低濃度煤礦區(qū)煤層氣發(fā)電氣體預(yù)處理

楊俊輝

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 056031)

1 低濃度煤層氣預(yù)處理必要性

1.1 低濃度煤層氣含水對(duì)機(jī)組影響

目前低濃度煤層氣輸送一般采用細(xì)水霧和低濃度煤層氣混合輸送方式，低濃度煤層氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)組之前只采用簡(jiǎn)單的重力、慣性脫水，脫水效果不佳，進(jìn)入機(jī)組煤層氣含水量約30～50g/m3，大量的水分進(jìn)入發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)效率下降、出力減少、設(shè)備利用小時(shí)數(shù)降低、油消耗增加等一系列問(wèn)題。

1.2 低濃度煤層氣含塵對(duì)機(jī)組影響

低濃度煤層氣進(jìn)入發(fā)電機(jī)組之前普遍采用一級(jí)初級(jí)過(guò)濾器，過(guò)濾效果不佳，進(jìn)入機(jī)組粉塵較多。煤層氣攜帶粉塵使內(nèi)燃機(jī)的震動(dòng)噪聲加大、排煙溫度升高、潤(rùn)滑油變質(zhì)加速、機(jī)組運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性下降。

1.3 腐蝕性氣體對(duì)機(jī)組影響

個(gè)別煤礦抽采的煤礦區(qū)煤層氣含腐蝕性氣體(H2S)較高，對(duì)機(jī)組具有腐蝕破壞作用，會(huì)大幅度降低機(jī)組使用壽命。

1.4 有害成分綜合影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，低濃度煤層氣不采取預(yù)處理的情況下，機(jī)組發(fā)電效率下降約5%、綜合油耗增加約0.5g/kWh、機(jī)組檢修周期縮短、設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)減少約1200h，機(jī)組壽命大幅度降低。

2 低濃度煤層氣預(yù)處理工藝流程

低濃度瓦斯預(yù)處理的目的是去除瓦斯氣體中有害成分，使瓦斯含水量、粉塵含量、腐蝕性氣體控制在機(jī)組要求水平。

2.1 真空變壓吸附提純法預(yù)處理方案

該方案核心技術(shù)是采用一級(jí)真空變壓吸附提純將低濃度煤層氣轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼舛让簩託?，再將高濃度煤層氣按傳統(tǒng)工藝進(jìn)行預(yù)處理。煤層氣預(yù)處理后濕度小于80%、攜帶粉塵粒徑小于5μm、H2S小于30mg/m3。真空變壓吸附提純預(yù)處理方案工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 真空變壓吸附提純預(yù)處理方案工藝流程

真空變壓吸附法是利用固體吸附劑對(duì)低濃度煤氣層中不同組份吸附的明顯選擇和擴(kuò)散性的差異，通過(guò)低濃煤層氣在接近常壓下做周期性、在不同的吸附器中循環(huán)變化，其解吸采用真空抽吸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的分離技術(shù)。該技術(shù)對(duì)低濃度煤層氣不需進(jìn)行加壓，在進(jìn)行煤層氣提純時(shí)，低濃度煤層氣在常壓下被吸附后，采用抽真空方式提高煤層氣純度，即利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓，使被吸附的CH4在負(fù)壓下解吸出來(lái)。

煤礦低濃度煤層氣提純采用真空變壓吸附法，可根據(jù)煤礦的氣源狀況和提純氣用途設(shè)置合適規(guī)模，每級(jí)提純吸附塔數(shù)量一般選擇多個(gè)，以實(shí)現(xiàn)提純低濃度煤層氣連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。主要生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)包括低壓吸附、壓力均衡降、真空解吸、壓力均衡升、產(chǎn)品氣升壓等過(guò)程。完成吸附、解吸循環(huán)操作，實(shí)現(xiàn)煤礦低濃度煤層氣氣體的連續(xù)提純。

目前真空變壓吸附法對(duì)低濃度煤層氣提純已經(jīng)完成工業(yè)性試驗(yàn)且性能良好，其主要特點(diǎn)是:

(1)運(yùn)行壓力低:煤層氣的低壓吸附及真空解吸的整個(gè)操作過(guò)程均在低壓下進(jìn)行，無(wú)需進(jìn)行加壓，安全性較高。

(2)自動(dòng)化程度高:采用先進(jìn)的PLC控制或數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)投資相對(duì)較高、運(yùn)行成本也相對(duì)較高。

2.2 低濃度煤層氣集中濕式加壓預(yù)處理方案

該方案核心技術(shù)是采用水環(huán)真空泵對(duì)低濃度煤層氣加壓，其主要工藝流程為初級(jí)過(guò)濾、細(xì)水霧混合輸送、水環(huán)真空泵增壓、初級(jí)慣性脫水、預(yù)冷脫水、深度冷凍脫水、預(yù)熱、精密過(guò)濾等環(huán)節(jié)，使低濃度瓦斯處理后滿(mǎn)足機(jī)組需求。其主要工藝系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 低濃度煤層氣集中濕式加壓預(yù)處理工藝系統(tǒng)流程圖

該方案需要注意的技術(shù)環(huán)節(jié)為:

(1)水環(huán)增壓的設(shè)置位置應(yīng)合理選擇，在滿(mǎn)足系統(tǒng)阻力前提下應(yīng)保證抽放站至水環(huán)增壓泵之間煤層氣管道不能出現(xiàn)負(fù)壓，并設(shè)置必要連鎖保護(hù)，保證抽放站安全運(yùn)行。

