高寒地区低浓度瓦斯发电技术研究与应用

夏侯剑峰++赵永城

摘 要：针对高寒地区低浓度瓦斯发电，就低温复杂环境下煤层气安全输送发电降温脱水、系统压力控制、低浓度煤层气安全输送的关键技术进行论述。

关键词：煤层气；低温；输送

鸡西矿业集团从80年代就开始建立瓦斯抽采系统，对生产矿井的瓦斯进行抽采，从2002年起鸡西矿业集团投巨资改扩建了瓦斯抽采系统，3年内共建了五处集中瓦斯抽采系统，设计总抽采能力为5亿立方米。瓦斯抽采系统的建立为鸡西矿区的安全生产取到了巨大的作用。

鸡西矿区城子河矿、杏花矿、东海矿、东山煤业公司及平岗矿抽排瓦斯为低浓度瓦斯气，为了确保发电机组的正常运行，必须将低浓度瓦斯安全地输送至低浓度瓦斯发电站。面对矿井采煤工作面瓦斯涌出量相对不稳定，瓦斯流量和浓度波动大，单搞矿区地面集中抽放无法将瓦斯流量和濃度调控在瓦斯发电机组允许范围内，为此，我们研究和应用过多种调控瓦斯方法：

1、煤层气在低温复杂环境下安全输送技术

在低温复杂环境下对易冻的管路设备及一次元件和调节阀进行特殊防静电保温。防静电保温有两种方式：一种是对煤层气（煤矿瓦斯）输送系统中的关键部件采用集中防静电保温；另一种是采取保留法兰和容器的空间，从外向里先包防静电保温棉，使里面空气能产生对流，最后外面包上铝皮盒的方式进行防静电保温。上述防静电保温方式可使法兰面温度保持在0℃～35℃以上，满足燃气发电机组对燃气温度在0℃～35℃的要求。

2、夏季高温复杂环境下煤层气水雾分离技术

夏季环境温度高于25℃～35℃时，输送过程燃气中含有大量的水蒸气，使燃气发动机运转不稳定，甚至停车。为此在煤层气（煤矿瓦斯）抽放泵站及燃气发电机组前端，分别配备一套降温脱水装置，其主要原理是：

（1）降温脱水装置采用冷却水与旋风脱水和重力脱水相结合，使进入燃气发电机组的燃气不含游离水。

（2）旋风和重力脱水装置上分别设置弹簧自复位式防爆安全门，弹簧开启压力设置在100kPa。

（3）降温脱水装置脱出来的水由水泵加压循环使用。建议对瓦斯抽排泵的水池进行冷却，降低抽排瓦斯气体的温度。有利于发电机组脱水，提高发电功率。

3、煤层气（煤矿瓦斯）输送系统的压力控制技术

为保证煤矿水环真空泵的安全运行和整个输送系统工作的压力在3～10kPa范围内，在煤层气（煤矿瓦斯）输送系统的主管道上增设一套对煤层气（煤矿瓦斯）安全稳压放散装置。

4、低浓度煤层气安全输送技术

低浓度煤矿瓦斯经过水位自控水封阻火装置和金属波纹带瓦斯管道专用阻火装置，进入细水雾变送管道与细水雾混合输送。细水雾经脱水器脱水后循环使用，在输送管道中能够熄灭由于湿式、干式阻火器失效而过来的火焰，同时消除了输送管道的静电。输送管道终端再配置瓦斯专用干式阻火器，保证瓦斯输送过程高度安全。

5、湿式水位自控阻火技术

阻火装置由雷达液位计、水封阻火罐、水位自动监控系统、PC机、GPRS等部分组成，实现水封阻火罐水面的全自动监控和数据无线上传（通过GPRS）。

●雷达液位计测量水封水位，并将信号传给监控系统；

●水位监控系统判断水位高低，按程序设定适时放水或加水；

● PC机用于实现水封阻火罐的模拟控制和上下限等参数的设置；

● GPRS用于水位监控信息的无线上传

6、干式瓦斯专用阻火技术

●阻火原理是基于火焰冷壁淬熄现象。

●火焰以一定速度进入阻火芯狭缝时，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，反应区的热量流向冷壁边界。

●火焰面达到一定距离时，开始形成熄火层，自由基越来越少直到没有，火焰熄灭

7、细水雾与低浓度瓦斯混合变送技术

低浓度煤矿瓦斯经过水位自控水封阻火装置和金属波纹带瓦斯管道专用阻火装置，进入细水雾变送管道与细水雾混合输送。细水雾经脱水器脱水后循环使用，在输送管道中能够熄灭由于湿式、干式阻火器失效而过来的火焰，同时消除了输送管道的静电。输送管道终端再配置瓦斯专用干式阻火器，保证瓦斯输送过程高度安全。

8细水雾灭火技术

细水雾灭火机理如下：

●冷却：细水雾在汽化过程中吸收大量热量，从而使燃烧物表面温度迅速降低至燃烧临界值以下，燃烧随即终止。

●稀释：火焰进入细水雾后，细水雾迅速蒸发，气体急剧膨胀，使燃烧反应分子在空间上距离拉大，抑制火焰。

综上所述，在瓦斯输送系统中采用压力控制技术和采用气体水雾分离技术。有效解决了煤矿煤层地质条件、超前压力的影响范围，以及煤层瓦斯赋存状况、涌出量等因素的不同，在分析采动影响下采场围岩活动规律与瓦斯空间运移规律的基础上，而创造出的新的瓦斯安全输送方法。其特点是：利用计算机远程控制实现对输送系统管道压力突变时，对瓦斯安全稳压放散罐内的水量来调整，保证煤矿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；利用水雾分离装置将瓦斯输送系统中的气体由实现旋风脱水和重力脱水两种方式串联，设置在利用瓦斯发电机组跟前，每台发电机组分别配备一套水雾分离装置。该压力控制，气体水雾分离技术的应用，取得了良好的技术与经济效果。

一年多来，公司四处瓦斯发电站共安装的45台低浓度瓦斯发电机组，全部实现了8%-25%低浓度瓦斯发电，利用率达到了30-70%，为采煤工作面正常生产提供了可靠的安全保障，极大地解放了工作面及系统的生产能力，为我矿高产高效矿井的建设奠定了坚实的基础。同时又消除了干部职工对瓦斯的恐惧感，解除了他们的心理压力，稳定了职工队伍，取得了明显的经济效益、安全效益和社会效益。

作者简介：

夏侯剑峰 （1974-）男，黑龙江七台河人，工程师，主要从事低浓度瓦斯发电技术管理与新技术科研推广等工作。

赵永城（1970-），男，黑龙江鸡西人，工程师，学士，研究方向：低浓度瓦斯发电技术。