雞西礦業集團高寒地區低濃度瓦斯發電及工藝設計

杜學工 李慶海 趙永城 張信國

(雞西礦業集團隆昇發電公司,黑龍江省雞西市,158170)

★節能與環保★

雞西礦業集團高寒地區低濃度瓦斯發電及工藝設計

杜學工 李慶海 趙永城 張信國

(雞西礦業集團隆昇發電公司,黑龍江省雞西市,158170)

為了適應黑龍江省雞西市高寒地區低濃度瓦斯發電的建設,提高煤礦瓦斯利用率,雞西礦業集團在低濃度瓦斯輸送系統和主要設備設施等方面進行了創新改進,將高濃度瓦斯發電工藝設備改造成低濃度瓦斯發電工藝設備。通過運行實踐,改造后的低濃度瓦斯發電系統運行可靠、安全。通過開展瓦斯發電機組余熱利用回收,實現了低濃度瓦斯發電技術的全面安全環保,提高瓦斯開發利用率達到25%以上。

低濃度瓦斯發電 瓦斯發電機組 瓦斯處理 細水霧 脫水 機組余熱利用

低濃度瓦斯發電是指利用甲烷含量為8%～25%的瓦斯進行發電。雞西礦業集團目前已建成低濃度瓦斯發電站10座,在建2座。裝設裝機容量500 k W的低濃度瓦斯發電機組59臺(其中17臺為高濃度瓦斯機組改造),總裝機容量達到2.95萬k W。截至2014年12月30日,雞西礦業集團已累計瓦斯發電上網5.3億k Wh,燃用瓦斯氣體2億m3,減排溫室氣體相當于250萬t CO2,節約標煤30萬t。

1 低濃度瓦斯與細水霧混合安全輸送系統

煤礦地面抽放泵站抽取的瓦斯經過去除雜質和穩壓處理后,通過瓦斯阻火裝置和細水霧混合安全輸送系統供給低濃度瓦斯發電機組發電。為了確保低濃度瓦斯在輸送時的安全、穩妥,需要在低濃度瓦斯輸送管道上設置主/被動安全保護系統和設備(雷達液位控制式水封阻火器、管道干式阻火器、泄壓溢流放散閥和防暴電動閥門),最后經過低濃度瓦斯細水霧混合安全輸送管道主動式保護系統,將低濃度瓦斯安全輸送到瓦斯發電機組。雞西礦業集團低濃度瓦斯發電與細水霧混合安全輸送系統解決了冬季高寒情況下瓦斯輸送和測量控制以及三伏天瓦斯氣體降溫脫水問題。低濃度瓦斯與細水霧混合安全輸送系統設計原理和工作流程如圖1所示。

圖1 低濃度瓦斯與細水霧混合安全輸送系統設計原理和工作流程圖

1.1 雷達液位控制式水封阻火器

雷達液位控制式水封阻火器主要由水封阻火器、雷達液位計、液位監控系統、PC機、數據通信等部分組成,實現雷達液位控制式水封阻火器水位的全自動監控。

雷達液位計負責測量水封阻火器內部水位,并實時將數據傳遞給監控系統,液位監控系統根據測量數據,按照水位設置要求啟動電磁閥注水或放水。PC機主要負責參數計算和控制,數據通信主要用于測量和控制相關數據上傳到控制中心(細水霧控制柜)。雷達液位控制式水封阻火器示意圖如圖2所示。

圖2 雷達液位控制式水封阻火器示意圖

當管道內產生的火焰到達水氣混合層和水分子接觸,火焰能量被水吸收形成水氣,使參加化學反應的甲烷和氧氣自由基迅速減少,水的瞬間汽化膨脹使瓦斯濃度快速降低促使化學反應停止,完成阻火作用。雷達液位控制式水封阻火器通常安裝在瓦斯抽放泵站出口不超過20 m處。

