煤礦乏風蓄熱氧化發電技術及應用研究

栗魯平

(山西潞安礦業集團有限責任公司 瓦斯研究院,山西 長治 046299)

煤礦乏風是指為了保證井工煤礦安全生產,在開采煤炭之前通過礦井通風的方式將礦井瓦斯濃度降低并排到大氣中的混合氣體,一般情況下,排到大氣中的甲烷含量為1%左右[1-2]。2018年,我國煤炭總產量為35億t,經估算,共向大氣中排放瓦斯約270億 m3,約1 600萬 t(瓦斯密度按0.718 kg/m3計算),相當于排放二氧化碳當量3.7億 t。由于煤礦乏風中有效成分甲烷濃度很低、富集較難[3-4],經常被直接排放到大氣中,這樣,不僅造成了資源的極度浪費,而且帶來了環境污染[5-7]。可見,煤礦乏風的有效利用對于加快建設資源節約型、環境友好型社會具有重大意義[8]。

本文主要利用熱逆流氧化反應器,基于熱逆流氧化原理,結合瓦斯氧化燃燒及爆炸機理,通過瓦斯蓄熱氧化實驗和現場應用,實現了熱風量的并聯提取及精確調節,提高了甲烷的氧化效率,為煤礦乏風蓄熱氧化發電技術提供了一定的理論及應用研究基礎。

1 煤礦乏風蓄熱氧化原理

1.1 熱逆流氧化反應器原理

乏風熱氧化技術主要是通過熱逆流氧化反應器來實現的,熱逆流氧化反應器由反應器床層、換向閥和電加熱裝置等組成,其中,反應器床層兩端裝有桂土材料或陶瓷類的蓄熱介質,中部設有燃燒室、換熱器等熱交換裝置,其運行原理見圖1[9]。

由圖1可以看出,熱逆流氧化反應運行過程為:利用電加熱器或高溫煙氣將反應器裝置內部的溫度升高,直至達到乏風的自燃點1 000℃以上,打開閥a與閥d,煤礦乏風即按圖1中實線路徑經反應器發生氧化反應并釋放出熱量,其中一部分用來加熱下段的蓄熱陶瓷并通過中部的換熱器抽取多余的熱量,經熱交換后的低溫煙氣由閥d排出;之后,關閉閥a與閥d,打開閥b與閥c,煤礦乏風即按圖1中虛線路徑流動,下段的蓄熱陶瓷積蓄的大量熱量將煤礦乏風加熱至1 000 ℃,反應器內發生二次氧化反應并釋放出熱量,反應釋放的熱量積蓄于上段蓄熱陶瓷后,低溫煙氣則由閥c排出,此時,一個反應周期結束[10-11],如此不斷重復即可完成反應過程。

圖1 熱逆流氧化反應器原理示意圖Fig.1 Thermal reversal oxidation principle

1.2 乏風蓄熱氧化發電原理

煤礦乏風蓄熱氧化發電最關鍵的就是高溫蓄熱式氧化裝置,其原理為:通過高溫蓄熱式氧化裝置把煤礦乏風導入反應腔,使煤礦乏風瞬間氧化為水和二氧化碳,并釋放出大量氧化熱。其中,大部分熱量被導入換熱器或余熱鍋爐,用于生產飽和或過熱蒸汽供礦井用熱或熱電聯供;一小部分則用于維持設備的反應。一般情況下,當煤礦乏風中的甲烷濃度達到0.25%時,氧化裝置所釋放出的熱量就可以維持其自身的氧化反應;當達到0.8%時,則可提供過熱蒸汽來用于拖動蒸汽輪機組發電。

1.3 瓦斯氧化燃燒/爆炸機理

當甲烷在空氣中完全燃燒時,其充分反應的體積當量為:

CH4(g)+2(O2(g)+3.78N2)=CO2(g)+2H2O(g)+7.56N2

常溫常壓下,當甲烷在空氣中的混合氣體濃度為5%～15%，并遇火源達到自燃溫度時,甲烷就會在空氣中發生劇烈的氧化反應并產生大量的熱量,當產生的熱量無法釋放出去時,反應體系溫度就會迅速上升,分子動能增加,致使有效碰撞次數增加,進而產生更多的熱量[12],如果在短暫的時間內無法得到有效控制時就會發生爆炸,其反應化學方程式為:

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)

2 煤礦乏風蓄熱氧化實驗

2.1 煤礦乏風蓄熱氧化實驗裝置

煤礦乏風蓄熱氧化實驗主要采用如圖2所示的通風瓦斯蓄熱氧化實驗裝置進行，該實驗裝置主要由裝置本體、配氣系統、啟動燃燒器與測控系統等組成。其中，裝置本體為2 700 mm×600 mm×500 mm的長方體，兩側各布置一組蓄熱陶瓷，中部設空腔，外壁采用保溫材料進行保溫處理；配氣系統采用民用天然氣與空氣的混合物模擬不同濃度下低濃度甲烷的混合氣體，并用氣相色譜分析儀對混合氣體的甲烷濃度進行測量；啟動燃燒器用來為裝置進行預熱啟動；測控系統主要用來對設備進行流量與壓力等數據的測量及對裝置進行控制。

