低濃度瓦斯冷熱電綜合供能系統(tǒng)的應用研究

陳 菁, 何 勇, 鄧 勉, 朱 凱

(1. 浙江億揚能源科技有限公司，杭州 310023；2.杭州杭鍋工業(yè)鍋爐有限公司，杭州 311112;3. 淮滬煤電有限公司，安徽淮南 232007)

我國是煤炭大國，擁有豐富的煤層氣資源。煤炭開采過程中，釋放出的大量煤礦瓦斯屬于煤的伴生礦產(chǎn)資源。高濃度瓦斯(甲烷體積分數(shù)≥30%)被禁止排放且主要作為民用或工業(yè)燃氣(用于發(fā)電)。甲烷體積分數(shù)<30%為低濃度瓦斯，其中，甲烷體積分數(shù)≥10%的瓦斯主要用于內燃機發(fā)電，而甲烷體積分數(shù)<10%的瓦斯利用率極低，大部分直接排空[1-4]。2017年，全國抽采瓦斯利用率僅為38%左右。而國家能源局規(guī)劃，在“十三五”期間，煤礦抽采瓦斯利用率達到50%以上。由于甲烷造成的溫室效應是二氧化碳的21倍，將其直接排放將對環(huán)境造成極大的危害[5-6]。另外，當前環(huán)保形勢嚴峻，針對煤礦燃煤鍋爐的節(jié)能環(huán)保改造及小型燃煤鍋爐(蒸汽質量流量為35 t/h以下)的淘汰工作已經(jīng)開始實施[7-10]。燃煤鍋爐的限制和淘汰，對煤礦的清潔生產(chǎn)提出了更高的要求。在此背景下，對擁有豐富瓦斯資源的煤礦而言，尋求一種經(jīng)濟環(huán)保的低濃度瓦斯綜合利用方法來滿足煤礦供能需求十分有意義。

為了充分利用煤礦低濃度瓦斯，減少瓦斯直接排放對大氣的危害，筆者對低濃度瓦斯綜合利用進了研究，將原排空的低濃度瓦斯利用蓄熱氧化的方法產(chǎn)生高溫熱風，經(jīng)過熱能的綜合利用，以實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，替代原有小型燃煤鍋爐，滿足煤礦用能需求。

1 煤礦瓦斯資源及負荷需求

1.1 瓦斯資源

丁集煤礦礦井的設計生產(chǎn)原煤能力為500萬t/a，主要系統(tǒng)生產(chǎn)原煤能力800萬t/a，該煤礦為煤與瓦斯產(chǎn)量突出的礦井。該煤礦建有地面永久的新、老瓦斯抽放泵房各1座：老泵房內有4臺大瓦斯抽采泵(型號為2BEF-720，額定抽采體積流量為556 m3/min)、2臺小瓦斯抽采泵(型號為2BE1-505，額定抽采體積流量為150 m3/min)；新泵房安裝4臺瓦斯抽采泵(型號為2BEF-720)。

根據(jù)歷年瓦斯資料，開采的瓦斯中甲烷體積分數(shù)為4%～15%，煤礦抽采瓦斯純量(所含甲烷體積分數(shù)為100%的瓦斯體積流量)為40～65 m3/min，隨著礦井延伸、采場增加，抽采瓦斯純量會逐步增加。

1.2 用能需求

丁集煤礦用能主要有電力、供冷及供熱。供冷為依靠蒸汽作為驅動熱源制取冷凍水。原供熱熱源為4臺8 t/h燃煤鍋爐(產(chǎn)生蒸汽)，現(xiàn)燃煤鍋爐將淘汰。燃煤鍋爐承擔的用汽負荷包括：礦井降溫溴化鋰制冷機用汽熱負荷，采暖期主辦公樓、食堂等建構筑物的采暖及井筒防凍熱負荷，烘衣服、洗浴熱負荷。煤礦所需熱源為0.6 MPa飽和蒸汽，井筒保溫、采暖、烘衣及洗浴采用蒸汽加熱熱水或者空氣，以滿足熱需求。

根據(jù)煤礦自身的用熱類型，可以分為采暖期(12月至次年2月)，高負荷制冷期(6月至9月)，低負荷制冷期(5月、10月、11月)，非采暖非制冷期(3月、4月)這4個時期。不同時期煤礦熱負荷需求(折算為0.6 MPa對應飽和蒸汽質量流量)統(tǒng)計見表1。煤礦最大用熱負荷時期出現(xiàn)在高負荷制冷期，所需最大蒸汽質量流量為17.75 t/h。

表1 煤礦不同時期需求蒸汽質量流量表 t/h

2 冷熱電三聯(lián)供綜合供能系統(tǒng)

2.1 低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)

瓦斯的爆炸極限為5%～16%(甲烷體積分數(shù))，而煤礦現(xiàn)抽采瓦斯甲烷體積分數(shù)在4%～15%，剛好處在爆炸極限內。因此，必須考慮安全可靠的低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)。

