煤礦瓦斯發(fā)電脫水方法優(yōu)化設(shè)計

胡克濤

摘要：將低濃度瓦斯用于發(fā)電時，水環(huán)式真空泵出口瓦斯含水量較大，液態(tài)水進(jìn)入發(fā)電機(jī)組內(nèi)部會增加熱耗，同時銹蝕設(shè)備，影響機(jī)組開機(jī)率和發(fā)電效率。針對這一問題，分析了目前常用的脫水方法的原理和工藝技術(shù)，綜合考慮脫水效率和阻力因素，提出絲網(wǎng)脫水方案，并進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計，研究其脫水效果、阻力，以及對發(fā)電效率的影響。研究結(jié)果表明，絲網(wǎng)分離器可以有效脫除瓦斯氣中的水分，經(jīng)濟(jì)效益較好。

關(guān)鍵詞：低濃度瓦斯；發(fā)電；含水量；脫水方法；氣液分離

引言

煤礦開采時礦井回風(fēng)會排出大量低濃度瓦斯。將低濃度瓦斯用于發(fā)電，既可以變廢為寶，滿足礦區(qū)生產(chǎn)生活用電需求，又可以減少環(huán)境污染，減少溫室氣體排放量。低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)中含有大量水分，若水分被帶入低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，水分會蒸發(fā)吸收大量熱量，增加發(fā)電機(jī)組熱耗，降低瓦斯熱值；水分蒸發(fā)后會膨脹占據(jù)氣缸部分容積，減少氣缸有效容積，增加無用功，降低發(fā)電機(jī)組出力，因此會影響機(jī)組發(fā)電效率；同時，在發(fā)電機(jī)組內(nèi)，水會導(dǎo)致管道銹蝕、點火困難、火花塞積碳等問題，進(jìn)而縮短停機(jī)及維護(hù)檢修的周期，降低設(shè)備的可靠性，增加潤滑油損耗等，增加運(yùn)行維護(hù)成本，影響機(jī)組開機(jī)率。

1、常用脫水方法

目前常用的脫水方法有重力沉降分離、離心分離、過濾分離、慣性分離、溶液吸收脫水等。重力沉降分離是利用氣體和水的密度差，發(fā)生相對運(yùn)動從而實現(xiàn)脫水，達(dá)到分離效果。其具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作空間大等優(yōu)點，缺點是分離時間較長，設(shè)備尺寸大、笨重，且只能分離100μm以上較大顆粒的液滴。離心分離是借助離心力作用（水滴與氣體的密度不同所受到的離心力也不同），實現(xiàn)氣水分離的目的，適用于處理氣量大和含塵濃度高的氣體，其分離效率高于重力沉降分離，常用的設(shè)備是旋風(fēng)脫水器。過濾分離是采用過濾介質(zhì)將氣體中的水分脫除的方法，常用的過濾介質(zhì)有金屬絲網(wǎng)和玻璃纖維。絲網(wǎng)是由纖維狀材料組成的床層，當(dāng)含水氣體經(jīng)過絲網(wǎng)時，氣流可以通過，而液滴撞擊在纖維上，液滴結(jié)合后重量較大進(jìn)而向下匯流。

2、脫水設(shè)備設(shè)計

2.1脫水設(shè)備設(shè)計

目前低濃度瓦斯發(fā)電項目常采用旋風(fēng)脫水器來脫除液態(tài)水。旋風(fēng)脫水器雖然價格較低，但其適用于脫除機(jī)械過程形成的直徑大于50μm的液滴，而非機(jī)械過程如冷凝生成的液滴直徑較?。ㄐ∮?0μm），僅僅采用旋風(fēng)脫水器無法達(dá)到脫除直徑較小液滴的目的。同時出于安全考慮，瓦斯流速一般控制在10～15m/s內(nèi)，流速較低，因此旋風(fēng)脫水器分離效果不理想，分離效率為50%～70%。絲網(wǎng)脫水器中的絲網(wǎng)除沫器是由絲網(wǎng)、擋圈、格柵，以及固定絲網(wǎng)塊的支撐圈和封板組成，不僅能除去氣體中直徑較大的液滴，還能除去直徑較小的液沫，可以有效除去直徑3～5μm的霧滴。除沫器的規(guī)格有標(biāo)準(zhǔn)型（SP）、高效型（DP）、高穿透型（HR）、阻尼型（HP），選用DP型（每100mm厚的網(wǎng)墊為32層絲網(wǎng)），其脫水效率較高（高于98%），且壓力損失較?。ǖ陀?kPa）。絲網(wǎng)除沫器結(jié)構(gòu)如圖1所示。因此擬采用絲網(wǎng)脫水器脫除瓦斯氣體中含有的水分，同時還可以脫除瓦斯氣體中含有的部分粉塵等雜質(zhì)。

設(shè)計條件：瓦斯氣體溫度40℃，甲烷體積分?jǐn)?shù)15%，壓力10kPa，流量7200m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同），液態(tài)含水量110g/m3。通過模擬得到兩相總流量Q為7407m3/h，真實氣體密度ρG為1.139kg/m3，液體密度ρL為741.9kg/m3。

1）脫水器直徑D的計算：

式中K為氣液過濾網(wǎng)常數(shù)，DP網(wǎng)型取0.198。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取DN1000的下裝式絲網(wǎng)除沫器X1000-100DP304/304，氣速為2.62m/s。2）脫水器高度的計算：

式中：VL為單位時間的液體流量，m3/h；t為停留時間，t=8min。液體高度為0.2m，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，脫水器氣相空間高度取1.3m（1.3D），則直筒段高1.5m。根據(jù)計算的設(shè)備尺寸及選用的絲網(wǎng)除沫器，繪制的絲網(wǎng)脫水器設(shè)備。根據(jù)操作氣速計算得到操作壓降為0.127kPa，壓降較小。

2.2含水量測定

瓦斯氣體中的含水量由重量法濕度測定裝置檢測，是利用無水高氯酸鎂吸收瓦斯氣體中的水分，用分析天平測量吸收管吸水前后增加的質(zhì)量得出水分的質(zhì)量，由濕式氣體流量計測量瓦斯氣的體積，從而測量瓦斯氣體中的含水量。

3、結(jié)語

脫水效果直接影響低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效果，在生產(chǎn)應(yīng)用中需要對脫水方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)。通過分析常用脫水方法的優(yōu)缺點，選擇合適的脫水裝置并進(jìn)行設(shè)計，可以有效脫除瓦斯氣中的大部分水分，提高瓦斯熱值，減少管道腐蝕，增加發(fā)電機(jī)組使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。

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