某煤礦低濃度瓦斯氣綜合利用工程的設(shè)計

景鋒(山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團有限公司，山西 太原 030032)

1 工程概況

煤礦瓦斯氣按照甲烷濃度大小可分為高濃度瓦斯(大于等于30%)和低濃度瓦斯(小于30%)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第148條，利用瓦斯時，瓦斯?jié)舛炔坏玫陀?0%。由于瓦斯利用技術(shù)的局限性，國內(nèi)以往所利用的瓦斯大部分為高濃度瓦斯，而占抽采瓦斯比例較大的低濃度瓦斯氣利用較少，多數(shù)直接排放，造成資源的浪費。

本設(shè)計主要是對低濃度瓦斯氣(20%≤CH4＜30%)進(jìn)行綜合利用，減少資源浪費，實現(xiàn)低碳環(huán)保。瓦斯氣主氣源來源于抽放泵站的礦井瓦斯氣，其中低濃度瓦斯氣(20%≤CH4＜30%)含量占比為約為30%，來自抽放泵站的低濃度瓦斯氣(20%≤CH4＜30%)通過管道輸送進(jìn)入混氣撬，與外購天然氣混合達(dá)標(biāo)(CH4≥30%)后進(jìn)入儲氣柜，經(jīng)加壓后輸送至鍋爐房作為燃料氣使用，如表1所示。

表1 ××煤礦瓦斯預(yù)測儲氣量一覽表

采空區(qū)低濃度瓦斯氣儲氣量約為323724.6m3。

2 設(shè)計概況

2.1 設(shè)計參數(shù)

設(shè)計規(guī)模：3×104Nm3/d；瓦斯氣進(jìn)站設(shè)計壓力：0.1MPa，運行壓力8kPa；出站設(shè)計壓力：0.1MPa,運行壓力10kPa；設(shè)計溫度：最高設(shè)計溫度45℃，最低設(shè)計溫度為-20℃。

2.2 設(shè)計方案

設(shè)備選型：1臺10000m3干式氣柜；2臺羅茨式壓縮機；1臺CNG調(diào)壓柜；1套混氣撬。

本設(shè)計天然氣采用壓縮天然氣(CNG)氣瓶車供應(yīng)，在廠區(qū)內(nèi)設(shè)1臺CNG減壓撬和1臺混氣撬，25MPa的CNG經(jīng)過減壓降為8kPa，進(jìn)入混氣撬與來自抽氣站的瓦斯氣(20%≤CH4＜30%)(8kPa)進(jìn)行混合調(diào)配，見圖1。通過流量配比保證混氣撬出口瓦斯氣濃度達(dá)到30%以上。出混氣撬后進(jìn)入氣柜進(jìn)行儲存，在廠區(qū)內(nèi)設(shè)1座10000m3儲氣柜，來自混氣撬的合格氣體送入儲氣柜內(nèi)儲存；在氣柜旁設(shè)1座加壓機房，內(nèi)設(shè)羅茨式壓縮機，將氣柜內(nèi)瓦斯氣加壓至14kPa后，送至鍋爐房。

2.3 裝置區(qū)布置

本設(shè)計站區(qū)位于礦區(qū)抽放泵站南側(cè)，占地面積約5500m2，東西長約90m，南北寬66m。站址北側(cè)為XX煤礦抽氣泵站，東側(cè)為道路，西側(cè)和南側(cè)為山地及溝壑。站址所在地周圍無大型建構(gòu)筑物，符合安全距離要求。總圖布置按照《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)(2018年版)》(GB 50160—2008)要求執(zhí)行。

站區(qū)包括干式氣柜區(qū)、CNG氣瓶車停車及調(diào)壓區(qū)、控制室、風(fēng)機房等，氣柜布置在站區(qū)西南側(cè)，氣柜周邊設(shè)環(huán)形消防通道；CNG調(diào)壓區(qū)域布置在站區(qū)東南側(cè)，周邊設(shè)環(huán)形消防通道；風(fēng)機房和控制室布置在東北角，見圖2。

2.4 自動控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的DCS控制系統(tǒng)，對來自泵站的瓦斯氣濃度和氣柜運行高度進(jìn)行實時監(jiān)測；對兩種氣體的混合可進(jìn)行自動配比。

圖1 工藝流程圖

圖2 站區(qū)內(nèi)布置圖

(1)氣體輸送時經(jīng)濃度在線分析儀分析，濃度達(dá)到≥30%，閉合排空電動控制閥，打開進(jìn)氣電動控制閥；氣體進(jìn)入混氣撬前二次復(fù)測氣體濃度是否達(dá)標(biāo)；如不達(dá)標(biāo)，關(guān)閉混氣撬進(jìn)氣閥門，打開排空電動控制閥，人工檢查濃度分析儀誤差及氣體濃度，并對誤差值進(jìn)行修正；如氣體濃度達(dá)標(biāo)開啟混氣撬進(jìn)氣開關(guān)；經(jīng)二次復(fù)測如氣體濃度達(dá)標(biāo)，可直接進(jìn)入混氣撬。

