20章--瓦斯综合利用文档格式.doc

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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，成套模块化的机组使系统效率优化、设计安装简单、运行管理自动化程度高。

与其他两种发电形式相比，燃气内燃发电机组具有启动时间短、燃气供气压力低、对燃气浓度适应范围宽的优点，尤其是能够更为灵活的适应瓦斯气浓度波动的情况。

表18-1-2瓦斯气发电方式比较

机组方式

燃气内燃发电机组+余热锅炉（+蒸汽轮机发电机组）

燃气轮机发电机组+余热锅炉+蒸汽轮机发电机组

燃气锅炉+蒸汽轮机发电机组

辅助系统

较简单

复杂

简单循环发电效率（%）

34～43

25～38

25～30

全厂综合效率（%）

45～90

40～90

30～70

启动时间

l0s

21min～1h

1～3h以上

燃料供应压力

低压

中压

对瓦斯浓度要求

6%以上

大于40%

大于30%

千瓦造价（元）

5500左右

6000左右

5000左右

三、矿井瓦斯利用方案

结上对瓦斯利用综合分析可知，瓦斯是很理想的民用燃料、化工和发电原料。

瓦斯作为化工原料需要一定的规模，虽然瓦斯作为民用燃料和发电都是利用瓦斯高燃烧热值特性，从利用效率角度考虑，作为民用燃料的热效率要远大于瓦斯发电。

但本矿井不抽采瓦斯均不具备作为民用和化工原料利用条件，暂时按发电利用考虑。

第二节瓦斯发电

一、发电机组选择

1、设计依据

矿井瓦斯抽放纯量：

Q＝107m3/min，（其中：

高负压45m3/min，低负压62m3/min）；

抽放瓦斯浓度：

高负压40％、低负压20％；

2、发电机组选择计算

高浓度瓦斯发电机组燃气的消耗率按按9.8MJ/（kW·

h）考虑，低浓度瓦斯发电机组燃气的消耗率按按10.5MJ/（kW·

h）考虑，每立方米纯瓦斯完全燃烧发热量35.19MJ/Nm3。

预计高低负压抽放的高低浓度瓦斯可发电功率为：

P高=45×

60×

35.19÷

9.8=9048kW

P低=62×

10.5=12467kW

3、发电机组选择

根据计算的瓦斯可发电量，考虑到矿井瓦斯抽放的不均衡性，设计考虑在工业场地建瓦斯发电站，前期装700kW低浓度燃气内燃机组6台；

后期装700kW低浓度燃气内燃机组6台，装1000kW高浓度燃气内燃机组6台。

二、进气系统

（一）进气系统概述

1、瓦斯发电站前期低浓度发电系统

前期从瓦斯抽放站到瓦斯发电站的瓦斯输送管主管选用管径DN500的焊接钢管，在瓦斯输送管线上安装水位自控式水封阻火器、丝网过滤器、瓦斯管道专用阻火器、低温湿式放散阀、防爆电动蝶阀等设备，并通过瓦斯与细水雾混合输送系统，将低浓度瓦斯输送到发电站。

设雾化水池、雾化水泵，为瓦斯输送管线上的水雾发生器供给高压水，再通过水雾发生器往瓦斯管道内喷射水雾，瓦斯通过水雾发生器后含有水雾，避免了火焰的产生（静电或其它产生的火焰），并起到阻火的作用，保证了瓦斯管道输送的安全性。

在瓦斯输送管路上每隔20米设置一个水雾发生器。

选用DL30-16×

11型水泵二台作为雾化系统的动力泵（一台工作，一台备用）；

配电机YB200L1-4（30kW、380V），二台（一台水泵配一台电机）。

2、瓦斯发电站后期高浓度发电系统

后期从瓦斯抽放站到瓦斯发电站的瓦斯输送管主管，选用管径DN500的焊接钢管，在瓦斯输送管线上安装水位自控式水封阻火器、丝网过滤器、瓦斯管道专用阻火器、防爆电动蝶阀等设备，将高浓度瓦斯输送到发电站。

3、瓦斯发电站前期低浓度发电系统

后期再从瓦斯抽放站到瓦斯发电站的瓦斯输送管主管选用管径DN500的焊接钢管，在瓦斯输送管线上安装水位自控式水封阻火器、丝网过滤器、瓦斯管道专用阻火器、低温湿式放散阀、防爆电动蝶阀等设备，并通过瓦斯与细水雾混合输送系统，将低浓度瓦斯输送到发电站。

