯气浓度适应范围宽，价格便宜，对燃气供气压力低，以及具有维修和维护方便等优点。根据万峰瓦斯抽采参数，此次采用煤矿瓦斯往复式内燃机发电系统，该系统由燃气内燃机、发电机、电气系统、冷却系统、预处理系统、瓦斯安全输送系统等组成。
1. 瓦斯发电的工作原理
瓦斯发电的工作原理类似于内燃机工作原理，分为压缩、燃烧、作功、排气4个工作行程。 期间，通过瓦斯与氧气燃烧反应产生大量热量压缩活塞，驱动蜗轮做功，通过连杆机构，将化学能转化为机械能再转化为电能。 瓦斯燃烧会产生大量热量 ，除部分用于驱动活塞作功外，其余热量随废气排出缸体，排出的废气温度达 500℃～600℃。
2.瓦斯发电问题的分析
（1）从瓦斯发电的工作原理可知，排放的废气带有大量热量，废气未处理直接排入大气，对周围环境温度影响较大，一方面会加速设备老化过程，缩短设备使用寿命，另一方面对操作人员身体也会有影响（2）废气余热不回收利用，也会造成浪费，同时在冷却降温过程中会增加冷却水的用量，起不到节能降耗的作用。（3）利用瓦斯发电是为了充分利用瓦斯资源；但瓦斯资源未充分、有效利用，甚至引发其他问题，会降低瓦斯发电为企业带来的社会效益和经济效益。
3.余热回收传热原理
镍基钎焊热管式换热器由汽包、热管区、烟气进出口烟箱组成，其原理是利用高温烟气和水的传热系数不同。 首先将镍基钎翅片与进入烟道箱的高温烟气换热，换热均衡后烟气排出，热管换热后再与在高换热系数侧采用光管与汽包内的水换热，产生热的冷凝水流出汽包箱。在實际运用中，就是在原有的发电机组的高温烟气管线上，直接将烟气进出口和烟道连接。当加热区和散热区的温度接近相同，温差损失小。热管是一种高效传热元件，它利用封闭管内介质的 沸腾吸热和冷凝放热进行热传导，传热在饱和温度下进行，具有极高的导热性能。
4. 余热利用系统
矿井建有水源热泵系统，系统设置6台1.46MW水源热泵和2台0.64 MW水源热泵，总容量为10 MW，利用矿井涌水作为热源采取水源热泵形式向矿井供热，水源热泵基本可以取代原有燃煤锅炉房。由于矿井涌水波动比较大，且存在很多不稳定因素，目前燃煤锅炉仍需保留作为备用。瓦斯电站建成后，电站的余热锅炉及水源热泵可相互补充使用，取消燃煤锅炉。考虑到机组检修、负荷波动等情况，供热能力按照6台机组满负荷计算。6台机组满负荷运行的情况下，余热锅炉供热量约2.4 MW，6台机组缸套水可供热负荷约1.8 MW，瓦斯发电对外总的供热负荷约4.2 MW。矿井采暖季设计热负荷为 12.9MW，瓦斯发电站余热能够满足矿井供热部分需要，可作为矿井补充热源。
5.效益分析
低浓度瓦斯利用系统建设总投资2560.85万元，正常每年可发电 3185×104 k W·h，年上网电量3025×104 k W·h，工程按自发自用考虑，售电价格按 0.435元 / k W·h （不含税价），电厂年对外供热量为5.79×104 GJ，免费供给矿井。根据年上网电量与电厂年对外供热量进行计算，正常年份供电销售收入为 1315万元，经计算，所得税前总投资回收期为2.97 a，所得税后投资回收期为 3.64 a。余热利用系统减少了水源热泵的运行费用。采用本技术后，每个供暖季节可减少井下热水的使用，采用电厂余热向水源热泵提供低温热水，减少井下抽水费用，因井下水氯离子含量多，对设备损坏大，间接减少了水源热泵配套设备维护成本。低浓瓦斯的综合利用，充分利用煤矿生产过程中抽采的大量瓦斯，减少了直接排放造成的环境污染，达到了资源利用目的，根据煤矿生产“以瓦斯定产” 和 “不抽不采（掘）、先抽后采（掘）”的安全保障原则，随着矿井生产能力的提高，要求瓦斯的抽采量也随着增加，建设瓦斯发电站以用促抽、以抽保用，有利于煤矿安全生产。
6.结论
瓦斯发电站废气回收利用表明，余热回收装置与瓦斯发电机组的配套使用，是煤矿综合利用瓦斯，变害为利的有效途径。采用这种方式，既能提高瓦斯的利用率，又能降低其他能源消耗，对高瓦斯矿井如何治理和利用瓦斯起到了示范效果。通过该矿几年的实践充分证明，瓦斯综合开发利用在解决矿井自身能源方面需求方面效果明显，是探索节能减排的一条有效方法，随着瓦斯发电技术运用的日趋成熟，瓦斯发电技术会被广泛运用，但发电过程中引发的问题也是不容忽视的。
参考文献：
[1]于敢超，王欣.煤层气利用及发电技术现状概述[J]电站系统工程，2011，27
[2]张国昌.煤矿瓦斯发电技术综述[J]专用发动机，2008，10（5）
[3]杜新宇，张振东，高胜阳.谈低浓度瓦斯发电站工艺设计[J]煤炭工程，2008（9）
[4]季明忠，沈扬.瓦斯发电输变电设备配套及安装[J]煤矿机械，2009，30（10）
[5]李磊. 低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望[ J ]. 矿业安全与环保，2014，41 （2）：86-89.
