煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用研究

栗魯平

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 瓦斯研究院,山西 長治 046299)

煤礦乏風(fēng)是指為了保證井工煤礦安全生產(chǎn),在開采煤炭之前通過礦井通風(fēng)的方式將礦井瓦斯?jié)舛冉档筒⑴诺酱髿庵械幕旌蠚怏w,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(chǎn)量為35億t,經(jīng)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(jì)算),相當(dāng)于排放二氧化碳當(dāng)量3.7億 t。由于煤礦乏風(fēng)中有效成分甲烷濃度很低、富集較難[3-4],經(jīng)常被直接排放到大氣中,這樣,不僅造成了資源的極度浪費(fèi),而且?guī)砹谁h(huán)境污染[5-7]?？梢?煤礦乏風(fēng)的有效利用對于加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)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(yīng)器,基于熱逆流氧化原理,結(jié)合瓦斯氧化燃燒及爆炸機(jī)理,通過瓦斯蓄熱氧化實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)量的并聯(lián)提取及精確調(diào)節(jié),提高了甲烷的氧化效率,為煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電技術(shù)提供了一定的理論及應(yīng)用研究基礎(chǔ)。

1 煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化原理

1.1 熱逆流氧化反應(yīng)器原理

乏風(fēng)熱氧化技術(shù)主要是通過熱逆流氧化反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)的,熱逆流氧化反應(yīng)器由反應(yīng)器床層、換向閥和電加熱裝置等組成,其中,反應(yīng)器床層兩端裝有桂土材料或陶瓷類的蓄熱介質(zhì),中部設(shè)有燃燒室、換熱器等熱交換裝置,其運(yùn)行原理見圖1[9]。

由圖1可以看出,熱逆流氧化反應(yīng)運(yùn)行過程為:利用電加熱器或高溫?zé)煔鈱⒎磻?yīng)器裝置內(nèi)部的溫度升高,直至達(dá)到乏風(fēng)的自燃點(diǎn)1 000℃以上,打開閥a與閥d,煤礦乏風(fēng)即按圖1中實(shí)線路徑經(jīng)反應(yīng)器發(fā)生氧化反應(yīng)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(jīng)熱交換后的低溫?zé)煔庥砷yd排出;之后,關(guān)閉閥a與閥d,打開閥b與閥c,煤礦乏風(fēng)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(fēng)加熱至1 000 ℃,反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生二次氧化反應(yīng)并釋放出熱量,反應(yīng)釋放的熱量積蓄于上段蓄熱陶瓷后,低溫?zé)煔鈩t由閥c排出,此時,一個反應(yīng)周期結(jié)束[10-11],如此不斷重復(fù)即可完成反應(yīng)過程。

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

1.2 乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電原理

煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電最關(guān)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(fēng)導(dǎo)入反應(yīng)腔,使煤礦乏風(fēng)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(dǎo)入換熱器或余熱鍋爐,用于生產(chǎn)飽和或過熱蒸汽供礦井用熱或熱電聯(lián)供;一小部分則用于維持設(shè)備的反應(yīng)。一般情況下,當(dāng)煤礦乏風(fēng)中的甲烷濃度達(dá)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(yīng);當(dāng)達(dá)到0.8%時,則可提供過熱蒸汽來用于拖動蒸汽輪機(jī)組發(fā)電。

1.3 瓦斯氧化燃燒/爆炸機(jī)理

當(dāng)甲烷在空氣中完全燃燒時,其充分反應(yīng)的體積當(dāng)量為:

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

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

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

2 煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化實(shí)驗(yàn)

2.1 煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化實(shí)驗(yàn)裝置

煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化實(shí)驗(yàn)主要采用如圖2所示的通風(fēng)瓦斯蓄熱氧化實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)裝置主要由裝置本體、配氣系統(tǒng)、啟動燃燒器與測控系統(tǒng)等組成。其中，裝置本體為2 700 mm×600 mm×500 mm的長方體，兩側(cè)各布置一組蓄熱陶瓷，中部設(shè)空腔，外壁采用保溫材料進(jìn)行保溫處理；配氣系統(tǒng)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(jìn)行測量；啟動燃燒器用來為裝置進(jìn)行預(yù)熱啟動；測控系統(tǒng)主要用來對設(shè)備進(jìn)行流量與壓力等數(shù)據(jù)的測量及對裝置進(jìn)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(jì);7-混合器;8-單向閥;9-止回閥;10-電磁閥圖2 通風(fēng)瓦斯蓄熱氧化裝置Fig.2 Ventilation air methane thermal storage oxidation equipment

2.2 煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了模擬,圖3為蓄熱氧化裝置啟動與穩(wěn)定狀態(tài)下的軸向溫度分布圖。

