雞西礦業(yè)集團(tuán)高寒地區(qū)低濃度瓦斯發(fā)電及工藝設(shè)計(jì)

杜學(xué)工 李慶海 趙永城 張信國(guó)

(雞西礦業(yè)集團(tuán)隆昇發(fā)電公司,黑龍江省雞西市,158170)

★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

雞西礦業(yè)集團(tuán)高寒地區(qū)低濃度瓦斯發(fā)電及工藝設(shè)計(jì)

杜學(xué)工 李慶海 趙永城 張信國(guó)

(雞西礦業(yè)集團(tuán)隆昇發(fā)電公司,黑龍江省雞西市,158170)

為了適應(yīng)黑龍江省雞西市高寒地區(qū)低濃度瓦斯發(fā)電的建設(shè),提高煤礦瓦斯利用率,雞西礦業(yè)集團(tuán)在低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)和主要設(shè)備設(shè)施等方面進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn),將高濃度瓦斯發(fā)電工藝設(shè)備改造成低濃度瓦斯發(fā)電工藝設(shè)備。通過(guò)運(yùn)行實(shí)踐,改造后的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行可靠、安全。通過(guò)開(kāi)展瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用回收,實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的全面安全環(huán)保,提高瓦斯開(kāi)發(fā)利用率達(dá)到25%以上。

低濃度瓦斯發(fā)電 瓦斯發(fā)電機(jī)組 瓦斯處理 細(xì)水霧 脫水 機(jī)組余熱利用

低濃度瓦斯發(fā)電是指利用甲烷含量為8%～25%的瓦斯進(jìn)行發(fā)電。雞西礦業(yè)集團(tuán)目前已建成低濃度瓦斯發(fā)電站10座,在建2座。裝設(shè)裝機(jī)容量500 k W的低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組59臺(tái)(其中17臺(tái)為高濃度瓦斯機(jī)組改造),總裝機(jī)容量達(dá)到2.95萬(wàn)k W。截至2014年12月30日,雞西礦業(yè)集團(tuán)已累計(jì)瓦斯發(fā)電上網(wǎng)5.3億k Wh,燃用瓦斯氣體2億m3,減排溫室氣體相當(dāng)于250萬(wàn)t CO2,節(jié)約標(biāo)煤30萬(wàn)t。

1 低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合安全輸送系統(tǒng)

煤礦地面抽放泵站抽取的瓦斯經(jīng)過(guò)去除雜質(zhì)和穩(wěn)壓處理后,通過(guò)瓦斯阻火裝置和細(xì)水霧混合安全輸送系統(tǒng)供給低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電。為了確保低濃度瓦斯在輸送時(shí)的安全、穩(wěn)妥,需要在低濃度瓦斯輸送管道上設(shè)置主/被動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備(雷達(dá)液位控制式水封阻火器、管道干式阻火器、泄壓溢流放散閥和防暴電動(dòng)閥門),最后經(jīng)過(guò)低濃度瓦斯細(xì)水霧混合安全輸送管道主動(dòng)式保護(hù)系統(tǒng),將低濃度瓦斯安全輸送到瓦斯發(fā)電機(jī)組。雞西礦業(yè)集團(tuán)低濃度瓦斯發(fā)電與細(xì)水霧混合安全輸送系統(tǒng)解決了冬季高寒情況下瓦斯輸送和測(cè)量控制以及三伏天瓦斯氣體降溫脫水問(wèn)題。低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合安全輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和工作流程如圖1所示。

圖1 低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合安全輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和工作流程圖

1.1 雷達(dá)液位控制式水封阻火器

雷達(dá)液位控制式水封阻火器主要由水封阻火器、雷達(dá)液位計(jì)、液位監(jiān)控系統(tǒng)、PC機(jī)、數(shù)據(jù)通信等部分組成,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)液位控制式水封阻火器水位的全自動(dòng)監(jiān)控。