[6]李大虎. 低浓度瓦斯发电技术的研究与应用[ J ]. 吉林地质，2014 （3）：129-130.
[7]谢晓东，张振东，高胜阳.谈低浓度瓦斯发电站工艺设计[ J ].煤炭工程，2008 （9）：14-16.
[8]杜新宇，王效民，李 彬. 浅析煤矿瓦斯发电技术和进气系统工艺流程改造[ J ]. 煤炭科技，2015：72-74.
作者简介：薛旭兵（1980-），男 汉族，山西省柳林县人，助理工程师职称，瓦斯发电方向。
关键词：瓦斯发电；废气余热再利用
前言
瓦斯作为煤矿生产五大自然灾害之一，严重制约着煤矿安全生产，“先抽后采”作为一项瓦斯治本之策，发挥了积极作用，但同时对所抽瓦斯的利用，尤其是低浓度瓦斯的利用成为一个新的难题。在我国煤矿中，矿井风排出的70%以上的瓦斯，为 30%以下的低浓度瓦斯，利用其发电主要存在安全输送及浓度不稳定两方面的问题。瓦斯发电技术主要采用锅炉燃烧、燃气轮机+蒸汽轮机、燃气内燃机3种方式。我国目前主要采用内燃机发电配套系统，常用内燃瓦斯发电机组有进口机组和国产机组，进口机组单机容量大、效率较高、运行稳定、寿命长、噪音低，优于同类型国产机组，但另一方面，进口机组对瓦斯气源质量和压力要求高，如要求 CH4浓度≥30%、压力P≥15 k Pa，清洁度高即尘粒≤2 mg/Nm3，所以必须增设瓦斯提纯工艺系统、瓦斯增压装置和净化装置，工艺系统复杂，设备价格高（和同类型国产机组相比价格高出1～2倍），机组备品备件检修和更换不便，而国产机组则系统简单，对瓦斯气浓度适应范围宽，价格便宜，对燃气供气压力低，以及具有维修和维护方便等优点。根据万峰瓦斯抽采参数，此次采用煤矿瓦斯往复式内燃机发电系统，该系统由燃气内燃机、发电机、电气系统、冷却系统、预处理系统、瓦斯安全输送系统等组成。
1. 瓦斯发电的工作原理
瓦斯发电的工作原理类似于内燃机工作原理，分为压缩、燃烧、作功、排气4个工作行程。 期间，通过瓦斯与氧气燃烧反应产生大量热量压缩活塞，驱动蜗轮做功，通过连杆机构，将化学能转化为机械能再转化为电能。 瓦斯燃烧会产生大量热量 ，除部分用于驱动活塞作功外，其余热量随废气排出缸体，排出的废气温度达 500℃～600℃。
2.瓦斯发电问题的分析
（1）从瓦斯发电的工作原理可知，排放的废气带有大量热量，废气未处理直接排入大气，对周围环境温度影响较大，一方面会加速设备老化过程，缩短设备使用寿命，另一方面对操作人员身体也会有影响（2）废气余热不回收利用，也会造成浪费，同时在冷却降温过程中会增加冷却水的用量，起不到节能降耗的作用。（3）利用瓦斯发电是为了充分利用瓦斯资源；但瓦斯资源未充分、有效利用，甚至引发其他问题，会降低瓦斯发电为企业带来的社会效益和经济效益。
3.余热回收传热原理
镍基钎焊热管式换热器由汽包、热管区、烟气进出口烟箱组成，其原理是利用高温烟气和水的传热系数不同。 首先将镍基钎翅片与进入烟道箱的高温烟气换热，换热均衡后烟气排出，热管换热后再与在高换热系数侧采用光管与汽包内的水换热，产生热的冷凝水流出汽包箱。在實际运用中，就是在原有的发电机组的高温烟气管线上，直接将烟气进出口和烟道连接。当加热区和散热区的温度接近相同，温差损失小。热管是一种高效传热元件，它利用封闭管内介质的 沸腾吸热和冷凝放热进行热传导，传热在饱和温度下进行，具有极高的导热性能。
4. 余热利用系统