(2)主氣源氣體濃度在20%～30%時，開啟CNG調(diào)減壓撬出口電動控制閥，經(jīng)流量計輸送至混氣撬混合；輸送量按主氣源濃度及流量進(jìn)行前期測算設(shè)定配CNG氣體固定值，由電腦自動調(diào)節(jié)控制。

(3)主氣源氣體濃度在30%～50%時，CNG出氣閥門為關(guān)閉狀態(tài)，主氣源氣體可直接經(jīng)混氣撬進(jìn)入儲氣柜。

(4)主氣源氣體濃度≥50%時，打開混氣撬配空閥門，根據(jù)主氣源濃度及流量進(jìn)行前期測算設(shè)定配空固定值，由電腦自動調(diào)節(jié)控制(調(diào)節(jié)配空進(jìn)氣閥門裝置)。

(5)主氣源氣體濃度小于20%時，關(guān)閉主氣源進(jìn)氣電動控制閥，開啟排空電動控制閥，進(jìn)行排空。

2.5 設(shè)備選型

2.5.1 氣柜

本工程設(shè)計規(guī)模30000Nm3/d,考慮生產(chǎn)過程中可能存在某些特殊情況，需要及時關(guān)停壓縮機及相關(guān)的閥門，操作需要一定的時間(一般需要10分鐘左右)，結(jié)合場地使用范圍和各類設(shè)施之間的防火安全距離限制，氣柜緩沖量按照8h進(jìn)氣量設(shè)計，確定氣柜的容積為10000Nm3，本次設(shè)計選用1臺10000m3橡膠膜干式氣柜。干式氣柜具有以下優(yōu)勢：占地面積??；不用保溫，經(jīng)營管理費用少；氣候性適應(yīng)性強，冬季無需加熱。

2.5.2 壓縮機

本工程設(shè)計2臺羅茨壓縮機(一開一備)，具有效率高、壓比較高、對進(jìn)氣的穩(wěn)定性要求較低、無喘振現(xiàn)象、耗能低的優(yōu)點。

2.5.3 儀表選型

溫度儀表：用于設(shè)備及管道上的溫度測量儀表選用隔爆型一體化溫度變送器；溫度就地指示選用萬向型全不銹鋼雙金屬溫度計；壓力儀表：用于設(shè)備及管道上的壓力測量儀表選用智能壓力變送器；壓力就地指示儀表選用全不銹鋼壓力表；流量儀表：前計量選用羅茨流量計，后計量采用渦輪流量計，配套體積修正儀計量精度為1.0級；可燃?xì)怏w泄漏檢測儀表：采用催化燃燒式可燃?xì)怏w濃度檢測變送器和配套的可燃?xì)怏w報警控制器；一級報警濃度20%LEL，二級報警濃40%LEL。

3 設(shè)計的優(yōu)化

設(shè)計采用撬裝式混氣裝置，配套PLC控制柜，自動化程度高，可對進(jìn)撬氣體濃度進(jìn)行檢測和流量調(diào)節(jié)。氣柜進(jìn)口管道上設(shè)甲烷氣體濃度自動分析儀，切斷閥設(shè)計采用電磁閥，根據(jù)分析數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行閥門的切換。本次氣柜進(jìn)出口設(shè)計采用柔性連接，氣柜進(jìn)出口管道與氣柜之間采用DN300的不銹鋼金屬軟管連接，軟管長0.5m，采用法蘭連接。

4 運行效益分析

4.1 環(huán)境效益

瓦斯氣中的甲烷和甲烷燃燒后的CO2都屬于產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體，其中甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的21倍。本項目運行后，環(huán)境效益是可以減少溫室氣體的排放，減排量按CO2計，計算公式如下：甲烷減排量(每天)=甲烷量×甲烷密度×21，裝置每天處理瓦斯氣量為30000Nm3，考慮到甲烷濃度不確定性，計算時以瓦斯氣中甲烷最低含量為20%計，則每天甲烷排放量為6000Nm3，甲烷的比重按0.716計。

甲烷減排量=(6000×0.716×21)kg/d=90216kg/d；若甲烷燃燒轉(zhuǎn)化成CO2后，其排放量為(6000×0.716×44/16)kg/d =11814kg/d。

項目運行后減排CO2的量為(90216-11814)kg/d=78402kg/d。

本項目的實施可改善項目所在地的大氣環(huán)境，符合2016年11月24日，國家能源局印發(fā)《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》(國能煤炭(2016)334號)要求。

4.2 經(jīng)濟效益

本項目運行后，每天可燃燒利用的甲烷6000Nm3，目前市場上工業(yè)用天然氣價格按4.5元/m3計，每天可節(jié)約成本(6000×4.5)元=2700元。

經(jīng)過對購氣成本、國家環(huán)保要求、儲配站選址、礦區(qū)煤層氣儲量、工藝流程綜合分析，本項目的實施既可改善項目所在地的大氣環(huán)境，為企業(yè)節(jié)約成本、帶來經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

本項目設(shè)計運行后，可大力回收每層瓦斯氣，提高資源的整體利用水平，減少了大氣環(huán)境的污染，節(jié)約了企業(yè)鍋爐運行成本。本設(shè)計自動化程度高，設(shè)備安全可靠，對流程中存在的危險源設(shè)計了相應(yīng)的安全設(shè)施，可保證后期運行安全穩(wěn)定。