20章--瓦斯综合利用.doc

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贵州五轮山煤业有限公司五轮山煤矿初步设计（变更）第二十章瓦斯综合利用

第二十章瓦斯综合利用

第一节矿井瓦斯综合利用方案

一、瓦斯利用的必要性

1．充分利用矿山资源，保护环境

瓦斯是一种优质和卫生的能源，它的主要成分是甲烷（CH4），1m3纯甲烷（浓度100%的瓦斯）发热量约35.19MJ，可折合1.2kg的标准煤。

如果矿井把抽出的瓦斯加以利用而不直接排空，能大大降低矿井对社会能源（电力等）的需求，减少矿井的资金投入，增加矿井的经济效益。

目前瓦斯气利用主要方式：

作为工业或民用燃料直接燃烧、作为化工原料和发电等。

同时，瓦斯中的甲烷是一种仅次于氟利昂占第二位的重要温室气体，会破坏大气的臭氧层，根据气候变迁国际委员会研究报告，其温室效应是CO2的21倍。

如果大量的瓦斯排入大气，使地球表面余热通过大气层向宇宙空间散发的“热阻”增大，从而增强地球表面的温室效应，将导致全球变暖，破坏地球的生态环境。

1997年12月，通过了限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》，《京都议定书》规定，到2010年，所有发达国家排放的二氧化碳等6种温室气体的数量，要比1990年减少5.2%，发展中国家没有减排义务。

2005年《京都议定书》正式生效。

2．优化能源结构，减少对传统能源的依赖

煤、石油、天然气等化石能源，目前仍属于人类使用能源的主要形式，但化石能源属不可再生资源，一但使用将不可再生。

且中国化石燃料人均储量不足，尤其是石油，远低于世界平均值。

2005年，中国人均石油可采储量只有1.7t,仅为世界平均值的6.6%；人均天然气可采储量为1797立方米，仅为世界平均值的6.5%；人均煤炭可采储量为145t，仅为世界平均值的95.4%。

人均化石燃料储量的国际比较见表18-1-1。

瓦斯气资源的开发利用将会为社会创造巨额财富。

我国具有丰富的瓦斯气资源，其开发潜力巨大。

按照目前我国石油天然气资源发现率计算（10％），31.46万亿立方米的瓦斯气资源可获得3万亿立方米的天然气，参照目前天然气的中等价格（即每立方米天然气约1.0元（城市门站价）计算），将会为社会创造3万亿元的财富。

事实上，随着科学技术的飞速发展，资源发现率将会大幅度上升，经济价值将不可估量。

开发瓦斯气，形成瓦斯气产业将对国民经济发展起到巨大的推动作用。

开发瓦斯气是一项庞大的系统工程，建设一个瓦斯气生产基地将带动道路、管道、钢铁、水泥、化工、电力、生活服务等相关产业的发展，增加就业机会，促进当地经济的发展。

瓦斯作为一种优质洁净的能源，如加以合理的利用，可以变害为宝，对以煤等化石燃料为主的能源消费结构可以得到改善和优化，减少对传统能源的依赖。

表18-1-1人均化石燃料储量的国际比较表（2005年）

名称

中国

美国

欧盟

日本

OECD

印度

世界

煤可采储量（t/人）

145

833

86

2.8

320

84

152

石油可采储量（t/人）

1.68

12.16

4.87

0.06

9.08

0.73

25.31

天然气可采储量（t/人）

1797

18412

5624

313

12800

1002

27817

3．贯彻国家相关政策

国家为充分利用矿山资源，保护环境，满足国家发展对能源的需求，2005年由国家发展和改革委员会、科学技术部、财政部、劳动和社会保障部、国土资源部、国家环境保护总局、国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局共同印发了《关于印发煤矿瓦斯治理与利用实施意见的通知》（特急发改能源[2005]1119号）；由国家发展和改革委员会印发了《关于印发煤矿瓦斯治理与利用总体方案的通知》（发改能源[2005]1137号）。

2006年由国务院印发了《国务院关于加强节能工作的决定》（国发[2006]28号）；由国务院办公厅印发了《关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见》（国办发[2006]47号）。

2007年由国务院印发了《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国办发[2006]47号）。

根据这些政策，瓦斯抽放和利用属于资源的合理利用，除优先享受《可再生资源法》及其它配套法律法规规定的鼓励政策外，并能在税收、采矿权使用费、上网配套费、上网电价等方面享受国家有关优惠政策。

