煤礦瓦斯氧化裝置熱利用效率提高的分析

【摘要】介紹了煤礦瓦斯氧化裝置的原理及結(jié)構(gòu)，及提高熱利用效率的必要性。通過理論計(jì)算及工程案例分析，找出了煤礦瓦斯氧化裝置熱效率提高的幾種措施，為后續(xù)的氧化裝置熱效率提升、經(jīng)濟(jì)效益保證提供了方向。

【關(guān)鍵詞】煤礦瓦斯；氧化裝置；熱利用效率

Abstract：This paper introduces the principle and structure of coal bed methane oxidation device， and the necessity of improve the efficiency of heat utilization.Through theoretical calculation and analysis of engineering cases， and find out several measures to improve thermal efficiency of coal bed methane oxidation device， improve thermal efficiency and economic benefit for subsequent oxidation device ensure provides direction.

Key Words：Coal Mine Gas； Oxidation Equipment；Utilization Efficiency

引言

近年來，隨著國民環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，煤炭煤層氣抽采技術(shù)及產(chǎn)量的增加，煤礦瓦斯治理形勢日益嚴(yán)峻。如何高效利用煤礦瓦斯成為了一大課題。持續(xù)的霧霾天氣引發(fā)社會(huì)的廣泛關(guān)注，為貫徹落實(shí)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，國家環(huán)保部與全國31個(gè)?。▍^(qū)、市）簽署了《大氣污染防治目標(biāo)責(zé)任書》，明確了各地空氣質(zhì)量改善目標(biāo)和重點(diǎn)工作任務(wù)，明確了煤炭削減、落后產(chǎn)能淘汰、大氣污染綜合治理、鍋爐綜合整治等各項(xiàng)工作的量化目標(biāo)，這樣為煤礦瓦斯的充分利用提供了政策支持。根據(jù)當(dāng)前情況，煤礦瓦斯氧化裝置作為現(xiàn)今較經(jīng)濟(jì)有效處理煤礦低濃度瓦斯的設(shè)備，為煤礦提高瓦斯利用率，減少溫室氣體排放和節(jié)約清潔能源提供了有效的技術(shù)。本文將重點(diǎn)針對通過對勝動(dòng)集團(tuán)制取高溫?zé)嵫趸b置（以下簡稱“氧化裝置”）產(chǎn)生的熱效率提升，提高項(xiàng)目投資效益等方面進(jìn)行闡述。

1、氧化裝置原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1氧化裝置技術(shù)原理

氧化裝置先用外部能源（電能或輔助燃料）加熱，創(chuàng)造一個(gè)甲烷氧化反應(yīng)的環(huán)境，通風(fēng)瓦斯通過瓦斯輸送摻混設(shè)備將抽排瓦斯與風(fēng)排瓦斯（或空氣）進(jìn)行摻混，由風(fēng)機(jī)送入氧化床，氧化產(chǎn)熱，排氣側(cè)固體蓄熱，進(jìn)氣側(cè)氣體預(yù)熱，由切換閥實(shí)現(xiàn)通風(fēng)瓦斯逆流換向。瓦斯在氧化床氧化后，一部熱量維持氧化反應(yīng)的環(huán)境，大部分熱量通過制取高溫?zé)煔鉄煹佬问綄a(chǎn)生的主要熱量提取利用。氧化反應(yīng)自動(dòng)維持后，停掉外加熱。

1.2基本結(jié)構(gòu)組成

氧化裝置主體主要氧化床、左風(fēng)道、右風(fēng)道、切換閥及回?zé)崞鞯戎饕考M成（如圖示），通過控制監(jiān)控系統(tǒng)采集溫度、壓力、濃度等信號對氧化裝置按要求進(jìn)行控制。

在高溫?zé)煔獬隹陲L(fēng)道與熱用戶接口端管線上設(shè)置高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥（設(shè)計(jì)溫度1200℃），通過調(diào)整低溫尾氣調(diào)節(jié)閥與高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥，及風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)流分布，保證在滿足氧化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，最大限度地提高高溫?zé)煔饬?，即保證氧化裝置的熱利用效率。

