瓦斯發(fā)電機(jī)組利用超低濃度瓦斯摻氧發(fā)電的可行性分析與實(shí)踐

煤層氣公司 苗亞臣 徐樂宇 張化軍

摘 ?要 ?分析了利用工業(yè)制氧機(jī)補(bǔ)充純氧實(shí)現(xiàn)利用超低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電的可行性。

關(guān)鍵詞 ?超低濃度瓦斯 ?摻氧發(fā)電?可行性分析 ?實(shí)踐

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1 ?概 ?述

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鐵煤集團(tuán)在2007年10月引進(jìn)了低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)，先后在鐵法礦區(qū)的五個(gè)煤礦投資建成了6座瓦斯發(fā)電站。目前煤層氣公司所屬的瓦斯發(fā)電場(chǎng)，共有17臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為9100kWh。

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2 問題提出

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煤層氣公司將各礦井抽采的甲烷濃度高于30%的中等濃度瓦斯氣與壓裂井抽采的高濃瓦斯氣（甲烷濃度在97%以上）進(jìn)行摻混，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)銷售；將甲烷濃度13～30%的瓦斯氣用于發(fā)電。近年來(lái)隨著各礦井的煤炭資源逐漸枯竭，煤炭產(chǎn)量降低，造成低濃度瓦斯（甲烷濃度低于30%）的瓦斯氣量呈上升趨勢(shì)，而中等濃度以上的瓦斯氣產(chǎn)量卻呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。

然而，在生產(chǎn)實(shí)踐中，甲烷濃度在9～13%之間的瓦斯卻很難用于啟機(jī)發(fā)電。甲烷在空氣中的爆炸極限為5～16%,而且在濃度為9%的狀態(tài)下爆炸威力是最大的，然后在這此種濃度狀態(tài)下瓦斯發(fā)電機(jī)組卻無(wú)法啟機(jī)發(fā)電，同時(shí)排空的甲烷氣體又會(huì)對(duì)大氣造成巨大污染，即浪費(fèi)資源又不利于環(huán)境保護(hù)。通過(guò)對(duì)瓦斯發(fā)電行業(yè)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種狀況是瓦斯發(fā)電單位普遍存在的狀況，而且一致認(rèn)為甲烷濃度低是主要原因。

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3 原因分析

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通過(guò)對(duì)可能影響瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率因素的跟蹤分析后，確定氣源是主要原因。瓦斯發(fā)電機(jī)組供氣源的要求為：低濃度瓦斯氣主管道輸送壓力3～10kPa，瓦斯氣溫度≤40℃，適應(yīng)的甲烷體積含量不低于9%；對(duì)于甲烷體積含量小于30%的瓦斯，甲烷與氧氣體積含量之和不低于28%，氧氣體積含量不低于16%。壓力變化率≤1kPa/min，變化速率≤5%/min，雜質(zhì)粒度≤5μm，雜質(zhì)含量≤30mg/Nm³，含硫量≤50mg/Nm³，水分含量≤10g/Nm³，不含游離水。

而在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)甲烷濃度低于13%時(shí)，卻直接造成發(fā)電機(jī)組逆功率運(yùn)行，直至被迫停機(jī)停產(chǎn)。通過(guò)對(duì)鐵法礦區(qū)各氣源礦井的低濃瓦斯氣進(jìn)行跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，小青電站、曉南電站、大隆電站的氣源甲烷濃度維持在9～13%。其他3座發(fā)電站即使氣源濃度在13～20%濃度區(qū)間內(nèi)，其發(fā)電功率也大多在300kW/h（瓦斯發(fā)電機(jī)組額定功率為500kW/h，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率為400kW/h）。

結(jié)合對(duì)瓦斯氣源狀況的持續(xù)跟蹤分析，并結(jié)合甲烷爆炸燃燒的化學(xué)式，推測(cè)：導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機(jī)組無(wú)法利用超低濃度瓦斯進(jìn)行啟機(jī)發(fā)電的根本原因是瓦斯氣體中含氧量不足。甲烷爆炸燃燒的化學(xué)式如下：