目前，主要有3種低濃度瓦斯輸送技術，分別為自動噴粉抑爆輸送技術、氣水兩相流輸送技術及細水霧輸送技術[11]。氣水兩相流輸送技術及細水霧輸送技術均采用水作為輸送過程中安全保障介質，屬于提前預防爆炸的思路；但是，對水質及瓦斯脫水提出了較高的要求。這兩種因素也在一定程度上限制了該技術的進一步發(fā)展。自動噴粉抑爆輸送技術則采用爆炸后防御的思路，利用干粉作為介質進行抑爆，其關鍵技術在于抑爆觸發(fā)技術及抑爆劑技術[12]。3種低濃度瓦斯輸送技術各有利弊，但都得到較為廣泛的市場應用。自動噴粉抑爆輸送技術和細水霧輸送技術由于比較早出現(xiàn)，應用相對廣泛。該煤礦低濃度瓦斯綜合利用工程采用自動噴粉抑爆輸送技術。

2.2 低濃度瓦斯摻混系統(tǒng)

進入蓄熱氧化裝置的瓦斯的甲烷體積分數(shù)設定為1.2%，而絕大部分抽采瓦斯所含甲烷體積分數(shù)大于該值，因此需要對低濃度瓦斯進行摻混。具有較高的安全性和精準性是低濃度瓦斯摻混系統(tǒng)的主要特點，摻混介質可以是空氣、乏風等[13-14]。當?shù)蜐舛韧咚馆斔途嚯x較遠時，從安全角度考慮，可以使用二次摻混技術，即先將處于爆炸極限范圍之內的低濃度瓦斯摻混至爆炸極限以下(甲烷體積分數(shù)為2.5%～3.0%)，然后輸送至建設場地的蓄熱氧化裝置前端，再進行二次摻混至氧化所需的甲烷體積分數(shù)。

圖1為低濃度瓦斯輸送摻混系統(tǒng)流程圖。

1—瓦斯抽采泵站；2—排空管；3—阻爆器；4—抑爆器；5—水封阻火器；6—機械脫水裝置；7—一次摻混器；8—一次摻混風機；9—二次摻混器。

2.3 蓄熱氧化裝置

蓄熱氧化裝置是將低濃度瓦斯氧化產(chǎn)生熱能的關鍵設備，其技術原理為：首先將裝置預熱至一定的溫度以上，瓦斯中的甲烷通過無焰氧化釋放熱量，并通過瓦斯供給的周期性循環(huán)，使得燃燒區(qū)域始終維持高溫狀態(tài)，從而維持氧化反應自發(fā)進行；在維持系統(tǒng)熱量平衡后，多余的熱量可提取出來綜合利用[15-17]。蓄熱氧化裝置運行原理示意圖見圖2。

圖2 蓄熱氧化裝置運行原理示意圖

從蓄熱氧化裝置氧化后出來的高溫熱風可以達到950 ℃。高溫熱風體積流量約占總進氣體積流量的27%，剩余的則經(jīng)過蓄熱陶瓷降溫后變成低溫風排走。蓄熱氧化裝置安全穩(wěn)定運行的核心技術在于保證瓦斯連續(xù)平穩(wěn)地進行周期性切換、裝置本體設計及蓄熱氧化裝置系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)。

2.4 冷熱電綜合供能系統(tǒng)

根據(jù)煤礦現(xiàn)有瓦斯資源以及用能需求，首先以滿足制冷用汽及供熱用汽為前提制定綜合供能系統(tǒng)。最大供能出現(xiàn)在高負荷制冷期，需要17.75 t/h蒸汽。考慮建設2臺處理瓦斯體積流量均為90 000 m3/h的蓄熱氧化裝置，然后配置余熱鍋爐?？紤]到煤礦實際用能需求及成本，蒸汽參數(shù)選擇中溫、中壓(450 ℃、3.82 MPa)即可。2臺蓄熱氧化裝置產(chǎn)生的高溫熱風進入2臺余熱鍋爐，共計產(chǎn)生18 t/h中溫、中壓蒸汽。2臺蓄熱氧化裝置消耗瓦斯純量約為36 m3/min。

瓦斯氧化后，經(jīng)過余熱鍋爐可產(chǎn)生中溫、中壓的過熱蒸汽，而煤礦所需蒸汽品質為0.6 MPa飽和蒸汽。因此，根據(jù)煤礦的用能特點及能量的梯級利用原理，后面設置了兩級發(fā)電機組，第一級為背壓式汽輪機發(fā)電機組，第二級為凝汽式發(fā)電機組。考慮主蒸汽先經(jīng)過背壓式汽輪機發(fā)電，利用背壓式汽輪機排汽供汽，背壓式汽輪機排汽設置為0.8 MPa(考慮一定的蒸汽輸送壓損后設置比0.6 MPa高一些)。第一級背壓式汽輪機額定發(fā)電功率為1 150 kW。另外，由于煤礦不同階段用汽需求差異較大，而系統(tǒng)設計按照最大量考慮，則存在有些用能時期有富余蒸汽。不同階段需求蒸汽質量流量見圖3。