1.2 欄式過濾器

欄式過濾器主要作用是利用攔截和碰撞機理過濾煤礦瓦斯氣體中的煤巖粉塵,清潔瓦斯氣體以防止管道干式阻火器阻塞,起到延長其清洗周期的作用。通常并列裝備2臺設備(1臺備用),開氣的同時清洗阻火器或更換攔網而無需停氣,通常使用80目攔網做濾材。該裝置安裝在雷達液位控制式水封阻火器和管道干式阻火器之間。

1.3 管道干式阻火器

管道干式阻火器是瓦斯管道阻火的關鍵設備。火焰在阻火帶狹縫中淬熄的主要原理是由于火焰表面的化學反應放熱與散熱速度不匹配而引起的,火焰以一定速度進入阻火帶狹縫時,火焰表面接近阻火帶狹縫冷壁處,化學反應活化中心的自由原子與冷壁碰撞釋放出能量,反應區的熱量流向冷壁邊界,當火焰面拉長到一定距離時,出現熄火層,隨著熄火層厚度不斷增大,自由基進入熄火層內復合成分子并釋放出能量,使自由基越來越少直至消失,達到火焰熄滅的效果。

瓦斯管道專用阻火器通常安裝在欄式過濾器之后,該裝置通常并列裝備2臺(1臺備用)。

1.4 泄壓溢流放散閥

泄壓溢流放散閥主要解決瓦斯輸送系統壓力突然升高時的系統安全問題(如瓦斯發電機組突然停機或瓦斯濃度突然升高),保證瓦斯抽排泵的安全運行和細水霧瓦斯輸送系統的最高工作壓力不超過9～12 k Pa,當輸送管路壓力增高時,瓦斯穿過水柱釋放到大氣中。通過設置放散閥內的水位高低實現瓦斯輸送系統最高壓力設置,水位高低可通過雷達液位儀實現遠程自動控制。泄壓溢流放散閥通常安裝在主輸氣管路管道干式阻火器之后引出的旁路位置。

1.5 煤礦低濃度瓦斯與細水霧混合主動安全輸送系統

煤礦低濃度瓦斯經過雷達液位控制式水封阻火器、欄式過濾器和管道干式阻火器與細水霧混合,通過細水霧混合主動安全輸送系統向前輸送。細水霧安全輸送系統是一種主動式安全保護系統,也被稱為低濃度瓦斯細水霧混合主動安全輸送系統,可以熄滅管路中出現的火焰,并能及時消除輸送系統中產生的靜電。

在瓦斯輸送管路上每隔一段距離(直線距離不大于18 m)設置一個水霧發生器。發電站內設置一個霧化水池安裝區,在安裝區內安裝多級離心泵,為瓦斯輸送管線上的水霧發生器提供高壓水,再通過水霧發生器向瓦斯管道內噴射水霧。該裝置安裝在瓦斯輸送主管路防暴電動閥門末端,溢流式脫水水封阻火器前端。

細水霧輸送系統主動滅火原理:(1)冷卻作用。細水霧在汽化過程中,在燃燒區吸收大量熱能,使燃燒物表面溫度迅速降低至燃燒臨界值以下,燃燒隨即終止。(2)稀釋作用。火焰進入細水霧后,細水霧迅速蒸發,氣體急劇膨脹,使燃燒反應分子在空間上距離拉大,抑制火焰傳播。

1.6 系統保溫與除冰

黑龍江省雞西市所在位置屬高寒地區,冬季最低氣溫約為－30℃,給瓦斯發電的電子控制和輸送裝置的安全穩定運行帶來很大危害,必須采取一定的技術措施防止監測監控系統的失靈和水霧低溫結冰現象的發生,避免造成局部壓力過高,保證低濃度瓦斯輸送系統的安全可靠運行。

