煤層氣蓄熱氧化熱能調(diào)控模擬研究

張 濤

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國有大量低濃度煤層氣因?yàn)樗募淄轶w積分?jǐn)?shù)過低而被直排進(jìn)入大氣，造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-4]。煤層氣蓄熱氧化技術(shù)能解決低濃度煤層氣利用難的問題[5]，該技術(shù)以煤礦抽采的低濃度煤層氣為原料，經(jīng)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(jīng)過蓄熱氧化裝置時(shí)，甲烷與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳和水并放出熱量，氧化反應(yīng)產(chǎn)物以800 ℃以上的高溫?zé)煔庑问酱嬖?，其主要成分為空氣和水蒸氣[12-16]。將該高溫?zé)煔馑腿霟峤粨Q裝置可實(shí)現(xiàn)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(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電上網(wǎng)；通過溴化鋰制冷機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)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(fù)荷多、冬季用熱負(fù)荷多、夜晚用電負(fù)荷較多、環(huán)境溫度降低時(shí)井筒加熱負(fù)荷增加的現(xiàn)象，因此不同季節(jié)、不同時(shí)刻、不同環(huán)境溫度下的用熱、用電、用冷需求不同。為實(shí)現(xiàn)能量利用的最佳調(diào)配，避免造成熱能浪費(fèi)，需要在滿足不同熱能需求的基礎(chǔ)上厘清煤層氣蓄熱氧化系統(tǒng)熱能調(diào)節(jié)的規(guī)律并加以控制，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

筆者采用Hysys軟件對煤層氣蓄熱氧化系統(tǒng)熱能調(diào)節(jié)過程進(jìn)行模擬研究，以期得出熱能調(diào)節(jié)控制規(guī)律，并在陽煤一礦楊坡堰低濃度煤層氣蓄熱氧化利用項(xiàng)目中驗(yàn)證其調(diào)控效果。

1 模型建立

以甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%的煤層氣和空氣為氣源，結(jié)合混配系統(tǒng)、蓄熱氧化系統(tǒng)，以及煤礦辦公區(qū)制冷、建筑供暖、井筒加熱、洗浴及用電5種熱能負(fù)荷需求為例進(jìn)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(jù)圖1的工藝流程，采用Hysys軟件建立煤層氣蓄熱氧化熱能調(diào)節(jié)模型，模擬不同溫度、不同時(shí)段下各用能設(shè)備所需高溫?zé)煔饬髁康淖兓厔?。甲烷體積分?jǐn)?shù)為10%的煤層氣原料氣與空氣在混配器內(nèi)均勻混合至甲烷體積分?jǐn)?shù)為1.2%[18]，然后進(jìn)入蓄熱氧化裝置，在蓄熱氧化裝置內(nèi)甲烷發(fā)生氧化反應(yīng)釋放熱量產(chǎn)生高溫?zé)煔?典型工況下煙氣組分：氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為76.89%，氧氣體積分?jǐn)?shù)為18.42%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為1.18%，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為2.51%，甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.06%，稀有氣體體積分?jǐn)?shù)為0.92%)，該高溫?zé)煔庥幸徊糠至鹘?jīng)蓄熱氧化裝置內(nèi)的蓄熱體進(jìn)行換熱以維持蓄熱氧化裝置自身熱平衡，另一部分經(jīng)高溫?zé)煔馊饪谶M(jìn)入后端氣氣換熱器、熱水換熱器、熱水鍋爐、溴化鋰制冷機(jī)組、發(fā)電機(jī)組等熱能利用裝置進(jìn)行熱能利用。高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱能利用裝置的流量由裝置前端的高溫?zé)煔忾y門調(diào)節(jié)控制[19]。

以陽煤五礦小南莊低濃度煤層氣蓄熱氧化利用項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用1臺(tái)低濃度瓦斯處理規(guī)模為60 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下，以下類同)的蓄熱氧化裝置[20]，單臺(tái)蓄熱氧化裝置的基本工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 蓄熱氧化裝置基本工藝參數(shù)

系統(tǒng)后端熱能利用裝置主要參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)熱能利用裝置主要工藝參數(shù)

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

煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統(tǒng)在每天不同時(shí)段的環(huán)境溫度參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)每天不同時(shí)段環(huán)境溫度參數(shù)