对企业的发展等将产生深远的影响。

4．矿井安全生产的需求

随着我国矿井开采深度的增加和开采能力的扩大，瓦斯涌出量已相应增加，煤与瓦斯突出的危险性增高。

矿井瓦斯抽放和瓦斯治理将投入大量的人力和物力，增加了矿井的经济付出，而为了保证矿井安全，这部分投入又是必须的，如果抽出的瓦斯不加以利用而直接排空，瓦斯抽放和治理方面的投资只仅仅受安全生产驱动。

现在利用瓦斯发电，在治理矿井瓦斯灾害的同时，将原煤生产的“废物”变为资源综合利用的“宝”，利用瓦斯发电可以使抽放瓦斯成为盈利工程，抽放的瓦斯越多，产生的经济效益越好，可以形成良性循环。

有了经济效益，就能进一步促进抽放瓦斯的积极性，促进煤矿安全生产。

综上所述，瓦斯综合利用，不但充分利用矿山资源，保护环境，有效减少甲烷等温室气体排放，而且还能改善矿井环境及增加社会经济效益，对矿井安全生产增加了内因。

二、瓦斯利用途径分析

1．概述

矿井瓦斯，是在煤炭形成过程中，在高压和厌氧条件下产生大量气体，其成分主要为甲烷，吸附在煤炭上，在煤炭开采过程中，由于压力降低，瓦斯气从煤炭上释放出来。

作为一种非常规天然气，其成分、用途、加工利用的下游产品和市场均同天然气基本一致。

所以，天然气开发、利用已开拓出的广阔领域和已成功实施，并发挥出良好经济、社会和环境效益的众多工业化范例，均可作为瓦斯气开发利用的借鉴。

瓦斯气既是高热值的清洁能源，更是宝贵的合成化工原料，其加工利用前景极为广阔，是近二十年在世界上崛起的新型能源，其资源总量与常规天然气相当。

下面就瓦斯气作为化工原料、燃料和发电几个方面来作介绍。

2．瓦斯作为化工原料

瓦斯气与天然气的利用途径基本相同，大多用在民用和燃气发电，而瓦斯气的化工利用途径也和天然气相仿，用作化工原料开发系列化工产品（见图18-1-1），如甲醇、炭黑、生产乙炔等。

但不管是热解生成炭黑、乙炔；氨氧化生成丙烯烷、有机玻璃单体；硝化生成三氯硝基甲烷；氯化生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷；氧化生成甲醛，还是转化合成油、氨等，都需要一整套繁杂的化工程序，一般的小企业不但难以掌握，且效率不高，浪费资源，容易造成二次污染，而本矿井的瓦斯远远不能满足建立一个大的化工厂的要求。

如果把几个矿井的瓦斯集中起来建立化工厂，但由于矿井瓦斯气甲烷的含量一般都在60%以下，长距离管道输送、液化压缩都需要提纯，这无形中增加了矿井的运行成本。

3．瓦斯作为民用燃料

瓦斯是一种优质和卫生的能源，它的主要成分是甲烷（CH4），1m3纯甲烷（浓度100%的瓦斯）发热量约35.19MJ，可折合1.2kg的标准煤。

作为燃料直接为民用、燃气锅炉和燃气发电机的燃料是一个很好的选择。

作为民用燃料直接用管路供给矿井用燃料锅炉、职工和附近城镇居民之用，可以替代其它燃料消耗，这是最好的方法，不但利用效率高，而且近距离输送瓦斯气，不用提纯和液化，减少了输送费用。

瓦斯

图18-1-1瓦斯加工利用方向图

4．瓦斯发电

就目前科技发展的现状，瓦斯气发电采用的主机设备主要有以下四种形式可供选择：

a、蒸汽轮机发电机组；b、燃气轮机发电机组；c、燃气内燃机发电机组；d、燃料电池发电。

燃料电池发电与转换燃料热做功最终产生电力的传统发电系统不同，燃料电池像一般电池那样利用电化学生产电力。

与从储备化学制品中提取电力的蓄电池不同，燃料电池生产电力是用氢燃料通人电池的阴极以及空气中氧气通到阳极的放电过程，是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。

这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其能量转换率高达60%～80%，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。