雷達(dá)液位計(jì)負(fù)責(zé)測(cè)量水封阻火器內(nèi)部水位,并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控系統(tǒng),液位監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),按照水位設(shè)置要求啟動(dòng)電磁閥注水或放水。PC機(jī)主要負(fù)責(zé)參數(shù)計(jì)算和控制,數(shù)據(jù)通信主要用于測(cè)量和控制相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到控制中心(細(xì)水霧控制柜)。雷達(dá)液位控制式水封阻火器示意圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)液位控制式水封阻火器示意圖

當(dāng)管道內(nèi)產(chǎn)生的火焰到達(dá)水氣混合層和水分子接觸,火焰能量被水吸收形成水氣,使參加化學(xué)反應(yīng)的甲烷和氧氣自由基迅速減少,水的瞬間汽化膨脹使瓦斯?jié)舛瓤焖俳档痛偈够瘜W(xué)反應(yīng)停止,完成阻火作用。雷達(dá)液位控制式水封阻火器通常安裝在瓦斯抽放泵站出口不超過(guò)20 m處。

1.2 欄式過(guò)濾器

欄式過(guò)濾器主要作用是利用攔截和碰撞機(jī)理過(guò)濾煤礦瓦斯氣體中的煤巖粉塵,清潔瓦斯氣體以防止管道干式阻火器阻塞,起到延長(zhǎng)其清洗周期的作用。通常并列裝備2臺(tái)設(shè)備(1臺(tái)備用),開(kāi)氣的同時(shí)清洗阻火器或更換攔網(wǎng)而無(wú)需停氣,通常使用80目攔網(wǎng)做濾材。該裝置安裝在雷達(dá)液位控制式水封阻火器和管道干式阻火器之間。

1.3 管道干式阻火器

管道干式阻火器是瓦斯管道阻火的關(guān)鍵設(shè)備?；鹧嬖谧杌饚ИM縫中淬熄的主要原理是由于火焰表面的化學(xué)反應(yīng)放熱與散熱速度不匹配而引起的,火焰以一定速度進(jìn)入阻火帶狹縫時(shí),火焰表面接近阻火帶狹縫冷壁處,化學(xué)反應(yīng)活化中心的自由原子與冷壁碰撞釋放出能量,反應(yīng)區(qū)的熱量流向冷壁邊界,當(dāng)火焰面拉長(zhǎng)到一定距離時(shí),出現(xiàn)熄火層,隨著熄火層厚度不斷增大,自由基進(jìn)入熄火層內(nèi)復(fù)合成分子并釋放出能量,使自由基越來(lái)越少直至消失,達(dá)到火焰熄滅的效果。

瓦斯管道專用阻火器通常安裝在欄式過(guò)濾器之后,該裝置通常并列裝備2臺(tái)(1臺(tái)備用)。

1.4 泄壓溢流放散閥

泄壓溢流放散閥主要解決瓦斯輸送系統(tǒng)壓力突然升高時(shí)的系統(tǒng)安全問(wèn)題(如瓦斯發(fā)電機(jī)組突然停機(jī)或瓦斯?jié)舛韧蝗簧?,保證瓦斯抽排泵的安全運(yùn)行和細(xì)水霧瓦斯輸送系統(tǒng)的最高工作壓力不超過(guò)9～12 k Pa,當(dāng)輸送管路壓力增高時(shí),瓦斯穿過(guò)水柱釋放到大氣中。通過(guò)設(shè)置放散閥內(nèi)的水位高低實(shí)現(xiàn)瓦斯輸送系統(tǒng)最高壓力設(shè)置,水位高低可通過(guò)雷達(dá)液位儀實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。泄壓溢流放散閥通常安裝在主輸氣管路管道干式阻火器之后引出的旁路位置。

1.5 煤礦低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合主動(dòng)安全輸送系統(tǒng)

