高河礦乏風引風系統的改進及數值分析

豆文舉，張維輝，陳 菁

(浙江億揚能源科技有限公司，浙江 杭州 310013)

一般煤礦超低濃度瓦斯(瓦斯濃度<8%)占煤礦瓦斯總量的90%左右，但利用率極低[1-4]，由于缺乏相應的利用技術，直接排空既造成能源浪費，又污染大氣環境，加劇了溫室效應[5-6]。

雖然國內風排瓦斯(乏風)引風裝置形式多樣，但引風效果較差[7-8]，而且國內煤礦乏風通常多采用抽出式。引風方法一種是從擴散塔側面打孔，優點是引風對主風機阻力影響小，不足之處是改變了擴散塔結構，需對其進行加固；另一種是在擴散塔出口一定位置放置乏風引風罩，優點是收集乏風效果好，但也會使主風機出口端流通面積減少，阻力增大[8-9]。由此，需要對風排瓦斯引風裝置進行改進，以達到顯著的引風效果[10]。

本文針對國內乏風引風裝置存在的弊端，對高河煤礦的乏風引風裝置進行了改進，并通過Fluent數值模擬的方法，對其效果進行數值分析和現場測試，為乏風引風裝置的優化提供了一種新的思路。

1 工程概況

1.1 高河礦井通風概況

高河煤礦位于山西省長治市上黨區高村西南側，地處沁水煤田東部中段。煤種以低揮發分煙煤和半無煙煤為主，是優質噴吹煤用煤。中央風井選用2臺ANN-3392 / 1600B型主通風機，通風容易時期，其乏風總風量為1 407 600 m3/h，進氣靜壓1 271 Pa，出氣靜壓126 Pa，靜壓1 397 Pa，效率66%，軸功率820 kW；通風困難時期，其乏風總風量為1 904 400 m3/h，進氣靜壓4 312 Pa，出氣靜壓231 Pa，靜壓4 543 Pa，效率85.5%，軸功率2 806 kW。

1.2 乏風擴散塔的引風改進方案

在風井主扇出氣端擴散塔口上方的外圍增加乏風引風罩(12 m×12 m× 6.75 m)，并在引風罩的頂部開一個永久的口(8 m×7.5 m)。這將從根本上消除原來電動閥門控制、冬季防冰凍、停電能否自動開啟等問題，而且擴大了乏風排空的口子。同時，RTO不運行情況下，主通風機乏風仍然通過上方通道進行排空；RTO負壓風機開啟后，在吸力作用下，擴散塔口乏風會流入乏風管道內，從而在與低濃度瓦斯混配后進入RTO裝置進行氧化發電。

乏風引風系統主要由乏風引風罩、乏風風門、電動調節閥門、乏風管路、壓力傳感器、濃度傳感器、流量傳感器、控制系統組成。擴散塔頂部標高為955.464 m，乏風引風罩設鋼支架予以支撐，支架上設有直爬梯，可至收集罩上部開口。RTO 乏風母管末端設置強制引風放散口，以便在 RTO 突然停運時，將殘存在乏風管道的甲烷氣體排出。放散引風機為防爆型，其配電由氧化控制室引接。

2 乏風引風裝置數學物理模型

2.1 引風系統基本理論

乏風引風風流滿足多組分氣體方程：

(1)

(2)

(3)

p=ρRT

(4)

(5)

2.2 引風模型及邊界條件

根據高河煤礦乏風井口尺寸和引風系統設計了引風裝置三維模型，如圖1所示。模擬所選參數為：引風罩開口處為一個大氣壓；進風口乏風流量為1.8×106m3/h；乏風體積分數為0.3%；乏風密度為1.059 kg/m3；乏風溫度為20 ℃；出口乏風流量為1.04×106m3/h；其他邊界為固壁。模擬過程中的假設：① 忽略乏風通道內壁材料性質； ②入口渦旋速度增大(如：軸向的排風出口)。

2.3 數值模擬結果分析

采用CFD軟件模擬了3種情況下引風系統的運行特征：① 無乏風引風罩(原有引風方式)；② 增加乏風引風罩，RTO氧化裝置不運行；③ 增加乏風引風罩，12臺RTO氧化裝置全部運行。