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O

由于含氧量的不足造成甲烷無(wú)法在爆炸極限范圍內(nèi)進(jìn)行爆炸燃燒，因此導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無(wú)法啟機(jī)發(fā)電。對(duì)具有代表性的小青發(fā)電站的氣源取樣如表1。

表1 小青礦氣樣分析化驗(yàn)表

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?	分析化驗(yàn)結(jié)果
氣體成分	CH4(%)	02(%)	N2(%)	C02(%)	C0(%)	C2H6(%)	C2H4(%)	C2H2(%)
小青泵站	11.7925	14.8166	72.9325	0.3857	0	0.0727	0	0

上表中，采樣氣源中甲烷體積含量為11.8%，在甲烷爆炸極限范圍內(nèi)，同時(shí)滿足氣源濃度在9%以上的要求，但其氧氣含量按化學(xué)式計(jì)算應(yīng)該為23.6%,顯然瓦斯氣中含氧量不足，不足以維持甲烷爆炸燃燒。為了配給更多的氧氣，實(shí)際運(yùn)行中需要調(diào)整瓦斯發(fā)電機(jī)組的空氣配給，以滿足氧氣需要。而空氣中的氧氣含量?jī)H為21%，在配給氧氣的同時(shí)，卻稀釋了甲烷濃度，導(dǎo)致低于9%甲烷的濃度要求，此連帶關(guān)系造成瓦斯發(fā)電機(jī)組無(wú)法啟機(jī)發(fā)電。

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4 實(shí)驗(yàn)論證

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4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

設(shè)想利用制氧機(jī)制造高濃度氧氣，摻混到瓦斯氣中，既能滿足瓦斯爆炸燃燒對(duì)氧氣的需求，又能防止因添加空氣增加氧氣的辦法，造成甲烷濃度稀釋到爆炸區(qū)間以外。為確保設(shè)備投資的科學(xué)性，因此設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)化的試驗(yàn)方案，應(yīng)用于瓦斯發(fā)電機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)證。

采用氧氣瓶補(bǔ)給氧氣，摻混到瓦斯氣源內(nèi)，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。首先，在瓦斯發(fā)電機(jī)組左右兩側(cè)的調(diào)壓閥與阻火器之間，分別選擇了一處加氧點(diǎn)，并焊接了接頭。然后，為了確保氧氣的持續(xù)供應(yīng)，為啟機(jī)操作和調(diào)整提供充足的時(shí)間，分別制作了兩組氧氣瓶組，以確保充足的氧氣供應(yīng)。其次，為了平衡各氧氣瓶之間及系統(tǒng)氧氣輸送的壓力穩(wěn)定，分別制作了兩個(gè)壓力緩沖罐。

4.2實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：在開機(jī)前測(cè)量氣源濃度。甲烷濃度為11.8%，氧氣濃度為14.8%。

第二步：在做好啟機(jī)安全檢查后，在不加入氧氣的狀態(tài)下進(jìn)行啟機(jī)。雖然有點(diǎn)火跡象，但無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定爆炸燃燒，無(wú)法啟機(jī)并維持發(fā)電運(yùn)行。

第三步：連接加氧系統(tǒng)，并再次試驗(yàn)啟機(jī)。當(dāng)緩慢開啟緩沖罐出口閥門，逐漸將氧氣瓶組內(nèi)的氧氣摻混到瓦斯氣中時(shí)，來(lái)自瓦斯發(fā)電機(jī)的聲音顯示，在缸體內(nèi)發(fā)生了持續(xù)的點(diǎn)火并穩(wěn)定的爆炸燃燒。瓦斯發(fā)電機(jī)組隨即順利啟機(jī)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷。逐漸調(diào)整發(fā)電功率，最終順利達(dá)到400kW/h的發(fā)電功率。機(jī)組維持運(yùn)行1小時(shí)35分鐘后，氧氣瓶?jī)?nèi)氧氣耗盡，隨后發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率從400kW/h逐漸降低，直至逆功停機(jī)。記錄此過(guò)程，累計(jì)發(fā)電443kWh。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

