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摘要：介绍瓦斯发电机组余热利用原理，通过结合鸡西滴道盛和煤矿十一井对余热的利用所带来的经济效益，探讨瓦斯发电机组烟气余热利用的发展前景。
关键词：瓦斯危害；瓦斯发电；余热利用；经济效益
鸡西矿区建矿开采煤炭已有百年历史，整个矿区的瓦斯资源是比较丰富的，鸡西矿业集团从80年代就开始建立瓦斯抽放系统，瓦斯抽放系统的建立在鸡西矿区的安全生产中发挥了巨大的作用。
一、瓦斯危害
瓦斯，是吸附在煤层中的一种非常规天然气，其主要成分和天然气一样，均为甲烷（CH4），甲烷含量大于95%。在矿井通风或抽放后被直接排放到大气中，给环境带来了一系列的污染问题。气候变迁跨国委员会研究报告指出，“甲烷的温室效应作用是二氧化碳的24.5倍”，对臭氧层的破坏作用是一氧化碳的7倍，是造成地球气候变迁、导致地球温室环境的元凶之一，已成为当前环境保护的热点问题之一。
二、瓦斯发电的产生及余热利用
瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的发热量为33.5～37.7 kJ/m3（8000～9000kcal/m3），按热值计算，大致1000m3的瓦斯相当于1吨标准煤，是一种非常洁净、高效、优质、安全的能源。使用洁净能源，降低因使用燃煤而造成的污染程度，是当前能源开发利用与研究的方向，如果进行瓦斯的开发利用，既可以减少因瓦斯直接排放对环境的污染，充分利用洁净能源，又可以提高煤炭开采过程中的安全性。
从2006年开始，鸡矿集团首次对发电项目进行了尝试，在技术论证阶段，发现瓦斯发电机组燃烧瓦斯的产生的能量只有35～40%转化为电能，30～35%随着高温烟气（烟气温度达到500℃）排入大气，20%从发电机冷却水损失掉。能量的损失远大于能量的利用，这种浪费完全不符合国家节能减排的政策，鸡矿集团领导决定既采用瓦斯发电项目又达到发电余热的最高利用率，使能量达到充分的利用。
三、滴道盛和煤矿十一井瓦斯发电余热利用实践
滴道盛和煤矿十一井属于低瓦斯矿井，瓦斯抽放站及发电站建在距离矿区外200m的山上，鉴于矿区内锅炉出力不足的因素，考虑在十一井瓦斯发电站进行余热利用，解决矿区内由于锅炉出力不足导致的生产及生活问题。
1、瓦斯发电余热的用途
（1）建筑物采暖。在瓦斯发电机组烟道出口加装一套余热回收装置，循环水泵将软化水送到余热回收装置，经加热的软化水进入分水器内，分出一支管路供发电站冬季室内采暖，同时又分出一支管路进入矿区换热站内的采暖换热器，经水水换热器后，供十一井办公楼冬季室内采暖，采暖回水被送回到余热回收装置；
（2）供应浴池洗浴热水。从分水器内分出一支管路，进入矿区换热站内洗浴换热器，换热后的热水进入洗浴热水箱，与冷水混合40℃热水后，供应十一井浴池，供工人洗浴之用。
2、余热利用设备选型
瓦斯发电机组采用4台胜动集团500kw低浓度瓦斯發电机组，型号为：500GF1-3PWW；余热利用设备采用针形管余热回收器，型号为：KNPT04。针形管余热回收器采用针型管强化传热元件扩展受热面，同时烟气流经针型管表面时形成强烈的紊流，起到提高传热效率和减少烟灰积聚的作用。
3、余热回收及利用能量计算
瓦斯发电机组排放的烟气温度高达500℃，利用针形管余热回收器将500℃的高温烟气降到100℃后，再进行排放。通过余热回收器将400℃温差的热量全部换热给冷水，使冷水达到使用要求。
（1）余热回收能量计算
QH = Cp G（Tr - Tc）
G = ρv
Cp — 烟气比热，300 ℃烟气取 0.25 kcal/kg﹒K；
v — 烟气流量，取 68 m3/min；
ρ— 烟气平均密度，取 0.62 kg/m3；
Tr — 回收器入口温度，取 500 ℃；
Tc — 回收器入口温度，取 100 ℃。
QH = 0.25 x 68 x 60 x 0.62 x（500-100）
= 252960 kcal/h
则4台针形管余热回收器回收的热量为：
Qz = 252960 x 4 = 1011840 kcal/h。
（2）余热利用能量计算
针形管余热回收器平时4台工作，在检修时，3台工作，1台检修，故换热效率按75%考虑。
QS = 1011840 x 75% = 758880 kcal/h。
4、滴道盛和煤矿十一井用热计算
（1）冬季采暖热用计算
滴道盛和煤矿十一井办公楼及瓦斯发电站采暖供热面积共计2900 m2，每平米采暖热负荷按80 kcal/h估算，则：
Qc = 80 x 2900 = 232000 kcal/h。
（2）洗浴用热计算
