超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用技術(shù)分析

王永保，黃鳳河，劉 虎

(淮滬煤電有限公司 丁集煤礦，安徽 淮南 232001)

我國在傳統(tǒng)能源方面具有多煤、少油、貧氣的特點(diǎn)。2010-2017 年煤層氣抽采量總體上升而近兩年略有回落，利用量逐年有增長，但利用率偏低(30%左右)[1-2]。而井下瓦斯利用量和利用率不高的問題，主要是因?yàn)榈蜐舛韧咚?甲烷濃度小于30%)的利用是一個(gè)難點(diǎn)[3-4]，尤其是甲烷濃度小于8%的超低濃度瓦斯，絕大部分直接排空，造成極大的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。因此，開展超低濃度瓦斯利用技術(shù)的深入研究，形成低濃度瓦斯梯級利用技術(shù)體系，將極大地提高我國煤層氣整體利用率[5-6]。與此同時(shí)，隨著礦井開采深度增加，采掘工作面環(huán)境的熱害日益嚴(yán)重，極大地影響了工人勞動效率和人身健康，也嚴(yán)重威脅井下安全生產(chǎn)[7-10]。因此，創(chuàng)造清涼的井下勞動環(huán)境是國內(nèi)外目前亟待解決的問題。

基于此，將超低濃度瓦斯進(jìn)行蓄熱氧化，開展余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫蒸汽發(fā)電(背壓式汽輪機(jī)組)，低溫蒸汽通過溴化鋰機(jī)組井下降溫的研究，形成高效、經(jīng)濟(jì)的超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用技術(shù)，對促進(jìn)超低濃度瓦斯的全面利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[11-14]。

1 工程概況

丁集煤礦是淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司熱害最嚴(yán)重的礦井之一，根據(jù)地質(zhì)勘探鉆井測溫結(jié)果表明，為二級熱害區(qū)。因此，丁集煤礦建設(shè)并投運(yùn)了礦井集中降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為地面集中制冷系統(tǒng)、井下供冷系統(tǒng)以及輸冷管路系統(tǒng)。其中，地面系統(tǒng)供回水溫度設(shè)計(jì)為2.5 ℃/18 ℃，由蒸汽型雙效溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組加離心式冷水機(jī)組串聯(lián)的兩級制冷裝置實(shí)現(xiàn)。第一級為蒸汽型雙效溴化鋰機(jī)組，將冷媒回水由18 ℃降至5～7 ℃；第二級為離心式冷水機(jī)組，將5～7 ℃冷媒水降至2.5 ℃。每臺蒸汽型雙效溴化鋰機(jī)組與一臺離心式冷水機(jī)組組成一個(gè)制冷單元，三個(gè)制冷單元互為備用。

由上述可見，礦井集中降溫系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是制冷，蒸汽型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組因其高效、穩(wěn)定的優(yōu)越性能在整個(gè)制冷系統(tǒng)中尤為重要。而蒸汽是溴化鋰機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的原始驅(qū)動力。穩(wěn)定連續(xù)的蒸汽供應(yīng)是溴化鋰機(jī)組體現(xiàn)其優(yōu)越性的重中之重。之前礦井蒸汽由4臺蒸發(fā)量為8 t/h的燃煤鍋爐提供，鍋爐2用2備。由于運(yùn)行時(shí)間較長，鍋爐效率下降，供給降溫系統(tǒng)的蒸汽品質(zhì)不能滿足需要。加上《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計(jì)劃的通知》(國發(fā)[2013]37號)、《安徽省人民政府關(guān)于印發(fā)安徽省大氣污染防治行動計(jì)劃實(shí)施方案的通知》(皖政[2013]89號)、《淮南市人民政府辦公室關(guān)于印發(fā)淮南市整治城區(qū)燃煤鍋爐工作方案的通知》(淮府辦[2013]119號)等文件要求，淮南潘謝礦區(qū)多數(shù)生產(chǎn)礦井均需對礦內(nèi)的燃煤鍋爐房進(jìn)行供熱改造，丁集礦燃煤鍋爐改造刻不容緩，必須盡快尋求新技術(shù)改變這一現(xiàn)狀。