1) 主通風機阻力影響分析。3種情況下的壓力分布如圖2-圖4。從圖中可以看出，乏風在引風裝置中流動過程中，其壓力逐漸降低，甚至出現負壓。① 無乏風引風罩，壓降相對較小，主通風機全壓降至206 Pa(圖2)；② 增加乏風引風罩，RTO氧化裝置不運行情況下，壓降相對較大，主通風機全壓降至246 Pa(圖3)；③ 增加乏風引風罩，12臺RTO氧化裝置全部運行情況下，壓降最為明顯(中低壓區域大，壓力值小，在出口處，平均壓力僅為-19.3 Pa)，主通風機全壓降至165 Pa(圖4)，這主要是所有RTO裝置運行時，RTO裝置排風扇推動通道內乏風的運移，并降低了乏風在通道內的壓力損失。總體來講，在增加乏風引風罩后，RTO無論運行與否，風機靜壓變化僅40 Pa，對礦井主通風機通風無影響。

圖1 引風裝置模型

2) 乏風氣流運動軌跡分析。3種情況下的乏風運動軌跡如圖5～圖7。① 無乏風引風罩時，管狀流的乏風直接從管口流出，排至大氣中(圖5)；② 增加乏風引風罩，RTO氧化裝置不運行情況下，有部分乏風分流至通向RTO的輸送通道中，但其流動很快停止(乏風運動一段距離后返回)，乏風將從乏風引風罩上方開口流出(圖6)；③ 增加乏風引風罩，12臺RTO氧化裝置全部運行情況下，絕大部分乏風會經由輸送通道進入RTO，僅有少量乏風從乏風引風罩上方開口流出(圖7)。

圖2 無乏風引風罩壓力分布

圖3 加乏風引風罩壓力分布(無RTO運行)

圖4 12臺RTO運行時壓力分布

圖5 無乏風引風罩

3) 12臺RTO運行時乏風甲烷濃度分析。乏風 CH4濃度認定為0.3%，擴散塔出口乏風濃度認定為0，如圖8。圖9中，從甲烷運送軌跡可看出有部分甲烷從引風罩上部流出，即出現漏氣現象(引風罩上方氣體出現倒流：速度為負值(圖10))。但是，在12臺RTO風機全部運行時，CH4平均濃度為0.297 6%，與0.3%差別不大，由此可知引風罩漏氣影響不大。對以上結果總結可得如表1所示。

圖6 加乏風引風罩(無RTO運行)

圖7 加乏風引風罩(12臺RTO運行)

圖8 引風后平均CH4濃度

圖9 漏氣軌跡

圖10 引風罩出口垂直速度(m·s-1)

表1 引風參數對比

綜上所述，與無乏風引風罩相比，增加引風罩，對乏風擴散塔系統所增加的阻力僅為40 Pa(RTO不運行)；而當全部RTO運行時，乏風被引風機驅動下進入輸送通道，主通風機全壓壓降最為明顯(降至165 Pa)。RTO輸送通道中流體進入了約0.8%的新鮮空氣，這意味著RTO輸送通道中CH4濃度從0.3%被稀釋至0.297 6%。高河礦通過SGS(通標標準技術服務(上海)有限公司)對電站乏風進行了標定，標定當時工況是乏風流量及濃度，甲烷濃度為0.273%，空氣進入比例為0.73%，與模擬結果(甲烷濃度0.297 6%，進入空氣比例0.8%)基本一致。

3 結 語

本文通過分析常用乏風取氣引風罩的結構和性能的優缺點，對高河礦乏風引風裝置進行改進，并數值分析了改進前后引風系統的運行效果，結果表明：

1) 當氧化裝置停機時，引風罩對乏風擴散塔系統所增加的阻力僅為40 Pa。當全部氧化裝置運行時，由于減少了乏風擴散塔里的氣壓損失，因而引風罩漏氣影響不大。

2) 對引風機的全、靜壓進行計算，在1.8×106m3/h乏風風量下，無乏風引風罩輸出式通風機靜壓效率比加上乏風引風罩輸出式通風機靜壓效率僅提高1%，乏風引風罩僅增加額外40 Pa靜壓。

3) 對乏風引風罩的新的設計方案是在引風帽的頂部開一個永久的口，這個設計方案滿足向乏風管道引風的需要，而從開口處混進管道的新鮮空氣將只有0.8%。

4) 在高河煤礦對乏風引風系統進行了規范安裝，運行情況良好，特別適合于乏風蓄熱氧化發電乏風氣體采集。