2 模擬過程及結(jié)果分析

通常情況下，煤礦在夏季(4月至10月)有辦公區(qū)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(guī)律

在面積一定的情況下辦公區(qū)制冷所需負(fù)荷僅與環(huán)境溫度有關(guān)。環(huán)境溫度升高，用能負(fù)荷增加，模擬中設(shè)定環(huán)境溫度高于20 ℃時(shí)開始供冷。不同環(huán)境溫度下進(jìn)入制冷機(jī)組的高溫?zé)煔饬髁孔兓鐖D2所示。

圖2 制冷負(fù)荷一定的情況下進(jìn)入制冷機(jī)組的高溫?zé)煔饬髁侩S環(huán)境溫度的變化曲線

由圖2可知，在夏季(開始供冷后)進(jìn)入制冷機(jī)組的煙氣流量與環(huán)境溫度基本呈線性關(guān)系，環(huán)境溫度升高，煙氣流量增大。

每天不同時(shí)段進(jìn)入制冷機(jī)組的高溫?zé)煔饬髁孔兓厔萑鐖D3所示。

圖3 每天不同時(shí)段進(jìn)入制冷機(jī)組的煙氣流量變化曲線

由圖3可見，在夏季白天進(jìn)入制冷機(jī)組的煙氣流量自06:00逐漸增大至13:00達(dá)到峰值后逐漸減小，與環(huán)境溫度在一天內(nèi)呈現(xiàn)的變化趨勢一致。

2.2 冬季煙氣流量變化規(guī)律

在井筒進(jìn)風(fēng)量不變的情況下，井筒加熱所需負(fù)荷僅與環(huán)境溫度有關(guān)；在采暖面積一定時(shí)，建筑采暖所需負(fù)荷也僅與環(huán)境溫度有關(guān)。

環(huán)境溫度升高，用能負(fù)荷減少。模擬中設(shè)定環(huán)境溫度低于2 ℃時(shí)啟動(dòng)井筒加熱系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)啟動(dòng)建筑供暖。不同環(huán)境溫度下進(jìn)入氣氣換熱器及熱水換熱器的高溫?zé)煔饬髁孔兓€如圖4所示。

圖4 加熱負(fù)荷一定的情況下進(jìn)入氣氣換熱器及熱水換熱器的高溫?zé)煔饬髁侩S環(huán)境溫度的變化曲線

由圖4可知，在冬季進(jìn)入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣流量與環(huán)境溫度基本呈線性關(guān)系，環(huán)境溫度升高，煙氣流量減小。

每天不同時(shí)段進(jìn)入氣氣換熱器及熱水換熱器的高溫?zé)煔饬髁孔兓厔萑鐖D5所示。

圖5 每天不同時(shí)段進(jìn)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(jìn)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(shí)段熱水鍋爐的煙氣流量變化規(guī)律

在每個(gè)班組洗浴人數(shù)一定的情況下，洗浴熱負(fù)荷與環(huán)境溫度、時(shí)段有關(guān)。環(huán)境溫度升高時(shí)用能負(fù)荷減小，交班時(shí)用能負(fù)荷增大。以夏季每天進(jìn)入熱水鍋爐的煙氣流量為例，不同時(shí)段的煙氣流量的變化曲線如圖6所示。

圖6 夏季不同時(shí)段進(jìn)入熱水鍋爐的煙氣流量的變化曲線

由圖6可知，進(jìn)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?yàn)樵摃r(shí)間段正是交班時(shí)間，洗浴人數(shù)陡增致使洗浴負(fù)荷陡增。

2.4 不同時(shí)段發(fā)電機(jī)組的煙氣流量變化規(guī)律

由于煤礦用電負(fù)荷規(guī)模較大，煤層氣蓄熱氧化系統(tǒng)所能產(chǎn)生的電能遠(yuǎn)低于煤礦總體用電負(fù)荷，因此，在本系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能僅作為煤礦用電的補(bǔ)充，同時(shí)蓄熱氧化系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能優(yōu)先保證煤礦辦公區(qū)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(shí)段進(jìn)入發(fā)電機(jī)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(shí)段進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的煙氣流量的變化曲線

由圖7可知，夏季進(jìn)入發(fā)電機(jī)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(jìn)入發(fā)電機(jī)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?zé)煔忾y門調(diào)控規(guī)律

