煤層氣蓄熱氧化熱能調(diào)控試驗(yàn)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)

煤層氣(瓦斯)是與煤炭相伴而生的非常規(guī)天然氣，其主要成分為甲烷，是一種清潔高效的能源[1-2]，我國煤層氣資源儲量豐富，在煤層氣抽采過程中或多或少會混入空氣導(dǎo)致煤層氣中甲烷濃度有高有低，因其甲烷濃度不同，利用方式也有差異[3-6]。到2017年，我國濃度(甲烷體積分?jǐn)?shù))在30%以上的煤層氣,抽采量占總量的近一半，主要用于工業(yè)和民用，利用率達(dá)到60%；其余的均為濃度30%以下的低濃度煤層氣，抽采量也占近一半，主要用于發(fā)電，利用率不到30%；特別是濃度為10%以下的煤層氣因?yàn)榧淄楹刻俣y以利用[1]，未被利用的低濃度煤層氣基本被直排進(jìn)入大氣，不僅造成資源浪費(fèi)，還加劇了溫室效應(yīng)。

近年來，隨著以中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司為首的一些企業(yè)開發(fā)的低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱工藝，成功解決了低濃度煤層氣利用難這一問題。該工藝?yán)妹旱V井下抽采的低濃度瓦斯和乏風(fēng)瓦斯為原料，經(jīng)過蓄熱氧化裝置和熱交換裝置將甲烷釋放的熱量取出，用以代替燃煤熱風(fēng)爐加熱井筒和工業(yè)站場建筑物供暖等[7-9]。由于煤礦在不同時(shí)間、不同環(huán)境溫度下井筒加熱和建筑物供暖用能需求不同，為避免造成熱能浪費(fèi)，需要在滿足不同熱能需求的基礎(chǔ)上，摸清系統(tǒng)熱能調(diào)節(jié)的規(guī)律并加以控制，從而達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性。本文以陽煤五礦小南莊低濃度煤層氣蓄熱氧化井筒加熱項(xiàng)目為例，開展熱能調(diào)控試驗(yàn)研究，最終實(shí)現(xiàn)井筒加熱和站場供暖的系統(tǒng)調(diào)控。

1 項(xiàng)目概況

1.1 站場概況

項(xiàng)目位于距離陽煤五礦工業(yè)場地5 km的小南莊瓦斯抽放泵站，站場內(nèi)建有進(jìn)風(fēng)井筒一個(gè)，瓦斯泵房、水泵房、操作間及附屬建筑物若干。站場原有3臺ZRL-2.8/W的燃煤熱風(fēng)爐和1臺700 kW的燃煤熱水鍋爐用以滿足冬季進(jìn)風(fēng)井筒加熱和建筑物供暖，這些設(shè)備在低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱項(xiàng)目建成后拆除或棄用。

站場內(nèi)瓦斯泵站共有2臺2BEZ-72型抽采泵，運(yùn)行方式為1運(yùn)1備，抽采泵額定流量450 m3/min，實(shí)際流量230 m3/min，瓦斯?jié)舛?0%～15%，抽采瓦斯純量為12～14 m3/min(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。

1.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)

井筒進(jìn)風(fēng)量為1萬m3/min，室外溫度為-15.3 ℃時(shí)，井筒內(nèi)進(jìn)風(fēng)不低于2 ℃，系統(tǒng)低濃度瓦斯處理能力6萬m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，抽采瓦斯?jié)舛?%～15%，井筒防凍熱負(fù)荷4 094 kW，站場建筑物采暖熱負(fù)荷700 kW。

2 工藝流程及組成

低濃度煤層氣蓄熱氧化井筒加熱工藝主要由低濃度煤層氣安全輸送系統(tǒng)、摻混系統(tǒng)、蓄熱氧化系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)組成[10-12]，工藝流程如圖1所示。