2 瓦斯蓄熱氧化熱能梯級利用技術(shù)

該技術(shù)利用礦井抽采出的8%以下的超低濃度瓦斯經(jīng)一、二次摻混系統(tǒng)進(jìn)入氧化爐氧化，通過瓦斯氧化產(chǎn)生930 ℃的高溫?zé)煔夤┙o煙氣余熱鍋爐。經(jīng)過余熱鍋爐換熱后產(chǎn)生過高壓熱蒸汽用于背壓式汽輪機(jī)發(fā)電，同時(shí)過熱蒸汽經(jīng)減溫減壓后(低溫蒸汽)通過溴化鋰機(jī)組供礦井降溫，其工藝流程如圖1所示。

圖1 超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用工藝流程

2.1 超低濃度瓦斯蓄熱氧化

RTO蓄熱氧化單元單體能處理90 000 m3/h的瓦斯氣，當(dāng)甲烷濃度為1.2%時(shí)，甲烷摧毀效率達(dá)到98.0%。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表1所示。從裝置實(shí)際情況來看，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

表1 氧化裝置核心實(shí)際運(yùn)行工作參數(shù)

2.2 背壓式汽輪機(jī)發(fā)電組

合理選擇背壓機(jī)的容量，是關(guān)系到背壓發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益能否充分發(fā)揮的大問題。根據(jù)丁集礦RTO高溫?zé)煔饬髁俊囟鹊惹闆r，背壓式汽輪機(jī)采用單缸、單軸單級或多級背壓式汽輪機(jī)。其參數(shù)為：①背壓機(jī)額定功率1.15 MW，額定進(jìn)汽流量17.6 t/h，進(jìn)汽壓力3.43 MPa，進(jìn)汽溫度435 ℃，排汽壓力0.8 MPa，排汽溫度282 ℃；②減速箱額定功率1.5 MW，輸入轉(zhuǎn)速9 000 r/min，輸出轉(zhuǎn)速1 500 r/min；③發(fā)電機(jī)額定功率1.5 MW，額定電壓10 500 V，功率因數(shù)0.8，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定頻率50 Hz，進(jìn)風(fēng)溫度≤40 ℃。

2.3 溴化鋰機(jī)組

溴化鋰機(jī)組內(nèi)部工作流程由冷劑水、溴化鋰濃溶液的循環(huán)組成，機(jī)級內(nèi)部為真空，內(nèi)部由發(fā)生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器四部分組成。供給礦井集中降溫系統(tǒng)的蒸汽壓力為0.6 MPa，溫度為195 ℃，流量為5.5 t/h(單臺溴化鋰機(jī)組)，完全超過溴化鋰機(jī)組所要求的蒸汽品質(zhì)。通過應(yīng)用該技術(shù)，能夠滿足蒸汽型雙效溴化鋰機(jī)組的蒸汽需求。溴化鋰機(jī)組設(shè)備配置情況見表2。

表2 溴化鋰機(jī)組設(shè)備

3 應(yīng)用效果分析

3.1 RTO運(yùn)行測試分析

根據(jù)RTO現(xiàn)場測試，低濃度瓦斯氧化系統(tǒng)氣體進(jìn)出口參數(shù)見表3。在低濃度瓦斯氧化系統(tǒng)中，CH4與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，1體積CH4和2體積O2生成1體積CO2和2體積氣態(tài)H2O，總氣體體積保持不變。

表3 設(shè)計(jì)氧化裝置進(jìn)出口氣體組分

從表3的測試結(jié)果來看，RTO含濕量在進(jìn)氣口較低，在出氣口較高，這是因?yàn)镃H4與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成水汽，進(jìn)而增大了出氣口的含濕量。2019年6月27日的煙氣流速比6月28日測試的煙氣流速大，進(jìn)而導(dǎo)致其靜壓比6月28日測試的靜壓偏大。在RTO進(jìn)汽含氧量相同的情況下，6月28日測試出口含氧量比6月27日測試的降低了一個(gè)百分點(diǎn)，這是因?yàn)?月27日進(jìn)氣口流量較大，降低了CH4與O2的反應(yīng)幾率。總體而言， RTO運(yùn)行CH4與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的效果較好。