瓦斯發(fā)電機(jī)組無(wú)法利用處于爆炸極限范圍內(nèi)的超低濃度瓦斯進(jìn)行啟機(jī)發(fā)電的主要原因?yàn)橥咚箽怏w內(nèi)氧氣含量不足。

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5 經(jīng)濟(jì)性分析

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根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，擬設(shè)想在鐵法礦區(qū)的小青瓦斯發(fā)電站內(nèi)，增設(shè)一臺(tái)變壓吸附（PSA）工業(yè)制氧機(jī)，通過(guò)鋪設(shè)摻混氧氣管路分別與小青瓦斯發(fā)電站三臺(tái)發(fā)電機(jī)組的主進(jìn)氣管路連接。達(dá)到利用超低濃度瓦斯進(jìn)行混氧發(fā)電的目的。

5.1 摻混氧氣量計(jì)算

實(shí)驗(yàn)中供氣源中甲烷的體積含量為11 %；氧氣體積含量為14%計(jì)算；按每Nm?純甲烷可發(fā)電3kWh.

單臺(tái)機(jī)組按每小時(shí)發(fā)電400kW運(yùn)行所需要的瓦斯體積混量為：

400?3?0.11≈1212( m?)

其中單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行所需要的瓦斯體積混量中氧氣量為：

1212?0.14≈170( m?)

單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)運(yùn)行所需要的摻混的氧氣量為（甲烷和氧氣體積含量之和為規(guī)定的28%）：

1212?（0.28-0.11-0.14）=36.4( m?)

實(shí)驗(yàn)使用了7瓶氧氣，每瓶氧氣按6m?計(jì)算，可見，以上計(jì)算數(shù)值與實(shí)際消耗氧氣量基本符合。

5.2工業(yè)制氧機(jī)選型計(jì)算

為滿足小青電站內(nèi)三臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組摻混氧氣用量要求，每小時(shí)制氧量需大于114.39 m?（常溫體積）；故選擇制氧能力100Nm?，氧氣純度在（93%?2）以上的變壓吸附（PSA）工業(yè)性制氧機(jī)。通過(guò)對(duì)某品牌工業(yè)制氧機(jī)的市場(chǎng)調(diào)研，表2為每小時(shí)100 m?制氧量制氧機(jī)的報(bào)價(jià)。

??表2?每小時(shí)100 m?制氧量制氧機(jī)的報(bào)價(jià)表

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序號(hào)	名 ?稱	型號(hào)規(guī)格	數(shù)量	單價(jià)（萬(wàn)元）
1	空壓機(jī)	BKL132-8GH	1臺(tái)	7.56
2	空氣儲(chǔ)罐	2.0m3/8KG	1臺(tái)	0.46
3	冷干機(jī)	HD0250	1套	2.24
4	主管路過(guò)濾器	C-25法蘭式	1套	0.45
5	微油過(guò)濾器	T-25法蘭式	1套	0.45
6	超高效過(guò)濾器	A-25法蘭式	1套	0.45
7	活性碳過(guò)濾器	HDT-25	1套	0.55
8	PSA制氧機(jī)	HDF093-100	1套	30.38
9	氧氣儲(chǔ)罐	2.0m3/8KG	1臺(tái)	0.72
10	運(yùn)費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)		1套	1.00
?	含稅價(jià)（大寫）：肆拾肆萬(wàn)貳仟陸佰元 整			合計(jì)：44.26萬(wàn)元

????????????注：本報(bào)價(jià)，含稅，含運(yùn)費(fèi)含人工安裝調(diào)試費(fèi)、人員培訓(xùn)費(fèi)