(2)水環(huán)真空泵背壓選取應(yīng)滿(mǎn)足輸送系統(tǒng)阻力和機(jī)組進(jìn)氣壓力需要。

(3)水環(huán)真空泵宜設(shè)置1臺(tái)備用。

(4)水環(huán)真空泵宜設(shè)置在瓦斯電站內(nèi)以方便運(yùn)行管理。

(5)水環(huán)增壓泵宜和霧化泵房聯(lián)合設(shè)置。

2.3 分散羅茨風(fēng)機(jī)加壓預(yù)處理方案

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組經(jīng)空燃比控制裝置將煤層氣和空氣按爆燃比例混合，再經(jīng)蝸輪增壓器將混合氣體增壓，然后分配到機(jī)組各氣缸內(nèi)爆燃做功。配氣裝置后混合氣體瓦斯?jié)舛燃s為7%，蝸輪增壓器動(dòng)力為高溫排煙余壓驅(qū)動(dòng)，增壓比約為2～3。實(shí)踐證明，在燃?xì)鈾C(jī)組配氣機(jī)構(gòu)后將處于爆炸極限范圍內(nèi)的燃?xì)獠捎梦佪喸鰤浩鬟M(jìn)行較大幅度升壓，在采取安全技術(shù)措施的情況下安全是有保障的。

借鑒蝸輪增壓器工作環(huán)境和安全措施，本文提出在每臺(tái)煤層氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣分支管道上設(shè)計(jì)羅茨風(fēng)機(jī)加壓、脫水、除塵過(guò)濾等工藝環(huán)節(jié)，組成低濃度煤層氣預(yù)處理模塊，其安全性是可以保證的，其主要工藝系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 分散羅茨風(fēng)機(jī)加壓預(yù)處理工藝系統(tǒng)流程圖

分散羅茨風(fēng)機(jī)加壓預(yù)處理方案應(yīng)注意以下環(huán)節(jié):

(1)低濃度煤層氣預(yù)處理模塊與煤層氣母管之間應(yīng)設(shè)置水封阻爆泄爆裝置、專(zhuān)用瓦斯干式阻火器，保證低濃度煤層氣預(yù)處理模塊與煤層氣母管安全有效隔離。

(2)低濃度煤層氣預(yù)處理模塊和煤層氣發(fā)電機(jī)組之間也設(shè)置專(zhuān)用瓦斯干式阻火器，保證低濃度煤層氣預(yù)處理模塊和內(nèi)燃機(jī)組安全隔離。

(3)每臺(tái)低濃度煤層氣發(fā)電機(jī)組設(shè)置1套低濃度瓦斯預(yù)處理模塊，避免機(jī)組之間相互影響。

3 低濃度煤層氣預(yù)處理方案比選

選取某一煤層氣電站作為示例，該煤礦煤層氣抽放站抽采煤層氣平均混合量為335m3/min，抽采濃度平均為15%。配套建設(shè)電站裝機(jī)規(guī)模為10×1000kW低濃度煤層氣發(fā)電機(jī)組，以此工程為例將上述的3種低濃度煤層氣預(yù)處理方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

采取低濃度煤層氣預(yù)處理后綜合發(fā)電效率由25%提高到30%，設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)由6000h增加到7200h，年增加發(fā)電量為7200萬(wàn)kWh，銷(xiāo)售電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)算，銷(xiāo)售收入增加為600萬(wàn)元。

綜合油耗降低約0.5g/kWh，潤(rùn)滑油價(jià)格按35元/kg計(jì)算，年節(jié)省油耗費(fèi)用約105萬(wàn)元。

設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，檢修周期縮短，年節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用降低約25萬(wàn)元。

幾項(xiàng)合計(jì)直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約為730萬(wàn)元。

3.2 低濃度煤層氣預(yù)處理成本

低濃度煤層氣預(yù)處理成本包括設(shè)備材料消耗費(fèi)用 (電、水、油、維修材料)、折舊費(fèi)用、大修費(fèi)用、其它費(fèi)用等。

電耗按0.5元/kWh計(jì)，其它材料消耗按電費(fèi)20%計(jì);折舊年限統(tǒng)一按10年計(jì)算;大修費(fèi)用按設(shè)備費(fèi)的2.5%計(jì)算。

不同低濃度煤層氣預(yù)處理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1。

表1 低濃度瓦斯預(yù)處理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

4 結(jié)論及建議

(1)低濃度煤層氣發(fā)電機(jī)組氣體預(yù)處理后機(jī)組發(fā)電效率、設(shè)備可用率、運(yùn)行油耗、運(yùn)行穩(wěn)定性可靠性大幅度提高，低濃度煤層氣預(yù)處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，應(yīng)積極推廣。

(2)真空吸附提純法低濃度煤層氣預(yù)處理方案投資較高、系統(tǒng)復(fù)雜、占地較大、運(yùn)行費(fèi)用較高，不宜應(yīng)用在低濃度煤層氣發(fā)電工程，更適合于低濃度煤層氣提純后作為城鎮(zhèn)燃?xì)庥谩?/p>

(3)集中濕式加壓方式低濃度預(yù)處理方案、分散羅茨風(fēng)機(jī)加壓煤層氣預(yù)處理方案投資較低、占地相對(duì)較小、運(yùn)行費(fèi)用較低。相比而言分散羅茨風(fēng)機(jī)加壓煤層氣預(yù)處理方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，以確定最佳處理方案。

(4)新建低濃度煤層氣發(fā)電工程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)一次建成低濃度煤層氣預(yù)處理系統(tǒng)。

(5)已經(jīng)運(yùn)行的煤層氣發(fā)電項(xiàng)目，有條件的應(yīng)積極增設(shè)低濃度煤層氣預(yù)處理系統(tǒng)。

(6)在低濃度煤層氣氣體品質(zhì)有可靠保障前提下，煤層氣發(fā)電機(jī)組應(yīng)采取有效技術(shù)措施，大幅度提高機(jī)組性能指標(biāo)。

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