煤礦低濃度瓦斯經(jīng)過(guò)雷達(dá)液位控制式水封阻火器、欄式過(guò)濾器和管道干式阻火器與細(xì)水霧混合,通過(guò)細(xì)水霧混合主動(dòng)安全輸送系統(tǒng)向前輸送。細(xì)水霧安全輸送系統(tǒng)是一種主動(dòng)式安全保護(hù)系統(tǒng),也被稱為低濃度瓦斯細(xì)水霧混合主動(dòng)安全輸送系統(tǒng),可以熄滅管路中出現(xiàn)的火焰,并能及時(shí)消除輸送系統(tǒng)中產(chǎn)生的靜電。

在瓦斯輸送管路上每隔一段距離(直線距離不大于18 m)設(shè)置一個(gè)水霧發(fā)生器。發(fā)電站內(nèi)設(shè)置一個(gè)霧化水池安裝區(qū),在安裝區(qū)內(nèi)安裝多級(jí)離心泵,為瓦斯輸送管線上的水霧發(fā)生器提供高壓水,再通過(guò)水霧發(fā)生器向瓦斯管道內(nèi)噴射水霧。該裝置安裝在瓦斯輸送主管路防暴電動(dòng)閥門末端,溢流式脫水水封阻火器前端。

細(xì)水霧輸送系統(tǒng)主動(dòng)滅火原理:(1)冷卻作用。細(xì)水霧在汽化過(guò)程中,在燃燒區(qū)吸收大量熱能,使燃燒物表面溫度迅速降低至燃燒臨界值以下,燃燒隨即終止。(2)稀釋作用?；鹧孢M(jìn)入細(xì)水霧后,細(xì)水霧迅速蒸發(fā),氣體急劇膨脹,使燃燒反應(yīng)分子在空間上距離拉大,抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

1.6 系統(tǒng)保溫與除冰

黑龍江省雞西市所在位置屬高寒地區(qū),冬季最低氣溫約為－30℃,給瓦斯發(fā)電的電子控制和輸送裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大危害,必須采取一定的技術(shù)措施防止監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的失靈和水霧低溫結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生,避免造成局部壓力過(guò)高,保證低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

對(duì)易凍的設(shè)備及系統(tǒng)(如雷達(dá)液位控制式水封阻火器、欄式過(guò)濾器、管道干式阻火器、泄壓溢流放散閥和防暴電動(dòng)閥門等)進(jìn)行集中安裝,建設(shè)瓦斯處理室集中保溫,充分利用瓦斯攜帶地?zé)岬淖陨頊囟取Ｔ谳斔凸苈?、水霧發(fā)生器和閥門等關(guān)鍵部位包裹保溫材料減少散熱,在關(guān)鍵的瓦斯采樣監(jiān)測(cè)部位安裝電伴熱除冰系統(tǒng)等。

1.7 低濃度瓦斯與細(xì)水霧混合氣體脫水系統(tǒng)

瓦斯在被輸送至發(fā)電機(jī)組前,要將瓦斯細(xì)水霧混合氣體中的水分脫離出去,保證機(jī)組的正常輸出功率。夏季瓦斯氣體溫度達(dá)到40℃以上,瓦斯水霧混合氣體中的水分不易脫出,嚴(yán)重影響機(jī)組的正常輸出功率,同時(shí)由于進(jìn)入機(jī)組的瓦斯氣體含水量大,使機(jī)組使用壽命降低,因此必須解決瓦斯氣體脫水問(wèn)題。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)瓦斯水霧混合氣體溫度越低時(shí),旋風(fēng)重力脫水器脫水效果越好。設(shè)計(jì)氣體降溫冷卻器,將其安裝在主輸送管路末端,溢流式脫水水封阻火器前端,循環(huán)冷卻水經(jīng)冷卻器將瓦斯細(xì)水霧混合氣體中的熱量交換出來(lái),使瓦斯細(xì)水霧混合氣體降溫,高溫冷卻水經(jīng)晾散塔降溫后循環(huán)使用。降溫后的瓦斯細(xì)水霧混合氣體通過(guò)瓦斯脫水裝置進(jìn)行脫水,并輸送進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)組。瓦斯脫水裝置由溢流脫水水封阻火器、旋風(fēng)重力脫水器組成,溢流脫水水封阻火器安裝在瓦斯輸送系統(tǒng)末端,旋風(fēng)重力脫水器安裝在瓦斯發(fā)電機(jī)組前端。經(jīng)瓦斯脫水裝置脫離的水分回收至霧化水池后循環(huán)使用。瓦斯細(xì)水霧混合氣體降溫冷卻原理示意圖如圖3所示。

