低濃度煤礦區煤層氣發電氣體預處理

楊俊輝

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北 056031)

1 低濃度煤層氣預處理必要性

1.1 低濃度煤層氣含水對機組影響

目前低濃度煤層氣輸送一般采用細水霧和低濃度煤層氣混合輸送方式，低濃度煤層氣進入發電機組之前只采用簡單的重力、慣性脫水，脫水效果不佳，進入機組煤層氣含水量約30～50g/m3，大量的水分進入發電機組，導致機組出現效率下降、出力減少、設備利用小時數降低、油消耗增加等一系列問題。

1.2 低濃度煤層氣含塵對機組影響

低濃度煤層氣進入發電機組之前普遍采用一級初級過濾器，過濾效果不佳，進入機組粉塵較多。煤層氣攜帶粉塵使內燃機的震動噪聲加大、排煙溫度升高、潤滑油變質加速、機組運行可靠性、經濟性下降。

1.3 腐蝕性氣體對機組影響

個別煤礦抽采的煤礦區煤層氣含腐蝕性氣體(H2S)較高，對機組具有腐蝕破壞作用，會大幅度降低機組使用壽命。

1.4 有害成分綜合影響

根據現場統計數據可知，低濃度煤層氣不采取預處理的情況下，機組發電效率下降約5%、綜合油耗增加約0.5g/kWh、機組檢修周期縮短、設備年利用小時數減少約1200h，機組壽命大幅度降低。

2 低濃度煤層氣預處理工藝流程

低濃度瓦斯預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組要求水平。

2.1 真空變壓吸附提純法預處理方案

該方案核心技術是采用一級真空變壓吸附提純將低濃度煤層氣轉變為高濃度煤層氣，再將高濃度煤層氣按傳統工藝進行預處理。煤層氣預處理后濕度小于80%、攜帶粉塵粒徑小于5μm、H2S小于30mg/m3。真空變壓吸附提純預處理方案工藝流程見圖1。

圖1 真空變壓吸附提純預處理方案工藝流程

真空變壓吸附法是利用固體吸附劑對低濃度煤氣層中不同組份吸附的明顯選擇和擴散性的差異，通過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變化，其解吸采用真空抽吸的方式來實現氣體的分離技術。該技術對低濃度煤層氣不需進行加壓，在進行煤層氣提純時，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在負壓下解吸出來。

煤礦低濃度煤層氣提純采用真空變壓吸附法，可根據煤礦的氣源狀況和提純氣用途設置合適規模，每級提純吸附塔數量一般選擇多個，以實現提純低濃度煤層氣連續穩定生產。主要生產工藝環節包括低壓吸附、壓力均衡降、真空解吸、壓力均衡升、產品氣升壓等過程。完成吸附、解吸循環操作，實現煤礦低濃度煤層氣氣體的連續提純。

目前真空變壓吸附法對低濃度煤層氣提純已經完成工業性試驗且性能良好，其主要特點是:

(1)運行壓力低:煤層氣的低壓吸附及真空解吸的整個操作過程均在低壓下進行，無需進行加壓，安全性較高。

(2)自動化程度高:采用先進的PLC控制或數據采集監控系統。

(3)投資相對較高、運行成本也相對較高。

2.2 低濃度煤層氣集中濕式加壓預處理方案

該方案核心技術是采用水環真空泵對低濃度煤層氣加壓，其主要工藝流程為初級過濾、細水霧混合輸送、水環真空泵增壓、初級慣性脫水、預冷脫水、深度冷凍脫水、預熱、精密過濾等環節，使低濃度瓦斯處理后滿足機組需求。其主要工藝系統見圖2。

圖2 低濃度煤層氣集中濕式加壓預處理工藝系統流程圖

該方案需要注意的技術環節為:

(1)水環增壓的設置位置應合理選擇，在滿足系統阻力前提下應保證抽放站至水環增壓泵之間煤層氣管道不能出現負壓，并設置必要連鎖保護，保證抽放站安全運行。

(2)水環真空泵背壓選取應滿足輸送系統阻力和機組進氣壓力需要。

(3)水環真空泵宜設置1臺備用。

(4)水環真空泵宜設置在瓦斯電站內以方便運行管理。

(5)水環增壓泵宜和霧化泵房聯合設置。

2.3 分散羅茨風機加壓預處理方案

燃氣內燃機組經空燃比控制裝置將煤層氣和空氣按爆燃比例混合，再經蝸輪增壓器將混合氣體增壓，然后分配到機組各氣缸內爆燃做功。配氣裝置后混合氣體瓦斯濃度約為7%，蝸輪增壓器動力為高溫排煙余壓驅動，增壓比約為2～3。實踐證明，在燃氣機組配氣機構后將處于爆炸極限范圍內的燃氣采用蝸輪增壓器進行較大幅度升壓，在采取安全技術措施的情況下安全是有保障的。

借鑒蝸輪增壓器工作環境和安全措施，本文提出在每臺煤層氣發電機組進氣分支管道上設計羅茨風機加壓、脫水、除塵過濾等工藝環節，組成低濃度煤層氣預處理模塊，其安全性是可以保證的，其主要工藝系統見圖3。

圖3 分散羅茨風機加壓預處理工藝系統流程圖

分散羅茨風機加壓預處理方案應注意以下環節:

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

(2)低濃度煤層氣預處理模塊和煤層氣發電機組之間也設置專用瓦斯干式阻火器，保證低濃度煤層氣預處理模塊和內燃機組安全隔離。

(3)每臺低濃度煤層氣發電機組設置1套低濃度瓦斯預處理模塊，避免機組之間相互影響。

3 低濃度煤層氣預處理方案比選

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%。配套建設電站裝機規模為10×1000kW低濃度煤層氣發電機組，以此工程為例將上述的3種低濃度煤層氣預處理方案進行技術經濟比較。

3.1 直接經濟效益

采取低濃度煤層氣預處理后綜合發電效率由25%提高到30%，設備年利用小時數由6000h增加到7200h，年增加發電量為7200萬kWh，銷售電價按0.5元/kWh計算，銷售收入增加為600萬元。

綜合油耗降低約0.5g/kWh，潤滑油價格按35元/kg計算，年節省油耗費用約105萬元。

設備運行穩定可靠，檢修周期縮短，年節約檢修維護費用降低約25萬元。

幾項合計直接產生經濟效益約為730萬元。

3.2 低濃度煤層氣預處理成本

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

電耗按0.5元/kWh計，其它材料消耗按電費20%計;折舊年限統一按10年計算;大修費用按設備費的2.5%計算。

不同低濃度煤層氣預處理方案技術經濟比較見表1。

表1 低濃度瓦斯預處理方案技術經濟比較表

4 結論及建議

(1)低濃度煤層氣發電機組氣體預處理后機組發電效率、設備可用率、運行油耗、運行穩定性可靠性大幅度提高，低濃度煤層氣預處理技術經濟可行，應積極推廣。

(2)真空吸附提純法低濃度煤層氣預處理方案投資較高、系統復雜、占地較大、運行費用較高，不宜應用在低濃度煤層氣發電工程，更適合于低濃度煤層氣提純后作為城鎮燃氣用。

(3)集中濕式加壓方式低濃度預處理方案、分散羅茨風機加壓煤層氣預處理方案投資較低、占地相對較小、運行費用較低。相比而言分散羅茨風機加壓煤層氣預處理方案技術經濟性更好，實際工程應用中應根據工程特點進行技術經濟分析比較，以確定最佳處理方案。

(4)新建低濃度煤層氣發電工程設計過程中應一次建成低濃度煤層氣預處理系統。

(5)已經運行的煤層氣發電項目，有條件的應積極增設低濃度煤層氣預處理系統。

(6)在低濃度煤層氣氣體品質有可靠保障前提下，煤層氣發電機組應采取有效技術措施，大幅度提高機組性能指標。

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