（二）主要设备工作原理

1、水位自控式水封阻火器

水位自控式水封阻火器的基本原理主要是当火焰通过水气混合层时，火焰与水接触，能量被水蒸发吸收，化学反应的自由基减少并消除，同时，水的瞬间气化也降低了瓦斯中的甲烷浓度，使火焰熄灭。

水位自控式水封阻火器采用雷达水位监测（雷达液位计是德国E+H公司生产）和计算机自动控制，当水位低于设定下限水位时自动补水，当水位高于设定上限水位时自动放水，从而维持水位的恒定，保证阻火器可靠工作。

此套系统同时带有计算机网络远传和无限传输系统，可实现远程监控。

2、丝网过滤器

丝网过滤器是用于过滤由瓦斯带来的水汽和灰尘，防止瓦斯管道专阻火器堵塞，延长其清洗周期的装置。

其过滤材料采用不锈钢丝绒，利用拦截、碰撞机理过滤瓦斯中的粉尘颗粒和水分。

3、瓦斯管道专用阻火器

瓦斯管道专用阻火器的原理主要是基于火焰通过狭窄通道时的熄灭现象研究。

火焰在狭缝中淬熄主要是由于火焰表面的化学反应放热与散热条件不匹配引起的。

火焰以一定速度进入狭缝时，火焰面内靠近狭缝冷壁处，作为化学反应活化中心的自由基和自由原子与冷壁相碰撞放出其能量，这相当于反应区的热量流向冷壁边界，从而当火焰面达到一定距离时，开始形成熄火层，随着火焰面的运动，熄火层厚度不断增大，以至由于自由基进入熄火层内就复合成分子并放出能量，自由基越来越少直到没有，火焰熄灭。

4、低温湿式放散阀

当系统用气量突然减少时（如瓦斯发电机组突然减少开机台数或突然降低负荷），为保证水环真空泵的安全运行和整个输送系统工作在设定的压力范围内，在输送系统的输气主管道上设置低温湿式放散阀。

当输送系统管道压力增高时，瓦斯便通过水溢出排空。

放散压力可通过改变放散阀内的水量或水面来调整或设定。

通过液位变送器可实现计算机远程控制。

瓦斯的排空是通过水而放散到空中的，因此该放散阀能够将外部可能产生的火源与系统内瓦斯隔离，实现安全放散。

三、冷却循环系统

高温冷却内循环主要是冷却发动机机体、气缸盖等部件，低温内循环主要是冷却机油和空气。

内循环使用软化水，每天每台的消耗量约为5kg／d。

外循环也使用软化水，通过多风扇水箱冷却循环冷却外循环冷却水，高、低温冷却水量每台均按40m3／h考虑。

前期低浓度瓦斯发电选用与机组配套的多风扇水箱6台，一台机组配一台，形成密闭循环。

后期高浓度瓦斯发电选用与机组配套的多风扇水箱6台，一台机组配一台，形成密闭循环。

后期低浓度瓦斯发电选用与机组配套的多风扇水箱6台，一台机组配一台，形成密闭循环。

发电站的外冷却密闭循环系统，节约冷却水。

四、余热利用系统

目前瓦斯发电大都采用热联发电系统，这样可以大大提高瓦斯气的利用率，本矿的高浓度也考虑使用热联发电系统，余热利用装置收集来的热量直接为矿井供暖和加热洗浴水之用。

具体为利用余热利用装置（余热锅炉）产生高温汽水混合体，然后再通过汽水分离器，把高温蒸汽输送到蒸汽用户或在浴室用气水换热器加热洗浴水。

余热回收系统主要是由余热利用装置（余热锅炉）、汽水分离器、多级立式离心泵、软化水箱、全自动软水器等组成。

前期低浓度瓦斯发电选用REQ-70型余热利用装置（含汽水分离器）6台。

后期高浓度瓦斯发电选用REQ-100型余热利用装置（含汽水分离器）6台，低浓度瓦斯发电选用REQ-70型余热利用装置（含汽水分离器）6台

第四节电气系统

1、电力系统主接线

瓦斯发电站前期安装6台700kW发电机组，6台机组所发电量经过2台3150kVA升压变压器升压到10kV，经一回高压电缆线路接入到矿井10kV变电所10kV母线上，为煤矿的生产提供电力。