目前矿井最大班工人数为210人，每人洗浴标准按150 L计算，冷水从5℃通过换热器换热至40℃，则：
QX = 210 x 150 x 1 x（40-5）= 1102500 kcal/h。
5、回收余热与矿井用热能量复核
瓦斯发电机组每天24小时运行，故每天回收的余热总量为：
QHZ = QS x 24 = 758880 x 24 = 18213120 kcal/d；
矿井冬季最大热负荷（采暖和浴池）：
QYR = QC x 24 + QX x 3 = 232000 x 24 + 1102500 x 3
= 8875500 kcal/d；
每天富裕热量为：QFY = QHZ - QYR
= 18213120 - 8875500
= 9337620 kcal/d
富裕系数为：η= QHZ/QYR = 18213120/8875500 = 2.05
四、经济效益
通过计算，滴道盛和煤矿十一井冬季最大热负荷为888万 kcal/d，而瓦斯发电机组余热实际回收热量为1821万kcal/d，富裕系数为2.05。
滴道盛和煤矿十一井冬季采暖热负荷为77172.48万kcal/a；洗浴用热水热负荷为120723.75万kcal/a，
则：全年总热负荷为：197896.23万kcal/a。
滴道盛和煤矿十一井产原煤工作基低发热值为4200 kcal/kg，锅炉热效率按75%计算，
则每公斤煤的有效热量为：3150 kcal/kg。
全部热负荷所需燃料量为：
吨/a。
结论：按照以上计算，仅仅满足滴道盛和煤矿十一井现有用热情况，每年可节省原煤628.24吨，以井口出煤每吨400元计算，则每年节省费用为25.13万元。
节省费用按实际应用计算所得，如果将瓦斯发电烟气回收的全部余热应用到矿井的生产和生活中，全年可节约原煤量为：
吨
则全年可节约资金为84.4万元。
五、烟气余热利用的发展前景
通过滴道盛和煤矿十一井实际应用所取得的效果，可见瓦斯发电烟气余热利用项目发展前景非常明朗，目前鸡西矿业集团瓦斯抽放能力为998 m3/min，规划建设抽放能力1117 m3/min，建成后年设计瓦斯抽放能力将达到11亿m3/a，如果将所有瓦斯抽放工程配套瓦斯发电及烟气余热利用工程，则每年可节约原煤数万吨，其经济价值非常可观。
参考文献：
[1]2010最新煤矿安全生产与瓦斯爆炸事故防范案例分析应用手册
[2]最新煤矿安全规程与矿井瓦斯治理技术标准实用手册
[3]燃烧与传热工程计算图表，霍光云，选编.天津科学技术出版社
关键词：瓦斯危害；瓦斯发电；余热利用；经济效益
鸡西矿区建矿开采煤炭已有百年历史，整个矿区的瓦斯资源是比较丰富的，鸡西矿业集团从80年代就开始建立瓦斯抽放系统，瓦斯抽放系统的建立在鸡西矿区的安全生产中发挥了巨大的作用。
一、瓦斯危害
瓦斯，是吸附在煤层中的一种非常规天然气，其主要成分和天然气一样，均为甲烷（CH4），甲烷含量大于95%。在矿井通风或抽放后被直接排放到大气中，给环境带来了一系列的污染问题。气候变迁跨国委员会研究报告指出，“甲烷的温室效应作用是二氧化碳的24.5倍”，对臭氧层的破坏作用是一氧化碳的7倍，是造成地球气候变迁、导致地球温室环境的元凶之一，已成为当前环境保护的热点问题之一。
二、瓦斯发电的产生及余热利用
瓦斯的主要成分是甲烷（CH4），甲烷的发热量为33.5～37.7 kJ/m3（8000～9000kcal/m3），按热值计算，大致1000m3的瓦斯相当于1吨标准煤，是一种非常洁净、高效、优质、安全的能源。使用洁净能源，降低因使用燃煤而造成的污染程度，是当前能源开发利用与研究的方向，如果进行瓦斯的开发利用，既可以减少因瓦斯直接排放对环境的污染，充分利用洁净能源，又可以提高煤炭开采过程中的安全性。
从2006年开始，鸡矿集团首次对发电项目进行了尝试，在技术论证阶段，发现瓦斯发电机组燃烧瓦斯的产生的能量只有35～40%转化为电能，30～35%随着高温烟气（烟气温度达到500℃）排入大气，20%从发电机冷却水损失掉。能量的损失远大于能量的利用，这种浪费完全不符合国家节能减排的政策，鸡矿集团领导决定既采用瓦斯发电项目又达到发电余热的最高利用率，使能量达到充分的利用。
三、滴道盛和煤矿十一井瓦斯发电余热利用实践
滴道盛和煤矿十一井属于低瓦斯矿井，瓦斯抽放站及发电站建在距离矿区外200m的山上，鉴于矿区内锅炉出力不足的因素，考虑在十一井瓦斯发电站进行余热利用，解决矿区内由于锅炉出力不足导致的生产及生活问题。
1、瓦斯发电余热的用途