圖3 瓦斯細(xì)水霧混合氣體降溫冷卻原理示意圖

2 低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組

雞西礦業(yè)集團(tuán)原有17臺(tái)濟(jì)柴和勝動(dòng)高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組,由于煤礦瓦斯?jié)舛鹊慕档?造成機(jī)組開(kāi)機(jī)率低。2012年,集團(tuán)對(duì)高濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了改造,將進(jìn)氣總管道直徑由100 mm加粗到200 mm,以增加進(jìn)氣量,雙側(cè)進(jìn)氣各增加兩道管道干式阻火器和一道止逆閥以防止回火產(chǎn)生安全隱患,解決了空燃比自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)問(wèn)題(電控混合技術(shù))和低壓進(jìn)氣與稀薄氣體燃燒技術(shù)問(wèn)題等。改造后的機(jī)組可以對(duì)瓦斯?jié)舛仍?%以上的瓦斯進(jìn)行利用(高濃度機(jī)組利用瓦斯?jié)舛葹?5%以上),輸出功率可以達(dá)到500 k W,完全符合改造要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì),機(jī)組平均開(kāi)機(jī)率提高了20%,瓦斯利用率提高了25%。

3 低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用系統(tǒng)

對(duì)于低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組,瓦斯產(chǎn)生的能量約有30%～35%被轉(zhuǎn)化為電能,約有30%～35%的能量隨高溫?zé)煔馀懦?約20%～25%的能量被發(fā)動(dòng)機(jī)自身冷卻系統(tǒng)帶走,約10%的能量以機(jī)身散熱和阻力等形式損耗。瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用是通過(guò)專用設(shè)備將機(jī)組排出的高溫尾(煙)氣和冷卻系統(tǒng)帶走的熱量回收,再輸送到需要熱源的工業(yè)廣場(chǎng)或居民小區(qū)。

在瓦斯發(fā)電機(jī)組煙道出口上設(shè)計(jì)KNKR－50空氣換熱裝置,該產(chǎn)品換熱面積為47～60 m2,尾氣氣流量為2130 Nm3/h,加熱空氣流量為30000 Nm3/h,空氣流通阻力小于50 mm水柱。

為了將大量的高溫空氣輸送到煤礦巷道,采用2臺(tái)大功率(45 k W)風(fēng)機(jī),將空氣集中加壓送入空氣換熱器,進(jìn)行4次連續(xù)加熱后,高溫?zé)釟馔ㄟ^(guò)保溫管道和涵洞輸送到煤礦進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入井下暖井。

為了防止機(jī)組尾氣泄漏進(jìn)入井下和井下有害氣體反送,在熱風(fēng)出口設(shè)計(jì)單向止逆電動(dòng)風(fēng)門并安裝溫度、流量和有害氣體傳感器等輸送監(jiān)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)生機(jī)組尾氣泄漏和井下有害氣體反送時(shí)單向止逆電動(dòng)風(fēng)門將自動(dòng)關(guān)閉,熱風(fēng)機(jī)斷電跳閘關(guān)閉。瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用流程圖如圖4所示。