瓦斯发电站后期安装6台1000kW发电机组，6台机组所发电量经过2台4000kVA升压变压器升压到10kV，经一回高压电缆线路接入到矿井10kV变电所10kV母线上；

瓦斯发电站后期安装6台700kW发电机组，6台机组所发电量经过2台3150kVA升压变压器升压到10kV，经一回高压电缆线路接入到矿井10kV变电所10kV母线上

2、站内动力配电设计

各厂配电电压为220V／380V，配电方式采用放射式。

动力配电箱电源引自低压配电室配电柜，进线电源采用双电源自动转换装置。

雾化泵房内的设备均采用交流接触器在现场或低压配电室控制。

线路敷设方式采用直埋或沿电缆沟敷设。

3、发动机启动

发电机启动采用24V直流电源启动，在发电机房内设置2台硅整流启动电源，电源来自低压配电室内的站用电配电柜。

硅整流启动电源供前后期发电机组不同时启动使用。

4、10kV配电装置

10kV高压开关柜设在工业场地瓦斯发电站配电间内：

高压开关柜选用具有五防功能的KYN28A-12型铠装移开式交流金属封闭开关柜，配真空断路器、弹簧操作机构。

5、升压变压器

两个发电站升压变压器都采用S11-M型低损耗全封闭电力变压器。

室外布置，高压侧电缆引出，低压侧由铜排引入。

6、继电保护

①升压变压器保护配置

升压变压器设速断保护、过流保护、高压零序、瓦斯、温度保护等，采用微机综合保护，保护装置安装在高压开关柜上。

②电厂、变电所进出线保护

电厂10kV出线开关柜采用微机保护，设置速断、过流保护。

保护装置分散安装在各自的开关柜上。

③发电机保护

0.4kV发电机保护为：

短路保护、过电流保护、欠压保护、逆功率保护及发电机热保护。

其保护由发电机组配套的控制屏实现，不需另外采购保护装置。

7、直流系统

各厂配置直流220V、38Ah直流屏为微机控保和开关设备等的控制、操作提供电源。

蓄电池形式采用铅酸免维护蓄电池。

充电装置选用智能高频开关电源型充电装置，通过充电模块并联方式对蓄电池充电或浮充电功能。

蓄电池，直流屏和充电设备集中布置在低压配电室内。

8、过电压保护及防雷、接地

①建构筑物防雷

根据《建筑物防雷设计规范》的规定，电厂建筑物应按三类防雷建筑物进行设计。

设两根25米高避雷针对各分厂主厂房进行保护；

控制室采用屋面避雷带保护。

将发电机房、低压配电室及发电机组、控制屏、低压配电柜、变压器进线柜、升压变压器所有金属外壳正常不带电设备与引下线可靠连接，引下线沿筑物四周均匀布置，间距不大于25米，每根引下线的冲击接地电阻不大于10Ω。

②过电压保扩

10kV配电装置采用金属氧化锌避雷器，以防止外部雷电过电压入侵和内部操作过电压。

③接地

厂内设联合接地网，接地装置采用镀锌角钢L30×

5×

2500作为垂直接地体，采用热镀锌扁钢30×

5作为水平接地体，接地电阻不大于1Ω。

9、站内照明、检修部分

依据《工业企业照明设计规范》，发电机房和雾化水池安装区内照明采用防爆灯具，其余场所采用普通照明。

其中发电机房、配电间设置应急照明，全站停电时，由应急照明灯照明，供电时间不小于30min。

9、电缆设施

①电缆构筑物

本工程电缆构筑物考虑采用如下几种类型：

a、电缆敷设采用直埋或电缆沟敷设。

b、机房及配电室一般采用电缆沟。

②电缆选型

根据《电力工程电缆设计规范》GB50217—94有关条款的规定，本工程电缆选型如下：

a、10kV动力电缆采用交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆：

b、低压动力电缆采用聚氯乙烯绝缘铜芯电力电缆；

c、控制电缆采用聚氯乙烯绝缘屏蔽铜芯控制电缆。

③电缆防火措施

为防止火灾蔓延造成损失，本工程采用以下防火措施：

在电缆沟穿墙处设置防火堵料，采用有效的防火材料对电缆构筑物分区封堵。

设置必要消防设备。

10、厂内通信

各瓦斯发电站低压配电室内设电话一部。

因煤矿已有完善的通讯系统，本工程不再新上通讯调度系统，外线从原调度中心分