但因其容量小，只适于小型燃气发电的应用。

矿井的瓦斯气一般都比较大，此种方式作为矿井瓦斯发电不合适，不予考虑。

（1）蒸汽轮机发电机组

此种发电形式多用于传统的火电机组形式，工艺技术成熟，运行可靠，但燃气锅炉采用瓦斯气为燃料，目前仅局限在小型的工业锅炉，由于受到瓦斯抽采波动性强的影响，大型电站瓦斯锅炉的应用也受到限制，个别电站锅炉采用煤与瓦斯混烧技术，但辅助系统庞大、复杂，占地面积大。

这种装机形式发电效率也较低，启动运行时间长，不灵活，所以目前规划的瓦斯气电站基本不采用这种装机形式。

（2）燃气气轮机发电机组

利用燃气轮机发电，具有系统简单，运行灵活，单机功率大，占地面积小的优点。

系统可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，虽然比较复杂，占地面积大，但可大大提高发电效率。

目前，在以天然气为燃料的燃气电站中较多采用。

对于瓦斯气电站，则只有甲烷含量大于50%,气量较大的而且气源稳定的情况下，才适于采用燃气轮机为主机发电设备。

这是由于燃气轮机要求的进气压力高，当井下抽排的瓦斯气加压到燃气轮机要求的0.9MPa时，温度可升至160℃，根据美国矿山局制定的瓦斯气中甲烷浓度爆炸极限的公式计算表明，此时要求瓦斯气的安全界限应为甲烷浓度大于39%，并且要求浓度稳定、连续。

燃气轮机发电，仅限制在抽采瓦斯浓度高的矿井，由于井下瓦斯抽采系统抽采的瓦斯浓度变化范围大，会随着工作面的推进，煤层的不同和出煤量的变化而变化，但这些机组受瓦斯抽采浓度波动的影响，会经常因为瓦斯浓度达不到安全要求，而不得不时开时停。

因此，近年来这种装机形式较多的应用在具有一定规模，抽采效果较好，气量和浓度比较稳定的矿区。

（3）燃气内燃机发电机组

燃气内燃机发电具有系统简单，运行灵活，发电效率高的特点，可加余热锅炉带蒸汽轮机联合循环发电，虽使系统复杂，但可大大提高发电效率。

尤其是这种机组要求进气压力低，仅为5～35kPa，适用瓦斯浓度范围广，浓度6%以上均可利用，这使得燃气内燃机发电机组在瓦斯气发电方面获得了越来越广泛的应用。

在过去几十年中，特别是在近10年中，容量为100～2000kW范围内的燃气内燃发动机在应用方面，有了很大的增长。

随着产品技术的不断成熟和日趋严格的环境控制要求，往复式发动机必将继续作为一种低成本的发电产品，在瓦斯发电市场占据重要地位。

燃气内燃发动机的用户增长是由于它在成本、效率、可靠性和废气排放方面有了长足的进步，主要表现在输出功率的提高、污染物排放的降低。

在输出功率提高方面，由于提高了相对输出功率，因此减少了与柴油发动机在输出功率及相对价格之间的差距。

在污染物控制方面，燃气发动机采用两种基本的废气排放控制方法，分别应用于化学计量比运行和稀薄燃烧运行。

用化学计量比控制燃烧的发动机使用三元催化污染控制系统来同时降低NOx、CO和未燃碳氢化合物。

例如在稳态工况下运行，若进行严格控制，可以使NOx、CO和未燃碳氢化合物排放控制在0.2～0.42g/kWh。

另一控制燃气发动机污染的主要方法是稀薄燃烧（目前大部分发动机采用这种技术），使用大量过剩的空气系统（超过50%～100%的理论空气量），通过高过剩空气使NOx、排放显著减少，同时使循环效率增加。

例如大型燃气内燃发动机常使用超高能量点火、预燃室、小火点火系统（使用1%能量）等，稀薄燃烧燃气发动机的NOx排放在0.4～0.94g/kWh。

燃气内燃发动机经过严格维护，完全可以实现热电联产。

从使用的经验来看，功率范围在500～2000kW的燃气发动机特别适合气源不稳定的煤矿瓦斯使用。

（4）瓦斯气发电方式比较

综上所述，下面就矿井瓦斯气发电最可能的三种方式的主要参数作一下比较，见表18-1-2。

比较来说作为热电联产的一种原动机，燃气内燃机是一种经过实践检验的、非常成熟的设备