圖1 低濃度煤層氣蓄熱氧化井筒加熱工藝流程

2.1 流程簡介

低濃度瓦斯經(jīng)過泵站的阻火器、防爆器之后，與低濃度瓦斯輸送及摻混系統(tǒng)管道連接。沿瓦斯流動方向，依次安裝甲烷濃度傳感器、手動閥門、低濃度安全保障系統(tǒng)(兩路)、脫水器、傳感器(流量、溫度、火焰?zhèn)鞲衅鳌毫鞲衅?、氣動調(diào)節(jié)閥、快速關(guān)斷閥、摻混裝置。低濃度瓦斯與空氣、煙氣在摻混裝置內(nèi)進(jìn)行混合后，濃度降低至1.2%，在蓄熱氧化裝置主風(fēng)機(jī)的作用下，輸送至蓄熱氧化裝置內(nèi)[13-14]。為保證系統(tǒng)安全，在泵站出口設(shè)置濕式放散罐用于低濃度瓦斯緊急放空，設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥用于系統(tǒng)低濃度瓦斯的流量調(diào)節(jié)[15]。蓄熱氧化裝置為四床立式結(jié)構(gòu)，每床分別有進(jìn)氣閥和出氣閥，通過周期性調(diào)整進(jìn)氣閥和出氣閥的開閉，使每個(gè)床層在蓄熱流程和放熱流程之間周期切換，始終保證兩床進(jìn)氣、兩床出氣，維持系統(tǒng)的周期性運(yùn)行。在蓄熱氧化裝置啟爐階段，需要通過燃油燃燒器燃燒柴油預(yù)熱蓄熱材料，當(dāng)蓄熱材料溫度達(dá)到設(shè)定值后，則可通入低濃度瓦斯，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，燃油系統(tǒng)關(guān)閉[16-17]。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，從蓄熱氧化裝置高溫區(qū)域抽出部分高溫?zé)煔猓斔椭列嘛L(fēng)加熱器內(nèi)作為熱源，將新風(fēng)風(fēng)機(jī)送入的低溫空氣加熱至70 ℃，送入進(jìn)風(fēng)井與低溫空氣再次摻混后輸送至井下。同時(shí)，抽取部分高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱水加熱器，生產(chǎn)熱水用于抽采泵站供暖。從新風(fēng)加熱器與熱水加熱器流出的煙氣部分進(jìn)入煙囪放空，部分引至摻混裝置處，與低濃度瓦斯和空氣混合，確保摻混裝置處氣體溫度高于2 ℃[18]。

2.2 熱能調(diào)控系統(tǒng)組成

此研究共有2個(gè)熱能利用點(diǎn)：進(jìn)風(fēng)井筒加熱和站場建筑物供暖。由于熱能利用的前提是蓄熱氧化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，裝置的穩(wěn)定運(yùn)行需要保證產(chǎn)生的熱量大于裝置本身的自熱平衡熱量，才能將多余的熱量取出加以利用。熱能調(diào)控不僅與高溫?zé)煔馊〕隽坑嘘P(guān)，還與蓄熱氧化裝置內(nèi)爐膛溫度變化有關(guān)，而爐膛溫度變化又與原料煤層氣進(jìn)氣量有關(guān)，所以熱能調(diào)控系統(tǒng)包括熱能利用端調(diào)節(jié)系統(tǒng)、蓄熱氧化裝置溫控系統(tǒng)和原料氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。熱能利用端調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由煙氣管道上的高溫調(diào)節(jié)閥和低溫?zé)煔夤艿郎系臏囟葌鞲衅鹘M成；蓄熱氧化裝置溫控系統(tǒng)主要由設(shè)置在爐膛的溫度傳感器組成；原料氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由摻混器前端的瓦斯調(diào)節(jié)閥、變頻主風(fēng)機(jī)和原料氣管道上的濃度及流量傳感器組成[19-20]。熱能調(diào)控系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 低濃度煤層氣蓄熱氧化熱能調(diào)控系統(tǒng)控制原理

3 熱能調(diào)控試驗(yàn)研究

通過項(xiàng)目現(xiàn)場不同時(shí)間點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析，研究環(huán)境溫度與熱能負(fù)荷的關(guān)系、環(huán)境溫度與高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥開度的關(guān)系、環(huán)境溫度與原料氣調(diào)節(jié)閥的開度及主風(fēng)機(jī)頻率的關(guān)系、環(huán)境溫度與原料氣調(diào)節(jié)閥的開度及主風(fēng)機(jī)頻率的關(guān)系，得出系統(tǒng)熱能調(diào)節(jié)規(guī)律。

3.1 環(huán)境溫度與熱能負(fù)荷的關(guān)系

井筒加熱負(fù)荷與環(huán)境溫度和進(jìn)風(fēng)量有關(guān)，一般情況下井筒進(jìn)風(fēng)量不發(fā)生變化，所以井筒加熱負(fù)荷僅與環(huán)境溫度有關(guān)。建筑采暖負(fù)荷與環(huán)境溫度和采暖面積有關(guān)，由于站場正常生產(chǎn)期間所有建筑物均正常采暖，采暖面積不發(fā)生變化，所以建筑采暖負(fù)荷也僅與環(huán)境溫度有關(guān)。

不同環(huán)境溫度下熱能負(fù)荷的變化趨勢如圖3所示。從圖3中可以看出，井筒加熱負(fù)荷和建筑采暖負(fù)荷均隨著環(huán)境溫度的升高而降低，基本呈線性關(guān)系。