1-燃燒器;2-熱電偶;3-PLC;4-換向閥;5-過濾器;6-流量計;7-混合器;8-單向閥;9-止回閥;10-電磁閥圖2 通風瓦斯蓄熱氧化裝置Fig.2 Ventilation air methane thermal storage oxidation equipment

2.2 煤礦乏風蓄熱氧化實驗結果

根據煤礦乏風蓄熱氧化原理與實驗設計,實驗對甲烷體積濃度為0.6%、氣流速度為1.18 m/s、切換周期為60 s進行了模擬,圖3為蓄熱氧化裝置啟動與穩定狀態下的軸向溫度分布圖。

圖3 啟動與穩定狀態下軸向溫度分布圖Fig.3 Axial temperature distribution in startup and steady state

分析圖3可以看出,低濃度甲烷在實驗過程中完全反應并向蓄熱體放熱,氣流與蓄熱體之間實現了熱量傳遞的平衡,在實驗裝置內形成梯形軸向溫度分布。實驗裝置內存在著明顯的散熱現象,并于軸向中部形成溫度峰值,之后兩側開始出現溫度降低的現象,并且其溫度場在兩側基本呈對稱狀,造成軸向中部出現一個馬鞍型的溫度降低凹槽。

同時,以60 s作為一個實驗周期,每隔10 s對數據進行一次記錄,圖4為一個實驗周期內不同時刻溫度曲線圖。

圖4 一個周期內溫度分布曲線圖Fig.4 Temperature distribution curves in one cycle

由圖4可以看出,從開始到10 s期間,已經氧化的高溫煙氣向蓄熱體放熱,進而導致裝置內部溫度持續升高;從10 s到30 s期間,溫度繼續升高,但其速度比前10 s有稍微變緩的趨勢,至30 s時刻達到該實驗周期的最高溫度值;從30 s到60 s期間,溫度開始逐漸下降,并在60 s時刻出現與0 s時刻重合的現象。由此可見,實驗裝置中溫度場在經過一個完整的實驗周期后實現了自我的重復,并可周而復始地進行循環實驗過程。

實驗過程中,同時對裝置中測點進行了10 min的溫度數據采集,得到實驗過程中測點的溫度變化如圖5所示。

圖5 測點溫度變化規律圖Fig.5 Temperature change law of measuring points

由圖5可以看出,實驗過程中的溫度測點反映了實驗裝置中10 min內的溫度變化特征,溫度值伴隨著波峰波谷的出現呈周期性的規律變化,說明了實驗過程中蓄熱體產生了周期性的吸熱與放熱,實現了周期性的重復,證明該實驗裝置已進入了穩定的循環實驗狀態。

3 現場應用

為了測試煤礦乏風瓦斯蓄熱氧化發電技術性能,本次研究選擇在煤礦乏風瓦斯和抽采瓦斯量大、氣源比較穩定可靠的潞安集團高河煤礦對該技術進行現場應用測試,試驗采用由美國杜爾系統有限公司生產的蓄熱氧化裝置,該試驗裝置主要技術參數如下:

1)單臺處理煤礦乏風量:9×104Nm3/h;

2)允許乏風甲烷濃度:0.27%～1.20%;

3)出口熱風溫度:954℃;

4)啟動總耗電:564 kW(max);

5)運行總電耗:260 kW。

現場試驗共采用了12臺同能力的蓄熱氧化裝置,處理乏風總能力為1.08×106m3/h,當裝置滿負荷運行時,每年可摧毀甲烷1.08×108m3。

在煤礦乏風甲烷濃度為 1.2%的條件下,蒸汽壓力為9.8 MPa、蒸汽溫度為540 ℃、鍋爐效率為0.9時,通過試驗測試,可用熱量隨甲烷濃度的降低而緩慢減小,甲烷濃度由1.2%降低到0.5%的過程中,產生的蒸汽量隨甲烷濃度降低呈線性減小的關系。

在氧化裝置熱風參數保持穩定的條件下,預計小時處理乏風量1.08×106m3,年處理乏風達9.4×109m3,年發電量可達2.4×108kW·h,當實現年供電量2.4×108kW·h時,每年可減少溫室氣體排放1.40×106t二氧化碳當量,相當于節約標煤8.08×104t。

針對高河煤礦乏風瓦斯蓄熱氧化發電技術的應用,實現了熱風量的并聯提取和精確調節,提高了甲烷的氧化效率,滿足了乏風蓄熱氧化發電核心設備的要求。

4 結論

1)通過理論分析研究建立了熱逆流氧化反應模型,分析了瓦斯燃燒及爆炸機理,實現了煤礦乏風瓦斯周期性的蓄熱氧化。

2)通過煤礦乏風蓄熱氧化實驗,得出低濃度甲烷在蓄熱氧化過程中,蓄熱體產生了周期性的吸熱與放熱,實現了周期性的、穩定的循環實驗。

3)通過對高河煤礦乏風瓦斯蓄熱氧化發電技術的應用研究,實現了熱風量的并聯提取和精確調節,提高了甲烷的氧化效率,并滿足了乏風蓄熱氧化發電核心設備的要求。