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瓦斯蓄热氧化低浓度安全工艺设计

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摘要:结合煤矿大量低浓度瓦斯和风排瓦斯排空无法有效利用的技术现状,详细介绍了瓦斯蓄热氧化低浓度瓦斯安全混配工艺设计。分别阐述了瓦斯蓄热氧化低浓度瓦斯安全混配原理、技术要求,提出具体技术指标,介绍混配系统工程应用情况。设计及运行现场应用表明:瓦斯蓄热氧化低浓度瓦斯安全混配系统安全、可靠、稳定,可满足瓦斯氧化综合利用项目用气需求。

关键词:低浓度瓦斯;瓦斯蓄热氧化;混配系统;低浓度瓦斯安全输送;引风

1概述

我国每年煤矿风排瓦斯(又称“乏风”,VAM)排放量150亿m3以上,排放总量巨大[1],逆流式热氧化技术可使风排瓦斯甲烷高于900℃以上温度燃烧并释放能量,随后运用多种的热能利用技术进行利用。我国煤矿VAM甲烷浓度大部分处于0.2%~0.5%之间,只有少数VAM浓度高矿井应用氧化技术制热水、取暖,其加热利用量小,仍存在氧化利用规模小、运行效率低、经济性差的问题。与此同时,矿井存在大量甲烷浓度低于8%的低浓度瓦斯温室气体,无法采用低浓度发电等利用方式而大量排空处理,造成大气环境污染。煤矿现场目前自行使用较多混气方式是低浓度瓦斯与VAM或者空气在利用输送管道内对冲式混合,出现混后瓦斯层流明显、低浓度瓦斯团块化,对氧化利用系统和煤矿抽采生产系统安全威胁大。怎样解决低浓度瓦斯输送和氧化时存在较大安全风险和经济高效利用问题,进行专门、系统、规范的安全混配工程设计,将低浓度瓦斯和风排瓦斯或空气清洁能源气体送入氧化系统当中安全、稳定、可控运行,在瓦斯灾害得到治理同时,保护自然环境,实现资源综合利用、“变废为宝”,一举两得[2]成为社会及广大企业迫切需求。为此,中煤科工集团重庆研究院通过承担国家十二五、十三五国家重大科技专项技术与装备研究,成功解决了上述技术难题,结合利用现状,提出合理的瓦斯蓄热氧化低浓度瓦斯安全混配系统工艺设计,实现氧化效率与燃料品质的提升,氧化经济性和瓦斯利用率得到提高。该系统具有如下特点:1)安全性高。在瓦斯抽采泵站低浓度瓦斯管道安全输送和正压安全保护方面,煤矿用主通风机系统安全防护方面或者空气送风风机的选型设计上都应具有高安全性,同时在氧化发电系统内部及系统间设计有高安全性的控制系统。2)混配性能好。低浓度瓦斯和VAM或者空气混合装置有低阻力、各种工况条件下混合均匀的优异性能,同时系统在流量控制和浓度控制设计上有调配和可控制性能。

2低浓度瓦斯安全动态混配原理

低浓度瓦斯安全动态混配系统指在保障瓦斯抽采正压、矿井通风风压和蓄热氧化系统安全的前提下,将抽采低浓度瓦斯与煤矿VAM(或空气)动态调控配比混合用以满足氧化装置用气要求的系统。其基本原理为:在低浓度瓦斯管道输送安全保障设施和安全监控系统安全防护下,经由瓦斯监测仪表和控制系统可控调节抽采低浓度瓦斯与煤矿VAM或者空气的流量与浓度,将低浓度瓦斯与煤矿VAM或者空气在混配器内快速、动态连续的湍流状态下分割剪切成小股涡团,而后快速接触扩散成甲烷浓度混合均匀的瓦斯气体,在氧化装置内生成无焰的高温气体。当氧化装置出现浓度超限等非正常工作情况,低浓度瓦斯进行瓦斯放散管排空处理;低浓度瓦斯压力超标后,系统压力即刻通过湿式放散装置进行压力放散并控制同步关闭氧化装置和打开低浓度瓦斯排空系统。