圖3 啟動與穩(wěn)定狀態(tài)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(shí)驗(yàn)過程中完全反應(yīng)并向蓄熱體放熱,氣流與蓄熱體之間實(shí)現(xiàn)了熱量傳遞的平衡,在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)形成梯形軸向溫度分布。實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)存在著明顯的散熱現(xiàn)象,并于軸向中部形成溫度峰值,之后兩側(cè)開始出現(xiàn)溫度降低的現(xiàn)象,并且其溫度場在兩側(cè)基本呈對稱狀,造成軸向中部出現(xiàn)一個馬鞍型的溫度降低凹槽。

同時,以60 s作為一個實(shí)驗(yàn)周期,每隔10 s對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次記錄,圖4為一個實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)不同時刻溫度曲線圖。

圖4 一個周期內(nèi)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(jīng)氧化的高溫?zé)煔庀蛐顭狍w放熱,進(jìn)而導(dǎo)致裝置內(nèi)部溫度持續(xù)升高;從10 s到30 s期間,溫度繼續(xù)升高,但其速度比前10 s有稍微變緩的趨勢,至30 s時刻達(dá)到該實(shí)驗(yàn)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(xiàn)與0 s時刻重合的現(xiàn)象。由此可見,實(shí)驗(yàn)裝置中溫度場在經(jīng)過一個完整的實(shí)驗(yàn)周期后實(shí)現(xiàn)了自我的重復(fù),并可周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程。

實(shí)驗(yàn)過程中,同時對裝置中測點(diǎn)進(jìn)行了10 min的溫度數(shù)據(jù)采集,得到實(shí)驗(yàn)過程中測點(diǎn)的溫度變化如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)溫度變化規(guī)律圖Fig.5 Temperature change law of measuring points

由圖5可以看出,實(shí)驗(yàn)過程中的溫度測點(diǎn)反映了實(shí)驗(yàn)裝置中10 min內(nèi)的溫度變化特征,溫度值伴隨著波峰波谷的出現(xiàn)呈周期性的規(guī)律變化,說明了實(shí)驗(yàn)過程中蓄熱體產(chǎn)生了周期性的吸熱與放熱,實(shí)現(xiàn)了周期性的重復(fù),證明該實(shí)驗(yàn)裝置已進(jìn)入了穩(wěn)定的循環(huán)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了測試煤礦乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化發(fā)電技術(shù)性能,本次研究選擇在煤礦乏風(fēng)瓦斯和抽采瓦斯量大、氣源比較穩(wěn)定可靠的潞安集團(tuán)高河煤礦對該技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試,試驗(yàn)采用由美國杜爾系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的蓄熱氧化裝置,該試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)如下:

1)單臺處理煤礦乏風(fēng)量:9×104Nm3/h;

2)允許乏風(fēng)甲烷濃度:0.27%～1.20%;

3)出口熱風(fēng)溫度:954℃;

4)啟動總耗電:564 kW(max);

5)運(yùn)行總電耗:260 kW。

現(xiàn)場試驗(yàn)共采用了12臺同能力的蓄熱氧化裝置,處理乏風(fēng)總能力為1.08×106m3/h,當(dāng)裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時,每年可摧毀甲烷1.08×108m3。

在煤礦乏風(fēng)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(yàn)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(chǎn)生的蒸汽量隨甲烷濃度降低呈線性減小的關(guān)系。

在氧化裝置熱風(fēng)參數(shù)保持穩(wěn)定的條件下,預(yù)計(jì)小時處理乏風(fēng)量1.08×106m3,年處理乏風(fēng)達(dá)9.4×109m3,年發(fā)電量可達(dá)2.4×108kW·h,當(dāng)實(shí)現(xiàn)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(dāng)量,相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤8.08×104t。

針對高河煤礦乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)量的并聯(lián)提取和精確調(diào)節(jié),提高了甲烷的氧化效率,滿足了乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電核心設(shè)備的要求。

4 結(jié)論

1)通過理論分析研究建立了熱逆流氧化反應(yīng)模型,分析了瓦斯燃燒及爆炸機(jī)理,實(shí)現(xiàn)了煤礦乏風(fēng)瓦斯周期性的蓄熱氧化。

2)通過煤礦乏風(fēng)蓄熱氧化實(shí)驗(yàn),得出低濃度甲烷在蓄熱氧化過程中,蓄熱體產(chǎn)生了周期性的吸熱與放熱,實(shí)現(xiàn)了周期性的、穩(wěn)定的循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

3)通過對高河煤礦乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)量的并聯(lián)提取和精確調(diào)節(jié),提高了甲烷的氧化效率,并滿足了乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電核心設(shè)備的要求。