煤層氣蓄熱氧化熱能調控模擬研究

張 濤

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國有大量低濃度煤層氣因為所含的甲烷體積分數過低而被直排進入大氣，造成了資源浪費和環境污染[1-4]。煤層氣蓄熱氧化技術能解決低濃度煤層氣利用難的問題[5]，該技術以煤礦抽采的低濃度煤層氣為原料，經過蓄熱氧化裝置和熱能利用裝置能將甲烷氧化釋放的熱量取出加以利用[6-11]。

低濃度煤層氣的主要成分為空氣、甲烷和水，經過蓄熱氧化裝置時，甲烷與空氣中的氧氣發生氧化反應生成二氧化碳和水并放出熱量，氧化反應產物以800 ℃以上的高溫煙氣形式存在，其主要成分為空氣和水蒸氣[12-16]。將該高溫煙氣送入熱交換裝置可實現煤礦井筒加熱、建筑物供暖、煤礦洗浴和生活用熱供給等；通過發電機組可以實現發電上網；通過溴化鋰制冷機組可以實現煤礦夏季供冷；也可以作為熱源氣體直接用于煤泥烘干[17]。由于煤礦存在夏季制冷負荷多、冬季用熱負荷多、夜晚用電負荷較多、環境溫度降低時井筒加熱負荷增加的現象，因此不同季節、不同時刻、不同環境溫度下的用熱、用電、用冷需求不同。為實現能量利用的最佳調配，避免造成熱能浪費，需要在滿足不同熱能需求的基礎上厘清煤層氣蓄熱氧化系統熱能調節的規律并加以控制，進而達到節能的目的。

筆者采用Hysys軟件對煤層氣蓄熱氧化系統熱能調節過程進行模擬研究，以期得出熱能調節控制規律，并在陽煤一礦楊坡堰低濃度煤層氣蓄熱氧化利用項目中驗證其調控效果。

1 模型建立

以甲烷體積分數為10%的煤層氣和空氣為氣源，結合混配系統、蓄熱氧化系統，以及煤礦辦公區制冷、建筑供暖、井筒加熱、洗浴及用電5種熱能負荷需求為例進行模擬分析。模擬采用的熱能利用工藝流程如圖1所示。

圖1 煤層氣蓄熱氧化熱能利用工藝流程圖

根據圖1的工藝流程，采用Hysys軟件建立煤層氣蓄熱氧化熱能調節模型，模擬不同溫度、不同時段下各用能設備所需高溫煙氣流量的變化趨勢。甲烷體積分數為10%的煤層氣原料氣與空氣在混配器內均勻混合至甲烷體積分數為1.2%[18]，然后進入蓄熱氧化裝置，在蓄熱氧化裝置內甲烷發生氧化反應釋放熱量產生高溫煙氣(典型工況下煙氣組分：氮氣體積分數為76.89%，氧氣體積分數為18.42%，二氧化碳體積分數為1.18%，水蒸氣體積分數為2.51%，甲烷體積分數為0.06%，稀有氣體體積分數為0.92%)，該高溫煙氣有一部分流經蓄熱氧化裝置內的蓄熱體進行換熱以維持蓄熱氧化裝置自身熱平衡，另一部分經高溫煙氣取氣口進入后端氣氣換熱器、熱水換熱器、熱水鍋爐、溴化鋰制冷機組、發電機組等熱能利用裝置進行熱能利用。高溫煙氣進入熱能利用裝置的流量由裝置前端的高溫煙氣閥門調節控制[19]。

以陽煤五礦小南莊低濃度煤層氣蓄熱氧化利用項目為例，該項目采用1臺低濃度瓦斯處理規模為60 000 m3/h(標準狀況下，以下類同)的蓄熱氧化裝置[20]，單臺蓄熱氧化裝置的基本工藝參數如表1 所示。