3低浓度瓦斯安全动态混配工艺设计要求

3.1混配工艺设计要求

瓦斯混配系统总体工艺设计要着重考虑混配工艺安全设计、自动配比设计和引风工艺设计三个重要方面。

3.1.1混配工艺安全设计1)低浓度瓦斯安全输送。由于低浓度瓦斯具有易燃易爆特性,故在低浓度瓦斯的输送、排空及利用端均执行《低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》(AQ1076—2009)标准进行系统设计,以保障管道输送安全,设计选用自动喷粉、细水雾或汽水二相流抑爆系统均可。应特别注意,当抽采瓦斯甲烷浓度低于3%时,也应设置阻火安全设施。2)混配器结构设计。低浓度瓦斯与VAM或者空气的混配器结构是保障混配安全的关键设备,混配器结构设计应保证在气流轴向和气流断面方向瓦斯气混合皆均匀,混合后无低浓度爆炸限范围瓦斯气团产生。针对不同设计项目宜选用不同的混配器,瓦斯混配可以选择单级混气或者多级混气的方式,有弯管混气、Y型混气、扰流板混气或固定式旋转叶片混气,针对不同项目采用不同组合方式,选用不同混配器结构,再根据特定的混配器结构,确定其不同工况下混合气体流速,计算混合气体流动雷诺数是否超过临界值,混合气体形态是否达到湍流状态,运用计算机数值模拟和气体混合试验方法对气体均匀性进行混合气体均匀性验证。经过瓦斯混配器后的瓦斯气混合甲烷体积浓度应是体积均匀、数值均低于1.2%以下。3)安全保护控制功能设计。混配监控系统安全保护包括混配系统由于混配后瓦斯浓度超限、瓦斯泵站侧瓦斯输送压力超限等自身原因的安全保护,也包括由于瓦斯蓄热氧化利用系统异常或者紧急停车的安全保护,此时,混配系统均需紧急停止运行,控制功能设计上均需停止低浓度瓦斯的输送,同步打开低浓度瓦斯排空系统并关闭氧化装置。

3.1.2自动配比设计自动配比需达到以下功能要求:1)能实现低浓度瓦斯流量、浓度、压力、温度等基本参数的自动监测和显示功能。2)配比设计应充分考虑为实现各项功能而选择的传感器、控制器及控制装置的响应及动作时间。433)自动控制系统设计选用工业上普遍的PLC控制,过程控制为PID算法模式控制,设定目标甲烷浓度值,PLC监控系统根据氧化装置主风机或者空气风机风量与瓦斯流量,间接算出瓦斯气与VAM或者空气的混合比例,通过调节阀门精确调节流量来实现甲烷浓度的动态精准平衡。4)随氧化利用系统热负荷和中间热工设备负荷调节变化而及时调节瓦斯甲烷量即调节燃料燃烧热值。

3.2系统设计

3.2.1系统技术指标系统技术指标如下:混配CH4浓度:Cm≤1.2%;瓦斯氧化最小纯量(经济规模):Qe≥12.0Nm3/min;输送低浓度瓦斯CH4浓度:Co≤30.0%;氧化规模利用量:Q1≥60000Nm3/min;通风CH4浓度:Cv≤0.75%;爆燃事故时喷粉完成时间:t1≤170ms;爆燃事故时管道阻断时间:t2≤100ms;混配气体温度:Tg>0℃。