2、氧化裝置熱利用計(jì)算

1）熱平衡

通過分析氧化裝置的原理及結(jié)構(gòu)組成，氧化裝置無用熱（指氧化熱不產(chǎn)生價(jià)值但不得不消耗的部分，類比于電氣概念中的無用功）主要包括低溫尾氣排放部分的熱量、進(jìn)氣中因濕度水分被帶走的汽化潛熱、裝置保溫隔熱散失的熱量及未完全燃燒的熱損失，形成以下的熱平衡計(jì)算公式。

Q1=Qr- Q2-Q3-Q4-Q5

Qr-送入氧化裝置的總熱量，MJ/h（支配熱，主要是燃料燃燒的放熱量）；Q1-有效利用的熱量， MJ/h（蒸汽產(chǎn)量或熱風(fēng)熱量等）；Q2-尾氣熱損失，MJ/h（進(jìn)出口溫差的熱量）；Q3-燃料未完全燃燒的熱損失，MJ/h（未氧化的燃料）；Q4-裝置的散熱損失，MJ/h （指氧化床側(cè)蓋保溫、鍋筒、回?zé)崞髦裂趸补艿赖认虼髿馍⑹У臒崃浚籕5-摻混瓦斯中水分帶走的熱量，MJ/h（濕度按飽和空氣含濕量計(jì)算）。

2）熱效率

氧化裝置有效利用的熱量Q1占輸入氧化裝置總熱量Qr的百分比稱為氧化裝置熱效率：

3、應(yīng)用案例分析

安徽淮南丁集煤礦低濃瓦斯氧化-煤泥干燥項(xiàng)目，采用1臺(tái)8萬Nm3/h高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置，將煤礦現(xiàn)有不能用于發(fā)電的超低濃度瓦斯與空氣摻混后進(jìn)行氧化，工作濃度為1.2%，產(chǎn)生950℃左右的高溫?zé)犸L(fēng)，并與丁集煤礦現(xiàn)有瓦斯發(fā)電站的發(fā)電機(jī)組低溫乏氣進(jìn)行摻混后，形成溫度為700℃左右的高溫?zé)釤煔?，供入滾筒式煤泥干燥機(jī)干燥煤泥，干燥后的煤泥送入火力發(fā)電廠摻燒發(fā)電。該項(xiàng)目年設(shè)計(jì)濕煤泥烘干能力為50萬噸/年。

3.1理論計(jì)算氧化裝置產(chǎn)熱量及熱效率

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施情況，氧化裝置處理量為80000Nm3/hr，氧化率為97%，散熱損失按額定設(shè)計(jì)運(yùn)行總熱量的10%計(jì)算，進(jìn)口溫度為t0=20℃，出口溫度保證為≤60℃，1kg、20℃飽和空氣含濕量為14.7×10-3kg，空氣比熱C=1.004Kj/（kg﹒℃）。

依據(jù)以上熱利用方式計(jì)算公式，計(jì)算該項(xiàng)目氧化裝置熱平衡。

1）裝置輸入的總熱量：Qr=80000Nm3/h×1.2%×36.0MJ/ Nm3=34560MJ/h

2）尾氣熱損失（按照進(jìn)出口溫差40℃，產(chǎn)生的熱風(fēng)量按總量的27%計(jì)算（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)））：