表1 蓄熱氧化裝置基本工藝參數

系統后端熱能利用裝置主要參數如表2所示。

表2 系統熱能利用裝置主要工藝參數

表2中因煙氣流量變化所引起的換熱設備換熱效率變化較小，不影響對熱能調控的定性研究，故在模擬中忽略其影響，將換熱效率設為定值。

煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統在每天不同時段的環境溫度參數如表3所示。

表3 系統每天不同時段環境溫度參數

2 模擬過程及結果分析

通常情況下，煤礦在夏季(4月至10月)有辦公區制冷需求，無井筒加熱及供暖需求；在冬季(11月至次年3月)有井筒加熱及供暖需求，無制冷需求；在全年有洗浴用熱需求，但每天洗浴用熱需求集中在07:00至09:00、15:00至17:00、23:00至次日01:00；在全年有用電需求，用電高峰集中在18:00至06:00。

2.1 夏季煙氣流量變化規律

在面積一定的情況下辦公區制冷所需負荷僅與環境溫度有關。環境溫度升高，用能負荷增加，模擬中設定環境溫度高于20 ℃時開始供冷。不同環境溫度下進入制冷機組的高溫煙氣流量變化如圖2所示。

圖2 制冷負荷一定的情況下進入制冷機組的高溫煙氣流量隨環境溫度的變化曲線

由圖2可知，在夏季(開始供冷后)進入制冷機組的煙氣流量與環境溫度基本呈線性關系，環境溫度升高，煙氣流量增大。

每天不同時段進入制冷機組的高溫煙氣流量變化趨勢如圖3所示。

圖3 每天不同時段進入制冷機組的煙氣流量變化曲線

由圖3可見，在夏季白天進入制冷機組的煙氣流量自06:00逐漸增大至13:00達到峰值后逐漸減小，與環境溫度在一天內呈現的變化趨勢一致。

2.2 冬季煙氣流量變化規律

在井筒進風量不變的情況下，井筒加熱所需負荷僅與環境溫度有關；在采暖面積一定時，建筑采暖所需負荷也僅與環境溫度有關。

環境溫度升高，用能負荷減少。模擬中設定環境溫度低于2 ℃時啟動井筒加熱系統，當環境溫度低于10 ℃時啟動建筑供暖。不同環境溫度下進入氣氣換熱器及熱水換熱器的高溫煙氣流量變化曲線如圖4所示。

圖4 加熱負荷一定的情況下進入氣氣換熱器及熱水換熱器的高溫煙氣流量隨環境溫度的變化曲線

由圖4可知，在冬季進入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣流量與環境溫度基本呈線性關系，環境溫度升高，煙氣流量減小。

每天不同時段進入氣氣換熱器及熱水換熱器的高溫煙氣流量變化趨勢如圖5所示。

圖5 每天不同時段進入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣流量變化曲線

由圖5可知，在冬季進入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣流量自06:00至14:00逐漸減小，自 14:00 至22:00逐漸增大。

2.3 不同時段熱水鍋爐的煙氣流量變化規律

在每個班組洗浴人數一定的情況下，洗浴熱負荷與環境溫度、時段有關。環境溫度升高時用能負荷減小，交班時用能負荷增大。以夏季每天進入熱水鍋爐的煙氣流量為例，不同時段的煙氣流量的變化曲線如圖6所示。

圖6 夏季不同時段進入熱水鍋爐的煙氣流量的變化曲線

由圖6可知，進入熱水鍋爐的煙氣流量從下午到夜晚整體呈上升趨勢，從凌晨到上午整體呈下降趨勢，但在07:00至09:00、15:00至17:00、23:00至次日01:00有突變性增加，這是因為該時間段正是交班時間，洗浴人數陡增致使洗浴負荷陡增。

2.4 不同時段發電機組的煙氣流量變化規律

由于煤礦用電負荷規模較大，煤層氣蓄熱氧化系統所能產生的電能遠低于煤礦總體用電負荷，因此，在本系統中發電機組產生的電能僅作為煤礦用電的補充，同時蓄熱氧化系統產生的熱能優先保證煤礦辦公區制冷、井筒加熱、建筑供暖及洗浴的用能需求。在夏季和冬季不同時段進入發電機組的煙氣流量的變化趨勢如圖7所示。

