高河礦乏風(fēng)引風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)及數(shù)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?jié)舛?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(yīng)的利用技術(shù)，直接排空既造成能源浪費，又污染大氣環(huán)境，加劇了溫室效應(yīng)[5-6]。

雖然國內(nèi)風(fēng)排瓦斯(乏風(fēng))引風(fēng)裝置形式多樣，但引風(fēng)效果較差[7-8]，而且國內(nèi)煤礦乏風(fēng)通常多采用抽出式。引風(fēng)方法一種是從擴(kuò)散塔側(cè)面打孔，優(yōu)點是引風(fēng)對主風(fēng)機(jī)阻力影響小，不足之處是改變了擴(kuò)散塔結(jié)構(gòu)，需對其進(jìn)行加固；另一種是在擴(kuò)散塔出口一定位置放置乏風(fēng)引風(fēng)罩，優(yōu)點是收集乏風(fēng)效果好，但也會使主風(fēng)機(jī)出口端流通面積減少，阻力增大[8-9]。由此，需要對風(fēng)排瓦斯引風(fēng)裝置進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到顯著的引風(fēng)效果[10]。

本文針對國內(nèi)乏風(fēng)引風(fēng)裝置存在的弊端，對高河煤礦的乏風(fēng)引風(fēng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并通過Fluent數(shù)值模擬的方法，對其效果進(jìn)行數(shù)值分析和現(xiàn)場測試，為乏風(fēng)引風(fēng)裝置的優(yōu)化提供了一種新的思路。

1 工程概況

1.1 高河礦井通風(fēng)概況

高河煤礦位于山西省長治市上黨區(qū)高村西南側(cè)，地處沁水煤田東部中段。煤種以低揮發(fā)分煙煤和半無煙煤為主，是優(yōu)質(zhì)噴吹煤用煤。中央風(fēng)井選用2臺ANN-3392 / 1600B型主通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)容易時期，其乏風(fēng)總風(fēng)量為1 407 600 m3/h，進(jìn)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(fēng)困難時期，其乏風(fēng)總風(fēng)量為1 904 400 m3/h，進(jìn)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(fēng)擴(kuò)散塔的引風(fēng)改進(jìn)方案

在風(fēng)井主扇出氣端擴(kuò)散塔口上方的外圍增加乏風(fēng)引風(fēng)罩(12 m×12 m× 6.75 m)，并在引風(fēng)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(kuò)大了乏風(fēng)排空的口子。同時，RTO不運行情況下，主通風(fēng)機(jī)乏風(fēng)仍然通過上方通道進(jìn)行排空；RTO負(fù)壓風(fēng)機(jī)開啟后，在吸力作用下，擴(kuò)散塔口乏風(fēng)會流入乏風(fēng)管道內(nèi)，從而在與低濃度瓦斯混配后進(jìn)入RTO裝置進(jìn)行氧化發(fā)電。

乏風(fēng)引風(fēng)系統(tǒng)主要由乏風(fēng)引風(fēng)罩、乏風(fēng)風(fēng)門、電動調(diào)節(jié)閥門、乏風(fēng)管路、壓力傳感器、濃度傳感器、流量傳感器、控制系統(tǒng)組成。擴(kuò)散塔頂部標(biāo)高為955.464 m，乏風(fēng)引風(fēng)罩設(shè)鋼支架予以支撐，支架上設(shè)有直爬梯，可至收集罩上部開口。RTO 乏風(fēng)母管末端設(shè)置強(qiáng)制引風(fēng)放散口，以便在 RTO 突然停運時，將殘存在乏風(fēng)管道的甲烷氣體排出。放散引風(fēng)機(jī)為防爆型，其配電由氧化控制室引接。

2 乏風(fēng)引風(fēng)裝置數(shù)學(xué)物理模型

2.1 引風(fēng)系統(tǒng)基本理論

乏風(fēng)引風(fēng)風(fēng)流滿足多組分氣體方程：

(1)

(2)

(3)

p=ρRT

(4)

(5)

2.2 引風(fēng)模型及邊界條件

根據(jù)高河煤礦乏風(fēng)井口尺寸和引風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計了引風(fēng)裝置三維模型，如圖1所示。模擬所選參數(shù)為：引風(fēng)罩開口處為一個大氣壓；進(jìn)風(fēng)口乏風(fēng)流量為1.8×106m3/h；乏風(fēng)體積分?jǐn)?shù)為0.3%；乏風(fēng)密度為1.059 kg/m3；乏風(fēng)溫度為20 ℃；出口乏風(fēng)流量為1.04×106m3/h；其他邊界為固壁。模擬過程中的假設(shè)：① 忽略乏風(fēng)通道內(nèi)壁材料性質(zhì)； ②入口渦旋速度增大(如：軸向的排風(fēng)出口)。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