對易凍的設備及系統(如雷達液位控制式水封阻火器、欄式過濾器、管道干式阻火器、泄壓溢流放散閥和防暴電動閥門等)進行集中安裝,建設瓦斯處理室集中保溫,充分利用瓦斯攜帶地熱的自身溫度。在輸送管路、水霧發生器和閥門等關鍵部位包裹保溫材料減少散熱,在關鍵的瓦斯采樣監測部位安裝電伴熱除冰系統等。

1.7 低濃度瓦斯與細水霧混合氣體脫水系統

瓦斯在被輸送至發電機組前,要將瓦斯細水霧混合氣體中的水分脫離出去,保證機組的正常輸出功率。夏季瓦斯氣體溫度達到40℃以上,瓦斯水霧混合氣體中的水分不易脫出,嚴重影響機組的正常輸出功率,同時由于進入機組的瓦斯氣體含水量大,使機組使用壽命降低,因此必須解決瓦斯氣體脫水問題。

經研究發現,當瓦斯水霧混合氣體溫度越低時,旋風重力脫水器脫水效果越好。設計氣體降溫冷卻器,將其安裝在主輸送管路末端,溢流式脫水水封阻火器前端,循環冷卻水經冷卻器將瓦斯細水霧混合氣體中的熱量交換出來,使瓦斯細水霧混合氣體降溫,高溫冷卻水經晾散塔降溫后循環使用。降溫后的瓦斯細水霧混合氣體通過瓦斯脫水裝置進行脫水,并輸送進入瓦斯發電機組。瓦斯脫水裝置由溢流脫水水封阻火器、旋風重力脫水器組成,溢流脫水水封阻火器安裝在瓦斯輸送系統末端,旋風重力脫水器安裝在瓦斯發電機組前端。經瓦斯脫水裝置脫離的水分回收至霧化水池后循環使用。瓦斯細水霧混合氣體降溫冷卻原理示意圖如圖3所示。

圖3 瓦斯細水霧混合氣體降溫冷卻原理示意圖

2 低濃度瓦斯發電機組

雞西礦業集團原有17臺濟柴和勝動高濃度瓦斯發電機組,由于煤礦瓦斯濃度的降低,造成機組開機率低。2012年,集團對高濃度瓦斯發電機組進行了改造,將進氣總管道直徑由100 mm加粗到200 mm,以增加進氣量,雙側進氣各增加兩道管道干式阻火器和一道止逆閥以防止回火產生安全隱患,解決了空燃比自動調節技術問題(電控混合技術)和低壓進氣與稀薄氣體燃燒技術問題等。改造后的機組可以對瓦斯濃度在8%以上的瓦斯進行利用(高濃度機組利用瓦斯濃度為25%以上),輸出功率可以達到500 k W,完全符合改造要求。經統計,機組平均開機率提高了20%,瓦斯利用率提高了25%。

3 低濃度瓦斯發電機組余熱利用系統

對于低濃度瓦斯發電機組,瓦斯產生的能量約有30%～35%被轉化為電能,約有30%～35%的能量隨高溫煙氣排出,約20%～25%的能量被發動機自身冷卻系統帶走,約10%的能量以機身散熱和阻力等形式損耗。瓦斯發電機組余熱利用是通過專用設備將機組排出的高溫尾(煙)氣和冷卻系統帶走的熱量回收,再輸送到需要熱源的工業廣場或居民小區。

在瓦斯發電機組煙道出口上設計KNKR－50空氣換熱裝置,該產品換熱面積為47～60 m2,尾氣氣流量為2130 Nm3/h,加熱空氣流量為30000 Nm3/h,空氣流通阻力小于50 mm水柱。

為了將大量的高溫空氣輸送到煤礦巷道,采用2臺大功率(45 k W)風機,將空氣集中加壓送入空氣換熱器,進行4次連續加熱后,高溫熱氣通過保溫管道和涵洞輸送到煤礦進風井進入井下暖井。