圖4 瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用流程圖

分別在滴道煤礦立井(五采)、九井和十一井等瓦斯發(fā)電站裝設(shè)4臺(tái)500GF1－3PWWD型瓦斯發(fā)電機(jī)組。在每臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組尾氣系統(tǒng)串聯(lián)安裝KNKR－50型空氣尾氣換熱器(換熱面積可達(dá)47 m2以上),利用余熱向井下供熱風(fēng)暖井(同時(shí)安裝獨(dú)立系統(tǒng)利用水水換熱供浴池使用)。2015年1月7日(室外溫度－20℃)實(shí)測(cè)滴道九井入風(fēng)井熱風(fēng)流量為24000 Nm3/h,入井初始熱風(fēng)溫度為58℃,完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

雞西礦業(yè)集團(tuán)使用的低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組500GF1－3PWWD產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉄崃拷?jīng)針形管余熱交換裝置(換熱面積為47～60 m2)回收后,主要向工業(yè)廣場(chǎng)烘干室供熱風(fēng)或冬季向煤礦風(fēng)井巷道供熱風(fēng)防止凍井。向辦公室、居民小區(qū)或浴池供熱時(shí),每臺(tái)針形管余熱交換裝置可解決3000 m2建筑面積采暖或中型浴池洗浴。

4 結(jié)論

雞西礦業(yè)集團(tuán)將高濃度煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組改造成低濃度煤礦瓦斯發(fā)電機(jī)組的成功實(shí)踐,使煤礦瓦斯利用濃度由25%降到了8%,提高了機(jī)組的開(kāi)機(jī)率和瓦斯利用率。通過(guò)全面開(kāi)展瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用,解決了工業(yè)廣場(chǎng)烘干室用熱及冬季向煤礦風(fēng)井巷道供熱風(fēng)防止凍井以及部分辦公室和浴池供熱。通過(guò)全面開(kāi)展瓦斯發(fā)電機(jī)組 余熱回收,降低了企業(yè)的部分生產(chǎn)成本,提高了瓦斯開(kāi)發(fā)利用效率25%以上。

[1] 謝曉東,張振東,高勝陽(yáng).談低濃度瓦斯發(fā)電站工藝設(shè)計(jì)[J].煤炭工程,2008(9)

[2] 顧棟,孔欣郁,葉盛.低濃度瓦斯輸送安全保障系統(tǒng)的工程實(shí)際應(yīng)用[J].當(dāng)代化工,2013(5)

[3] 龐玉蓮,郭寶錄,李秀清.燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組組建電站的介紹[J].山東內(nèi)燃機(jī),2004(4)

[4] 杜新宇,王效民,李彬.淺析煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)和進(jìn)氣系統(tǒng)工藝流程改造[J].中國(guó)煤炭,2010(11)

(責(zé)任編輯 孫英浩)

Electricity generation and technical design of low concentration gas in Jixi Coal Mine Group which is extremely cold area

Du Xuegong,Li Qinghai,Zhao Yongcheng,Zhang Xinguo
(Longsheng Power Generation Company,Jixi Coal Mine Group,Jixi,Heilongjiang 158170,China)

In order to adapt low concentration gas electricity generation construction in Jixi Coal Mine Group which are extremely cold area and improve utilization rate of coal mine gas,Jixi Coal Mine Group innovational improved low concentration gas transportation system,key equipment,facilities and so on.The high concentration gas generating techniques and equipment is updating to low concentration gas generating techniques and equipment.After operation practicing, the updating low concentration gas power generating system operated reliable and safety.According to launching utilization and recycling waste-heat of gas generator set,low concentration gas power generating techniques achieved completely safety and environmental protection,and exploitation and utilization rating of gas were improved more than 25%.

low concentration gas electricity generation,gas generator set,gas processing, water mist,dewatering,waste-heat of generator set utilization

TD712.67

A

杜學(xué)工(1970－),男,吉林省東豐縣人,雞西礦業(yè)集團(tuán)隆昇發(fā)電公司副經(jīng)理、總工程師,高級(jí)工程師,電氣工程碩士,主要研究方向?yàn)榈蜐舛韧咚拱l(fā)電及余熱利用。