Q2=1.004kJ/（kg·℃）×1.29kg/ Nm3×80000Nm3/h×（1-27%）×（60-20）℃=3025MJ/h

3）燃料未完全燃燒熱損失（按照氧化率97%計(jì)算）：

Q3=80000Nm3/h×1.2%×36.0MJ/ Nm3×（1-97%）=1037MJ/h

4）裝置散熱損失（按照額定濃度的10%計(jì)算）：

Q4=80000Nm3/h×1%×36.0MJ/ Nm3×10%=2880MJ/h

5）摻混瓦斯含水帶走熱量（按濕度40%計(jì)算）：

Q5=80000Nm3/h×1.29kg/ Nm3×14.7×10-3×40%×2510 kJ/kg=1523MJ/h

則制取熱風(fēng)的有效利用熱量為：

Q1=Qr-（ Q2+Q3+Q4+Q5）=34560-（3025+1037+2880+1523）=26095MJ/h

則制取熱風(fēng)品質(zhì)為：

t=Q1/cm+t0

=26095 MJ/h /[1.004 kJ/（kg·℃）×1.29 kg/ Nm3×80000Nm3/h×27%]+20℃

=953℃

考慮到其他不確定因素，則氧化裝置在工作濃度為1.2%、流量為80000 Nm3/h情況下，能制取950℃高溫?zé)犸L(fēng)21600Nm3/h。

熱效率為ξ=×100%=（26095/34560） ×100%=75.5%

經(jīng)過現(xiàn)場三個(gè)月來的穩(wěn)定運(yùn)行，基本參數(shù)為：

結(jié)合現(xiàn)場的瓦斯量及項(xiàng)目自身情況，將氧化裝置摻混后進(jìn)氣流量控制在60000-65000Nm3/hr，瓦斯?jié)舛葹?.0%-1.1%。產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉁囟葹?00-950℃，流量為1.4-1.6萬Nm3/h。與6臺(tái)發(fā)電機(jī)組乏氣進(jìn)行摻混，摻混后溫度為625-630℃，每小時(shí)烘干煤泥量為40-46t/h?？紤]到發(fā)電機(jī)組乏氣影響，氧化裝置烘干煤泥量為30-32t/h，氧化裝置熱效率在70%，略低于氧化裝置設(shè)計(jì)熱利用效率75%。

通過現(xiàn)場運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在以下現(xiàn)象：氧化裝置風(fēng)道低位處特別是在霧氣較重的天氣，有明顯的水滴產(chǎn)生；氧化裝置尾氣排溫不穩(wěn)定；高溫?zé)煔怙L(fēng)道外表面溫度比設(shè)計(jì)值偏高等。

通過以上熱平衡計(jì)算及工程案例分析，為進(jìn)一步提高氧化裝置熱效率，需通過以下幾方面采取措施。

1）氧化裝置尾氣熱損失：氧化裝置處理量較大，一般是每小時(shí)超過1萬方，進(jìn)排氣溫差沒減小一度，熱回來率將會(huì)大幅提高。尾氣熱損失的提高手段主要有進(jìn)行沿程管道保溫及提升回?zé)崞鳠峄厥招?，降低排氣溫度?/p>

2）燃料未完全燃燒的熱損失：氧化裝置的氧化效率主要取決于氧化床，保證煙氣在氧化床的滯留時(shí)間，及充分的擾動(dòng)。優(yōu)化氧化床結(jié)構(gòu)，保證氣流滯留時(shí)間及氣體在內(nèi)部的湍流程度，將有效提高氧化率。

3）氧化裝置氣體流道及本體散熱損失：氧化裝置氣體流程較長，且本體體積相對龐大。提高裝置本體保溫性能，從材質(zhì)、密封性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4）摻混瓦斯中水分帶走的熱量：抽排瓦斯輸送系統(tǒng)自帶水封阻火器，在輸送過程中，瓦斯氣體濕度較大，在主風(fēng)機(jī)出口端需設(shè)置脫水器，盡最大限度減少因水的汽化潛熱帶走熱量。

4、結(jié)論

結(jié)合氧化裝置自身結(jié)構(gòu)及原理，依據(jù)丁集礦丁集煤礦低濃瓦斯氧化-煤泥干燥項(xiàng)目結(jié)論分析，瓦斯氧化裝置的熱效率的提高下一步將重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化氧化床內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證瓦斯氣體滯留時(shí)間及湍流度；加強(qiáng)沿程高溫風(fēng)道及本體保溫，減少熱散失；降低進(jìn)氣的濕度，減小因水的汽化潛熱帶走的熱量；合理調(diào)整進(jìn)排氣及高溫?zé)煔忾y門調(diào)整的關(guān)聯(lián)系，最大限度地降低無用熱的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

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