圖3 不同階段需求蒸汽質量流量

從圖3可看出：除了高負荷制冷期用汽量和可供蒸汽量持平，其他時期都存在不同程度的蒸汽富余。因此，考慮設置1臺凝汽式汽輪機，將富余蒸汽送入凝汽式汽輪機中進行發(fā)電，凝汽式汽輪機的排汽壓力設置為0.073 MPa，機組額定功率為2 700 kW。第一級和第二級發(fā)電系統(tǒng)將采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式，首先滿足系統(tǒng)自身用電，余電并入煤礦變電站，供煤礦自用。冷熱電綜合供能系統(tǒng)見圖4。該系統(tǒng)主要特點有：(1)充分結合了煤礦的各種用能需求，利用煤礦瓦斯，可替代小型燃煤鍋爐以滿足煤礦供能問題；(2)采用一拖一的系統(tǒng)設計理念，設置了2個瓦斯輸送及摻混系統(tǒng)，并分別配置蓄熱氧化裝置與余熱鍋爐，有效減少了由于瓦斯參數(shù)波動給系統(tǒng)安全穩(wěn)定性造成的影響；(3)依據(jù)能量梯級利用原則，設置了兩級發(fā)電機組，最大化地使系統(tǒng)全年都能最大負荷運行，提高能量利用率；(4)系統(tǒng)提供不同品質的蒸汽，實現(xiàn)對煤礦的冷熱電三聯(lián)供；(5)系統(tǒng)發(fā)電采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，扣除系統(tǒng)自耗電，余電并入煤礦變電站，供煤礦自用。

圖4 冷熱電綜合供能系統(tǒng)圖

3 工程應用效果分析

項目建設投產(chǎn)后，安全穩(wěn)定運行。圖5為低負荷制冷期30 d的運行曲線圖，系統(tǒng)消耗瓦斯生產(chǎn)熱量和蒸汽，兩級發(fā)電同時投運且向煤礦供應蒸汽，并承擔制冷負荷。

在運行期間，2臺蓄熱氧化裝置消耗的瓦斯純量(平均值)在32 m3/min左右，背壓式汽輪機發(fā)電功率基本維持在1 120 kW。背壓式汽輪機排汽全部進入凝汽式汽輪機發(fā)電時，凝汽式汽輪機發(fā)電功率為2 630 kW，此時瓦斯純量為額定體積流量(36 m3/min)的89%，而背壓式汽輪機和凝汽式汽輪機的發(fā)電功率已經(jīng)接近額定功率的97%。在滿足煤礦供汽需求的情況下，凝汽式汽輪機消耗富余蒸汽投運發(fā)電。因此，在瓦斯純量達到額定體積流量時，背壓式汽輪機及凝汽式汽輪機能達到額定發(fā)電功率，系統(tǒng)達到預期效果。

經(jīng)環(huán)保檢測，該供能系統(tǒng)的煙氣中不存在SO2、NOx等有害氣體，完全符合國家環(huán)保排放標準。該系統(tǒng)年利用瓦斯體積約為1 700萬m3，年減排CO2質量約為25萬t，年節(jié)約標煤質量約為1.4萬t。應用實踐結果表明：在滿足煤礦供熱的前提下，該系統(tǒng)能很好地解決煤礦淘汰小型燃煤鍋爐的問題，并具有良好的減排意義和應用推廣價值。

4 結語

(1) 煤礦的用能負荷最大時期出現(xiàn)在高負荷制冷期，折合0.6 MPa飽和蒸汽約為17.75 t/h。根據(jù)現(xiàn)有瓦斯情況及用能需求，采用2臺90 000 m3/h蓄熱氧化裝置并分別配置余熱鍋爐的瓦斯利用技術路線。共計消耗瓦斯純量為36 m3/min，產(chǎn)生的中溫、中壓蒸汽質量流量約為18 t/h，能滿足煤礦最大蒸汽需求。同時根據(jù)能量梯級利用及煤礦不同時期用能需求，制定了冷熱電聯(lián)供的綜合供能系統(tǒng)。

(2) 冷熱電聯(lián)供的綜合供能系統(tǒng)設置兩級發(fā)電機組。第一級采用背壓式汽輪機發(fā)電，排汽滿足煤礦用能需求；第二級采用凝汽式汽輪機發(fā)電，將用能需求較少時的富余蒸汽送入凝汽式汽輪機發(fā)電。系統(tǒng)發(fā)電采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，扣除系統(tǒng)自耗電，余電并入煤礦變電站，供煤礦自用。兩級發(fā)電機組發(fā)電功率達到預期效果，該綜合供能系統(tǒng)在滿足煤礦供熱的前提下，具有良好的節(jié)能減排效果。