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

1) 主通風(fēng)機(jī)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(fēng)在引風(fēng)裝置中流動過程中，其壓力逐漸降低，甚至出現(xiàn)負(fù)壓。① 無乏風(fēng)引風(fēng)罩，壓降相對較小，主通風(fēng)機(jī)全壓降至206 Pa(圖2)；② 增加乏風(fēng)引風(fēng)罩，RTO氧化裝置不運行情況下，壓降相對較大，主通風(fēng)機(jī)全壓降至246 Pa(圖3)；③ 增加乏風(fēng)引風(fēng)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(qū)域大，壓力值小，在出口處，平均壓力僅為-19.3 Pa)，主通風(fēng)機(jī)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(fēng)扇推動通道內(nèi)乏風(fēng)的運移，并降低了乏風(fēng)在通道內(nèi)的壓力損失。總體來講，在增加乏風(fēng)引風(fēng)罩后，RTO無論運行與否，風(fēng)機(jī)靜壓變化僅40 Pa，對礦井主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)無影響。

圖1 引風(fēng)裝置模型

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

圖2 無乏風(fēng)引風(fēng)罩壓力分布

圖3 加乏風(fēng)引風(fēng)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(fēng)引風(fēng)罩

3) 12臺RTO運行時乏風(fēng)甲烷濃度分析。乏風(fēng) CH4濃度認(rèn)定為0.3%，擴(kuò)散塔出口乏風(fēng)濃度認(rèn)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(fēng)罩上部流出，即出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象(引風(fēng)罩上方氣體出現(xiàn)倒流：速度為負(fù)值(圖10))。但是，在12臺RTO風(fēng)機(jī)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(fēng)罩漏氣影響不大。對以上結(jié)果總結(jié)可得如表1所示。

圖6 加乏風(fēng)引風(fēng)罩(無RTO運行)

圖7 加乏風(fēng)引風(fēng)罩(12臺RTO運行)

圖8 引風(fēng)后平均CH4濃度

圖9 漏氣軌跡

圖10 引風(fēng)罩出口垂直速度(m·s-1)

表1 引風(fēng)參數(shù)對比

綜上所述，與無乏風(fēng)引風(fēng)罩相比，增加引風(fēng)罩，對乏風(fēng)擴(kuò)散塔系統(tǒng)所增加的阻力僅為40 Pa(RTO不運行)；而當(dāng)全部RTO運行時，乏風(fēng)被引風(fēng)機(jī)驅(qū)動下進(jìn)入輸送通道，主通風(fēng)機(jī)全壓壓降最為明顯(降至165 Pa)。RTO輸送通道中流體進(jìn)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(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司)對電站乏風(fēng)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定當(dāng)時工況是乏風(fēng)流量及濃度，甲烷濃度為0.273%，空氣進(jìn)入比例為0.73%，與模擬結(jié)果(甲烷濃度0.297 6%，進(jìn)入空氣比例0.8%)基本一致。

3 結(jié) 語

本文通過分析常用乏風(fēng)取氣引風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)缺點，對高河礦乏風(fēng)引風(fēng)裝置進(jìn)行改進(jìn)，并數(shù)值分析了改進(jìn)前后引風(fēng)系統(tǒng)的運行效果，結(jié)果表明：

1) 當(dāng)氧化裝置停機(jī)時，引風(fēng)罩對乏風(fēng)擴(kuò)散塔系統(tǒng)所增加的阻力僅為40 Pa。當(dāng)全部氧化裝置運行時，由于減少了乏風(fēng)擴(kuò)散塔里的氣壓損失，因而引風(fēng)罩漏氣影響不大。

2) 對引風(fēng)機(jī)的全、靜壓進(jìn)行計算，在1.8×106m3/h乏風(fēng)風(fēng)量下，無乏風(fēng)引風(fēng)罩輸出式通風(fēng)機(jī)靜壓效率比加上乏風(fēng)引風(fēng)罩輸出式通風(fēng)機(jī)靜壓效率僅提高1%，乏風(fēng)引風(fēng)罩僅增加額外40 Pa靜壓。

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

4) 在高河煤礦對乏風(fēng)引風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)范安裝，運行情況良好，特別適合于乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電乏風(fēng)氣體采集。