矿井建有水源热泵系统，系统设置6台1.46MW水源热泵和2台0.64 MW水源热泵，总容量为10 MW，利用矿井涌水作为热源采取水源热泵形式向矿井供热，水源热泵基本可以取代原有燃煤锅炉房。由于矿井涌水波动比较大，且存在很多不稳定因素，目前燃煤锅炉仍需保留作为备用。瓦斯电站建成后，电站的余热锅炉及水源热泵可相互补充使用，取消燃煤锅炉。考虑到机组检修、负荷波动等情况，供热能力按照6台机组满负荷计算。6台机组满负荷运行的情况下，余热锅炉供热量约2.4 MW，6台机组缸套水可供热负荷约1.8 MW，瓦斯发电对外总的供热负荷约4.2 MW。矿井采暖季设计热负荷为 12.9MW，瓦斯发电站余热能够满足矿井供热部分需要，可作为矿井补充热源。
5.效益分析
低浓度瓦斯利用系统建设总投资2560.85万元，正常每年可发电 3185×104 k W·h，年上网电量3025×104 k W·h，工程按自发自用考虑，售电价格按 0.435元 / k W·h （不含税价），电厂年对外供热量为5.79×104 GJ，免费供给矿井。根据年上网电量与电厂年对外供热量进行计算，正常年份供电销售收入为 1315万元，经计算，所得税前总投资回收期为2.97 a，所得税后投资回收期为 3.64 a。余热利用系统减少了水源热泵的运行费用。采用本技术后，每个供暖季节可减少井下热水的使用，采用电厂余热向水源热泵提供低温热水，减少井下抽水费用，因井下水氯离子含量多，对设备损坏大，间接减少了水源热泵配套设备维护成本。低浓瓦斯的综合利用，充分利用煤矿生产过程中抽采的大量瓦斯，减少了直接排放造成的环境污染，达到了资源利用目的，根据煤矿生产“以瓦斯定产” 和 “不抽不采（掘）、先抽后采（掘）”的安全保障原则，随着矿井生产能力的提高，要求瓦斯的抽采量也随着增加，建设瓦斯发电站以用促抽、以抽保用，有利于煤矿安全生产。
6.结论
瓦斯发电站废气回收利用表明，余热回收装置与瓦斯发电机组的配套使用，是煤矿综合利用瓦斯，变害为利的有效途径。采用这种方式，既能提高瓦斯的利用率，又能降低其他能源消耗，对高瓦斯矿井如何治理和利用瓦斯起到了示范效果。通过该矿几年的实践充分证明，瓦斯综合开发利用在解决矿井自身能源方面需求方面效果明显，是探索节能减排的一条有效方法，随着瓦斯发电技术运用的日趋成熟，瓦斯发电技术会被广泛运用，但发电过程中引发的问题也是不容忽视的。
参考文献：
[1]于敢超，王欣.煤层气利用及发电技术现状概述[J]电站系统工程，2011，27
[2]张国昌.煤矿瓦斯发电技术综述[J]专用发动机，2008，10（5）
[3]杜新宇，张振东，高胜阳.谈低浓度瓦斯发电站工艺设计[J]煤炭工程，2008（9）
[4]季明忠，沈扬.瓦斯发电输变电设备配套及安装[J]煤矿机械，2009，30（10）
[5]李磊. 低浓度瓦斯发电技术研究现状及展望[ J ]. 矿业安全与环保，2014，41 （2）：86-89.
[6]李大虎. 低浓度瓦斯发电技术的研究与应用[ J ]. 吉林地质，2014 （3）：129-130.
[7]谢晓东，张振东，高胜阳.谈低浓度瓦斯发电站工艺设计[ J ].煤炭工程，2008 （9）：14-16.
[8]杜新宇，王效民，李 彬. 浅析煤矿瓦斯发电技术和进气系统工艺流程改造[ J ]. 煤炭科技，2015：72-74.
作者简介：薛旭兵（1980-），男 汉族，山西省柳林县人，助理工程师职称，瓦斯发电方向。