（1）建筑物采暖。在瓦斯发电机组烟道出口加装一套余热回收装置，循环水泵将软化水送到余热回收装置，经加热的软化水进入分水器内，分出一支管路供发电站冬季室内采暖，同时又分出一支管路进入矿区换热站内的采暖换热器，经水水换热器后，供十一井办公楼冬季室内采暖，采暖回水被送回到余热回收装置；
（2）供应浴池洗浴热水。从分水器内分出一支管路，进入矿区换热站内洗浴换热器，换热后的热水进入洗浴热水箱，与冷水混合40℃热水后，供应十一井浴池，供工人洗浴之用。
2、余热利用设备选型
瓦斯发电机组采用4台胜动集团500kw低浓度瓦斯發电机组，型号为：500GF1-3PWW；余热利用设备采用针形管余热回收器，型号为：KNPT04。针形管余热回收器采用针型管强化传热元件扩展受热面，同时烟气流经针型管表面时形成强烈的紊流，起到提高传热效率和减少烟灰积聚的作用。
3、余热回收及利用能量计算
瓦斯发电机组排放的烟气温度高达500℃，利用针形管余热回收器将500℃的高温烟气降到100℃后，再进行排放。通过余热回收器将400℃温差的热量全部换热给冷水，使冷水达到使用要求。
（1）余热回收能量计算
QH = Cp G（Tr - Tc）
G = ρv
Cp — 烟气比热，300 ℃烟气取 0.25 kcal/kg﹒K；
v — 烟气流量，取 68 m3/min；
ρ— 烟气平均密度，取 0.62 kg/m3；
Tr — 回收器入口温度，取 500 ℃；
Tc — 回收器入口温度，取 100 ℃。
QH = 0.25 x 68 x 60 x 0.62 x（500-100）
= 252960 kcal/h
则4台针形管余热回收器回收的热量为：
Qz = 252960 x 4 = 1011840 kcal/h。
（2）余热利用能量计算
针形管余热回收器平时4台工作，在检修时，3台工作，1台检修，故换热效率按75%考虑。
QS = 1011840 x 75% = 758880 kcal/h。
4、滴道盛和煤矿十一井用热计算
（1）冬季采暖热用计算
滴道盛和煤矿十一井办公楼及瓦斯发电站采暖供热面积共计2900 m2，每平米采暖热负荷按80 kcal/h估算，则：
Qc = 80 x 2900 = 232000 kcal/h。
（2）洗浴用热计算
目前矿井最大班工人数为210人，每人洗浴标准按150 L计算，冷水从5℃通过换热器换热至40℃，则：
QX = 210 x 150 x 1 x（40-5）= 1102500 kcal/h。
5、回收余热与矿井用热能量复核
瓦斯发电机组每天24小时运行，故每天回收的余热总量为：
QHZ = QS x 24 = 758880 x 24 = 18213120 kcal/d；
矿井冬季最大热负荷（采暖和浴池）：
QYR = QC x 24 + QX x 3 = 232000 x 24 + 1102500 x 3
= 8875500 kcal/d；
每天富裕热量为：QFY = QHZ - QYR
= 18213120 - 8875500
= 9337620 kcal/d
富裕系数为：η= QHZ/QYR = 18213120/8875500 = 2.05
四、经济效益
通过计算，滴道盛和煤矿十一井冬季最大热负荷为888万 kcal/d，而瓦斯发电机组余热实际回收热量为1821万kcal/d，富裕系数为2.05。
滴道盛和煤矿十一井冬季采暖热负荷为77172.48万kcal/a；洗浴用热水热负荷为120723.75万kcal/a，
则：全年总热负荷为：197896.23万kcal/a。
滴道盛和煤矿十一井产原煤工作基低发热值为4200 kcal/kg，锅炉热效率按75%计算，
则每公斤煤的有效热量为：3150 kcal/kg。
全部热负荷所需燃料量为：
吨/a。
结论：按照以上计算，仅仅满足滴道盛和煤矿十一井现有用热情况，每年可节省原煤628.24吨，以井口出煤每吨400元计算，则每年节省费用为25.13万元。
节省费用按实际应用计算所得，如果将瓦斯发电烟气回收的全部余热应用到矿井的生产和生活中，全年可节约原煤量为：
吨
则全年可节约资金为84.4万元。
五、烟气余热利用的发展前景
通过滴道盛和煤矿十一井实际应用所取得的效果，可见瓦斯发电烟气余热利用项目发展前景非常明朗，目前鸡西矿业集团瓦斯抽放能力为998 m3/min，规划建设抽放能力1117 m3/min，建成后年设计瓦斯抽放能力将达到11亿m3/a，如果将所有瓦斯抽放工程配套瓦斯发电及烟气余热利用工程，则每年可节约原煤数万吨，其经济价值非常可观。
参考文献：
[1]2010最新煤矿安全生产与瓦斯爆炸事故防范案例分析应用手册
[2]最新煤矿安全规程与矿井瓦斯治理技术标准实用手册
[3]燃烧与传热工程计算图表，霍光云，选编.天津科学技术出版社