在煤層氣蓄熱氧化系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)高溫?zé)煔忾y門實(shí)現(xiàn)煙氣流量控制，夏季關(guān)閉進(jìn)入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣閥門，且當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，通過增大進(jìn)入制冷機(jī)組的煙氣閥門開度、減小進(jìn)入熱水鍋爐的煙氣閥門開度、減小進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的煙氣閥門開度來增大或者減小煙氣流量；冬季則關(guān)閉進(jìn)入制冷機(jī)組的煙氣閥門，且當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，通過減小進(jìn)入氣氣換熱器及熱水換熱器的煙氣閥門開度、減小進(jìn)入熱水鍋爐的煙氣閥門開度、增大進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的煙氣閥門開度來增大或者減小煙氣流量，以實(shí)現(xiàn)熱能的充分利用，避免能源浪費(fèi)。

3 應(yīng)用效果

陽煤一礦楊坡堰低濃度煤層氣蓄熱氧化利用項(xiàng)目位于距離煤礦工業(yè)廣場及辦公區(qū)較遠(yuǎn)的風(fēng)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(fā)電需求，因此，項(xiàng)目設(shè)計(jì)有針對井筒加熱和站場建筑物供暖的熱能調(diào)控系統(tǒng)。項(xiàng)目井筒進(jìn)風(fēng)量為 21 000 m3/min，室外溫度為-20.3 ℃時(shí)，井筒內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度不低于 2 ℃，建筑物采暖供/回水溫度不低于85 ℃/60 ℃，系統(tǒng)低濃度瓦斯處理規(guī)模為 160 000 m3/h，抽采瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù))為 4%～25%，井筒防凍熱負(fù)荷為10 096 kW，站場建筑物采暖熱負(fù)荷為344 kW。

由于項(xiàng)目在實(shí)際設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)以當(dāng)?shù)厥彝庾畹蜏囟葹橐罁?jù)，當(dāng)環(huán)境溫度高于最低溫度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)熱能浪費(fèi)現(xiàn)象。為減少這種浪費(fèi)，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中借鑒上述模擬研究結(jié)果，在環(huán)境溫度升高時(shí)，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(jìn)入氣氣換熱器的煙氣流量，進(jìn)而控制井筒進(jìn)風(fēng)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(jìn)入熱水換熱器的煙氣流量，進(jìn)而控制供回水溫度；由于沒有發(fā)電機(jī)組輔助調(diào)節(jié)，本項(xiàng)目中采用調(diào)節(jié)原料煤層氣進(jìn)氣量的方式實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)控。系統(tǒng)運(yùn)行期間不同環(huán)境溫度下井筒進(jìn)風(fēng)溫度與建筑供暖供水溫度關(guān)系如圖8所示。

圖8 不同環(huán)境溫度下井筒進(jìn)風(fēng)溫度與建筑供暖供水溫度的變化曲線

由圖8可知，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時(shí)，井筒進(jìn)風(fēng)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(gè)較小的波動(dòng)范圍，表明通過上述熱能調(diào)控可使煤層氣蓄熱氧化系統(tǒng)的熱能利用更加穩(wěn)定，減少了能源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

1)當(dāng)夏季環(huán)境溫度升高時(shí)，在煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統(tǒng)中，辦公區(qū)制冷用能負(fù)荷增加，應(yīng)相應(yīng)增大進(jìn)入制冷機(jī)組的煙氣流量，減小進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的煙氣流量。

2)當(dāng)冬季環(huán)境溫度升高時(shí)，在煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統(tǒng)中，井筒加熱及建筑供暖用能負(fù)荷減少，應(yīng)相應(yīng)減小進(jìn)入氣氣換熱器和熱水換熱器的煙氣流量，增大進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的煙氣流量。

3)當(dāng)煤礦作業(yè)交班時(shí)，在煤層氣蓄熱氧化熱能利用系統(tǒng)中，洗浴用能負(fù)荷增加，應(yīng)相應(yīng)增大進(jìn)入熱水鍋爐的煙氣流量，適當(dāng)減小進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的煙氣流量。

4)通過調(diào)節(jié)分配煙氣流量，能較好地進(jìn)行煤層氣蓄熱氧化熱能調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能最佳調(diào)配，減少能源浪費(fèi)。