為了防止機組尾氣泄漏進入井下和井下有害氣體反送,在熱風出口設計單向止逆電動風門并安裝溫度、流量和有害氣體傳感器等輸送監控聯動系統。發生機組尾氣泄漏和井下有害氣體反送時單向止逆電動風門將自動關閉,熱風機斷電跳閘關閉。瓦斯發電機組余熱利用流程圖如圖4所示。

圖4 瓦斯發電機組余熱利用流程圖

分別在滴道煤礦立井(五采)、九井和十一井等瓦斯發電站裝設4臺500GF1－3PWWD型瓦斯發電機組。在每臺瓦斯發電機組尾氣系統串聯安裝KNKR－50型空氣尾氣換熱器(換熱面積可達47 m2以上),利用余熱向井下供熱風暖井(同時安裝獨立系統利用水水換熱供浴池使用)。2015年1月7日(室外溫度－20℃)實測滴道九井入風井熱風流量為24000 Nm3/h,入井初始熱風溫度為58℃,完全達到設計要求。

雞西礦業集團使用的低濃度瓦斯發電機組500GF1－3PWWD產生的高溫煙氣熱量經針形管余熱交換裝置(換熱面積為47～60 m2)回收后,主要向工業廣場烘干室供熱風或冬季向煤礦風井巷道供熱風防止凍井。向辦公室、居民小區或浴池供熱時,每臺針形管余熱交換裝置可解決3000 m2建筑面積采暖或中型浴池洗浴。

4 結論

雞西礦業集團將高濃度煤礦瓦斯發電機組改造成低濃度煤礦瓦斯發電機組的成功實踐,使煤礦瓦斯利用濃度由25%降到了8%,提高了機組的開機率和瓦斯利用率。通過全面開展瓦斯發電機組余熱利用,解決了工業廣場烘干室用熱及冬季向煤礦風井巷道供熱風防止凍井以及部分辦公室和浴池供熱。通過全面開展瓦斯發電機組 余熱回收,降低了企業的部分生產成本,提高了瓦斯開發利用效率25%以上。

[1] 謝曉東,張振東,高勝陽.談低濃度瓦斯發電站工藝設計[J].煤炭工程,2008(9)

[2] 顧棟,孔欣郁,葉盛.低濃度瓦斯輸送安全保障系統的工程實際應用[J].當代化工,2013(5)

[3] 龐玉蓮,郭寶錄,李秀清.燃氣發電機組組建電站的介紹[J].山東內燃機,2004(4)

[4] 杜新宇,王效民,李彬.淺析煤礦瓦斯發電技術和進氣系統工藝流程改造[J].中國煤炭,2010(11)

(責任編輯 孫英浩)

Electricity generation and technical design of low concentration gas in Jixi Coal Mine Group which is extremely cold area

Du Xuegong,Li Qinghai,Zhao Yongcheng,Zhang Xinguo
(Longsheng Power Generation Company,Jixi Coal Mine Group,Jixi,Heilongjiang 158170,China)

In order to adapt low concentration gas electricity generation construction in Jixi Coal Mine Group which are extremely cold area and improve utilization rate of coal mine gas,Jixi Coal Mine Group innovational improved low concentration gas transportation system,key equipment,facilities and so on.The high concentration gas generating techniques and equipment is updating to low concentration gas generating techniques and equipment.After operation practicing, the updating low concentration gas power generating system operated reliable and safety.According to launching utilization and recycling waste-heat of gas generator set,low concentration gas power generating techniques achieved completely safety and environmental protection,and exploitation and utilization rating of gas were improved more than 25%.

low concentration gas electricity generation,gas generator set,gas processing, water mist,dewatering,waste-heat of generator set utilization

TD712.67

A

杜學工(1970－),男,吉林省東豐縣人,雞西礦業集團隆昇發電公司副經理、總工程師,高級工程師,電氣工程碩士,主要研究方向為低濃度瓦斯發電及余熱利用。