圖3 不同環(huán)境溫度下熱負(fù)荷的變化趨勢

3.2 環(huán)境溫度與高溫?zé)煔庹{(diào)節(jié)閥開度的關(guān)系

供給井筒加熱負(fù)荷的熱風(fēng)換熱器前端管道上的煙氣調(diào)節(jié)閥V2開度隨環(huán)境溫度的變化趨勢如圖4(a)所示，供給建筑采暖負(fù)荷的熱水換熱器前端管道上的煙氣調(diào)節(jié)閥V3開度隨環(huán)境溫度的變化趨勢如圖4(b)所示。

圖4 調(diào)節(jié)閥開度隨環(huán)境溫度的變化趨勢

從圖4中可以看出，煙氣調(diào)節(jié)閥V2和V3的開度均隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，而在環(huán)境溫度接近0 ℃時(shí)，這種減小的趨勢加快。這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度升高的情況下，井筒加熱負(fù)荷和建筑采暖負(fù)荷減小，在蓄熱氧化裝置提供的高溫?zé)煔鉁囟认鄬Ψ€(wěn)定的前提下，進(jìn)入換熱器所需的高溫?zé)煔饬繙p少，因此2個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度減小。而在環(huán)境溫度接近0 ℃時(shí)，也就是調(diào)節(jié)閥開度低于15%時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度減小趨勢加快是由閥門自身特性決定的。

3.3 環(huán)境溫度與原料氣調(diào)節(jié)閥開度的關(guān)系

原料氣調(diào)節(jié)閥V1的開度隨環(huán)境溫度的變化趨勢如圖5所示。從圖5中可以看出，原料氣調(diào)節(jié)閥V1的開度均隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，而且在環(huán)境溫度接近0 ℃時(shí)，這種減小的趨勢有些加快。這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度升高的情況下，井筒加熱負(fù)荷和建筑采暖負(fù)荷減小，在原料氣瓦斯?jié)舛认鄬Ψ€(wěn)定的前提下，進(jìn)入蓄熱氧化裝置所需的原料氣瓦斯量減少，因此原料氣調(diào)節(jié)閥的開度減小。而在環(huán)境溫度接近0 ℃時(shí)，也就是調(diào)節(jié)閥開度低于15%時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度減小趨勢加快是由閥門自身特性決定的。減小原料氣調(diào)節(jié)閥V1的開度可以降低資源消耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

圖5 調(diào)節(jié)閥V1開度隨環(huán)境溫度的變化趨勢

3.4 環(huán)境溫度與主風(fēng)機(jī)頻率的關(guān)系

主風(fēng)機(jī)是原料氣進(jìn)入蓄熱氧化裝置和高溫?zé)煔膺M(jìn)入換熱器的動力源，通過調(diào)節(jié)其頻率，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入蓄熱氧化裝置的原料氣量，進(jìn)而調(diào)節(jié)熱能的發(fā)生量，主風(fēng)機(jī)頻率與環(huán)境溫度的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出，在一定環(huán)境溫度范圍內(nèi)，主風(fēng)機(jī)頻率隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，基本呈線性關(guān)系。這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度升高，用熱負(fù)荷減小，在原料氣瓦斯?jié)舛认鄬Ψ€(wěn)定的前提下，進(jìn)入蓄熱氧化裝置所需的混合原料氣氣量減少，因此主風(fēng)機(jī)頻率相應(yīng)減小。減小主風(fēng)機(jī)頻率可以降低系統(tǒng)的運(yùn)行電耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

圖6 主風(fēng)機(jī)頻率隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系

由于在蓄熱氧化裝置運(yùn)行過程中存在散熱等因素，需要一定量的原料氣來維持裝置自身熱量平衡，以保證正常運(yùn)行，所以主風(fēng)機(jī)頻率不能低于一定值，同時(shí)原料氣調(diào)節(jié)閥也不能關(guān)小到一定值。

4 結(jié)論

(1)在低濃度煤層氣蓄熱氧化井筒加熱工藝運(yùn)行過程中，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，系統(tǒng)的2個(gè)熱能利用點(diǎn)(井筒加熱和建筑供暖)的用能負(fù)荷均減小。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，通過適當(dāng)減小煙氣調(diào)節(jié)閥開度，并減小原料氣調(diào)節(jié)閥開度和降低主風(fēng)機(jī)頻率等手段，可以保證煤層氣蓄熱氧化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱能調(diào)控，減少原料煤層氣和運(yùn)行電能的浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)通過試驗(yàn)研究，掌握了項(xiàng)目用能負(fù)荷變化規(guī)律和熱能調(diào)控規(guī)律，為低濃度煤層氣蓄熱氧化井筒加熱系統(tǒng)的運(yùn)行和熱能調(diào)控提供了依據(jù)。