圖7 夏季和冬季不同時段進入發電機組的煙氣流量的變化曲線

由圖7可知，夏季進入發電機組的煙氣流量從下午到夜晚整體呈上升趨勢，從凌晨到中午整體呈下降趨勢；冬季進入發電機組的煙氣流量從下午到夜晚整體呈下降趨勢，從凌晨到中午整體呈上升趨勢。

2.5 高溫煙氣閥門調控規律

在煤層氣蓄熱氧化系統中，通過調節高溫煙氣閥門實現煙氣流量控制，夏季關閉進入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣閥門，且當環境溫度升高時，通過增大進入制冷機組的煙氣閥門開度、減小進入熱水鍋爐的煙氣閥門開度、減小進入發電機組的煙氣閥門開度來增大或者減小煙氣流量；冬季則關閉進入制冷機組的煙氣閥門，且當環境溫度升高時，通過減小進入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣閥門開度、減小進入熱水鍋爐的煙氣閥門開度、增大進入發電機組的煙氣閥門開度來增大或者減小煙氣流量，以實現熱能的充分利用，避免能源浪費。

3 應用效果

陽煤一礦楊坡堰低濃度煤層氣蓄熱氧化利用項目位于距離煤礦工業廣場及辦公區較遠的風井站場，站場有井筒加熱和建筑物供暖需求，無制冷、洗浴及發電需求，因此，項目設計有針對井筒加熱和站場建筑物供暖的熱能調控系統。項目井筒進風量為 21 000 m3/min，室外溫度為-20.3 ℃時，井筒內進風溫度不低于 2 ℃，建筑物采暖供/回水溫度不低于85 ℃/60 ℃，系統低濃度瓦斯處理規模為 160 000 m3/h，抽采瓦斯濃度(甲烷體積分數)為 4%～25%，井筒防凍熱負荷為10 096 kW，站場建筑物采暖熱負荷為344 kW。

由于項目在實際設計建設時以當地室外最低溫度為依據，當環境溫度高于最低溫度時就會出現系統熱能浪費現象。為減少這種浪費，系統在運行過程中借鑒上述模擬研究結果，在環境溫度升高時，通過減小用于井筒加熱的氣氣換熱器前端煙氣閥門開度以減小進入氣氣換熱器的煙氣流量，進而控制井筒進風溫度；通過減小用于建筑供暖的熱水換熱器前端煙氣閥門開度以減小進入熱水換熱器的煙氣流量，進而控制供回水溫度；由于沒有發電機組輔助調節，本項目中采用調節原料煤層氣進氣量的方式實現輔助調控。系統運行期間不同環境溫度下井筒進風溫度與建筑供暖供水溫度關系如圖8所示。

圖8 不同環境溫度下井筒進風溫度與建筑供暖供水溫度的變化曲線

由圖8可知，當環境溫度發生較大變化時，井筒進風溫度基本保持在3～5 ℃，建筑供暖供水溫度基本保持在85～88 ℃，均能維持在一個較小的波動范圍，表明通過上述熱能調控可使煤層氣蓄熱氧化系統的熱能利用更加穩定，減少了能源浪費。

4 結論

1)當夏季環境溫度升高時，在煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統中，辦公區制冷用能負荷增加，應相應增大進入制冷機組的煙氣流量，減小進入發電機組的煙氣流量。

2)當冬季環境溫度升高時，在煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統中，井筒加熱及建筑供暖用能負荷減少，應相應減小進入氣氣換熱器和熱水換熱器的煙氣流量，增大進入發電機組的煙氣流量。

3)當煤礦作業交班時，在煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統中，洗浴用能負荷增加，應相應增大進入熱水鍋爐的煙氣流量，適當減小進入發電機組的煙氣流量。

4)通過調節分配煙氣流量，能較好地進行煤層氣蓄熱氧化熱能調控，能夠實現熱能最佳調配，減少能源浪費。