3.2 背壓式汽輪機(jī)組

分別對不同進(jìn)汽壓力、進(jìn)汽溫度、排汽壓力下汽輪機(jī)組功率變化率的變化規(guī)律進(jìn)行了測試，以及進(jìn)氣量對汽輪機(jī)組功率的影響規(guī)律進(jìn)行了測試。測試結(jié)果如圖2。從圖2(a)可以看出，隨著進(jìn)汽壓力增大，汽輪機(jī)功率變化率近似呈指數(shù)增大；從圖2(b)可以看出，隨著進(jìn)汽溫度增大，汽輪機(jī)功率變化率呈線性增大；從圖2(c)可以看出，隨著排汽壓力增大，汽輪機(jī)功率變化率呈線性減小。

圖2 背壓機(jī)進(jìn)汽壓力、進(jìn)汽溫度、排汽壓力對功率修正曲線

從圖3可以看出，背壓式汽輪機(jī)組利用高溫蒸汽月發(fā)電量可達(dá)到800 000 kW·h，其中2月份是系統(tǒng)調(diào)試階段，6月份系統(tǒng)驗(yàn)收，期間系統(tǒng)停機(jī)狀態(tài)，所以相對發(fā)電總量較少。其它3個(gè)月份正常運(yùn)行，月發(fā)電量700 000～800 000 kW·h，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，高溫蒸汽得以充分利用。同時(shí)，從圖3可以看出，丁集礦區(qū)月用電量在650 000 kW·h左右，低于發(fā)電量，即背壓式發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量完全可滿足整個(gè)礦區(qū)的用電量。

圖3 背壓式汽輪機(jī)組月發(fā)電量及廠區(qū)用電量

3.3 井下實(shí)際降溫效果對比

溴化鋰機(jī)組應(yīng)用前后制冷量對比如表4所示，從表4可以看出，背壓式發(fā)電機(jī)組排出的低溫蒸汽用于溴化鋰機(jī)組之后，蒸汽壓力和流量都得到顯著提高，尤其是制冷量提高40%以上。

表4 溴化鋰機(jī)組實(shí)際制冷量統(tǒng)計(jì)

同時(shí)，在丁集礦采用低溫蒸汽溴化鋰機(jī)組后對井下不同位置的降溫效果進(jìn)行考察，如表5所示(選取了3個(gè)工作日)。從表5可以看出，井下不同地點(diǎn)在新技術(shù)使用前(供冷前)的溫度均在28 ℃以上，甚至達(dá)到32 ℃，相對濕度96%以上。在供冷降溫后，井下溫度均降至27 ℃以下，相對濕度基本控制在78%以下，達(dá)到了《煤礦安全規(guī)程》對井下空氣溫度的要求。

表5 丁集礦采掘工作面溫度、濕度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

針對超低濃度瓦斯排空的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題，采用RTO對超低濃度瓦斯進(jìn)行蓄熱氧化，通過余熱鍋爐的熱能轉(zhuǎn)換，形成高溫蒸汽發(fā)電、低溫蒸汽井下降溫的熱能梯級利用技術(shù)。該新技術(shù)在丁集礦的應(yīng)用表明，超低濃度瓦斯氧化后的熱能，采用背壓式發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量不僅可滿足整個(gè)礦區(qū)的用電量，而且降溫系統(tǒng)運(yùn)行所需的低溫蒸汽供應(yīng)穩(wěn)定，采取井下供冷措施以后，各掘進(jìn)頭面溫度普遍降低3～5 ℃，平均溫度在25～26 ℃，濕度降低了20%，有效保證了煤礦安全生產(chǎn)的高效運(yùn)行。同時(shí)該技術(shù)在丁集礦的成功實(shí)施，將為其它礦區(qū)節(jié)能環(huán)保提供有力的技術(shù)支撐。