5.3制氧成本計(jì)算

HDFQ93-150型工業(yè)制氧機(jī)包含空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、SPA制氧系統(tǒng)，總功率為137Kw，其他耗材為可再生的活性炭，其成本可忽略不計(jì)。即制氧成本主要構(gòu)成即為用電成本。

5.4 投資回報(bào)期

建設(shè)一臺(tái)可移動(dòng)式的撬裝制氧設(shè)備，制氧量為100m?/h，根據(jù)表2，工程計(jì)劃投資50萬(wàn)元，按每度電的銷售價(jià)格0.42元、瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率為400kW、按單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，每月運(yùn)行30天，計(jì)算收回工程投資的時(shí)間不到5個(gè)月，計(jì)算如下：

500000?0.42?400?24?30≈4.1（月）

5.5 效益分析

按利用供氣源摻混部分制氧氣方式運(yùn)行，一方面可以實(shí)現(xiàn)利用超低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電創(chuàng)效的目的，同時(shí)，其對(duì)于利用中等濃度瓦斯氣進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電效率同樣具有提高的作用?？梢苿?dòng)式的撬裝制氧設(shè)備還可以方便的運(yùn)輸?shù)叫枰贸蜐舛韧咚惯M(jìn)行發(fā)電的發(fā)電站進(jìn)行使用。如表3所示，預(yù)計(jì)全年可減少因濃度過(guò)低造成的瓦斯發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)長(zhǎng)2.3萬(wàn)h，全年可增加發(fā)電量1000萬(wàn)kWh，按2018年瓦斯發(fā)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，售電單價(jià)為0.42元/kWh計(jì)算，增加利潤(rùn)400萬(wàn)元以上；減少濃度為11%的低濃度甲烷排放310萬(wàn)m?，減排補(bǔ)助按每立方米純量0.2元計(jì)算，爭(zhēng)取國(guó)家減排補(bǔ)助62萬(wàn)元。累計(jì)創(chuàng)效460萬(wàn)元。

表3?摻氧發(fā)電效益分析表

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瓦斯發(fā)電站	售電增收			減排補(bǔ)助		合計(jì)創(chuàng)收 （萬(wàn)元）
	減少停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)（h）	增加發(fā)電量 （萬(wàn)kWh）	售電增收 （萬(wàn)元）	減少甲烷排放量（萬(wàn)m?）	減排補(bǔ)助 （萬(wàn)元）
大隆瓦斯發(fā)電站	1248	4.99	1.99	16.62	3.32	5.31
大興瓦斯發(fā)電站	5617	337.02	134.47	74.82	14.96	149.43
曉南瓦斯發(fā)電站	3367	134.68	53.74	44.85	8.97	62.71
小青瓦斯發(fā)電站	13115	524.60	209.31	174.69	34.93	244.24
累積	23347	1001.29	399.51	310.98	62.20	461.71

6 結(jié) ?語(yǔ)

通過(guò)建立最小化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，證明了瓦斯發(fā)電機(jī)組無(wú)法利用甲烷濃度在9～13%范圍內(nèi)的瓦斯進(jìn)行發(fā)電的根本原因是瓦斯氣體內(nèi)含氧量不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果糾正了瓦斯發(fā)電行業(yè)一直以來(lái)存在的一個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)。同時(shí)，以最小化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，大膽的提出利用工業(yè)制氧機(jī)補(bǔ)充純氧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用超低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電的設(shè)想。經(jīng)過(guò)測(cè)算該項(xiàng)目除了具有顯著的經(jīng)濟(jì)，每年可為煤層氣公司創(chuàng)效460萬(wàn)元以上，在減少溫室氣體排放方面還具有顯著的環(huán)保和節(jié)能效益，具有良好的推廣價(jià)值。

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第一作者簡(jiǎn)介：苗亞臣 （1968—），男，高級(jí)工程師。1991年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院煤田地質(zhì)勘查專業(yè)，現(xiàn)任煤層氣公司經(jīng)理。聯(lián)系電話：024-76838041。