3.2.2系统组成1)低浓度瓦斯安全输送系统。低浓度瓦斯安全输送设计布置三级安全阻火防爆装置。第一级水封阻火泄爆装置,第二级抑爆装置,包括自动喷粉抑爆装置或细水雾抑爆装置或气水二相流安全输送装置,第三级自动阻爆装置,装置工作原理、功能及技术参数查阅相应的装置技术条件规范。系统阻火防爆装置间的安设布置设计严格遵循《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》(AQ1076—2009)进行设计。2)引风系统。VAM引风抽出式通风机全压计算见公式(1)。Pt=PS+PV=PS+1/2ρV2(1)式中,Pt为通风机全压,Pa;PS为通风机静压,Pa;ρ为风机出口空气密度,kg/m3;V为风机出口流速,m/s。VAM引风系统主要由矿井风机主通风机、取气口(或罩)、百叶窗风门、流量计、干式阻火器、氧化装置引风机等组成,如图2所示。VAM引风动力来自于主通风机余压和氧化装置的负压之和,在VAM输送管道某点存在压力零点。矿井反风时需打开百叶窗风门增加进风量;启动引风关小百叶窗风门增加氧化引风量。冬季VAM温度与室外温差大设计上考虑增加风排脱水装置,以减少液态水氧化汽化吸热的热量损失。空气引风系统主要由离心式引风机、风机变频器、阻火器、调节风门(阀)、流量计、甲烷浓度计、氧化装置引风机等组成,如图3所示。引风机静压值应高于低浓度瓦斯输送管道最大压力值,也应考虑空气风机不同压力、不同变频条件下风机风量变化规律,应避免低风量突降带来的甲烷浓度突然超限情况发生。离心式引风机的选型设计上应选用风机喉口防摩擦火花设计,杜绝风机扇叶摩擦火花产生。若空气风机设计选型过小混合空气后甲烷浓度值过高,输送安全风险高;混合空气量过大,则混合甲烷浓度低,风机电耗高,系统设计经济性差,设计上存在缺陷。3)瓦斯混配监控系统。瓦斯混配监控系统是混配系统下属子系统,其由安全保护子系统、引风监控子系统和低浓度瓦斯安全输送监测子系统组成,系统组成如图4所示。其功能是基于瓦斯抽采输送正压、矿井通风风压、瓦斯安全输送监测、氧化装置外围的综合安全防护于一体的自动调配控制低浓度瓦斯和VAM或空气,保证瓦斯蓄热氧化装置进气、用气和停气的安全、稳定、高效生产。由控制层和设备层构成混配监控系统,控制层包括安全保护子系统、引风监控子系统和低浓度瓦斯安全输送监测子系统,由操作控制柜采集传感器数据、显示、运算、处理各类数据,对下属的现场设备进行操作控制。设备层主要将现场监测到的技术参数统一转换成标准电信号提供给控制层。设备层主要由管道甲烷浓度传感器、管道流量传感器、电动阀门、液位传感器、压力传感器、电动调节风门、气动阀门、空气风机、变频柜等组成。

4工程应用

瓦斯蓄热氧化低浓度瓦斯混配设计已分别在国内山西潞安高河煤矿瓦斯蓄热氧化项目和阳煤五矿小南庄瓦斯蓄热氧化井筒加热项目中实施,工程应用成功并取得良好效果,。在2015年5月15日至2018年7月31日期间,山西潞安高河煤矿瓦斯蓄热氧化项目瓦斯混配系统连续稳定运行已累计实现商业并网发电3.67亿kW•h,电网收入1.40亿元,处理VAM量132.19亿m3,折合碳减排4031.8ktCO2e。阳煤五矿小南庄瓦斯蓄热氧化项目的一套6万m3/h低浓度瓦斯混配系统已于2017年和2018年两个供暖季提供安全、稳定燃料气源,瓦斯氧化替代了风井原有3台ZRL-2.8/W型燃煤热风炉,将环境温度-15.3℃、设计流量14000Nm3/min的风井进风加热至进风温度高于2℃,项目两供暖季共节约标煤6400t,折合减排二氧化碳72ktCO2e,获得200万元瓦斯利用补贴。

5结语

瓦斯蓄热氧化低浓度瓦斯混配设计是实现瓦斯蓄热氧化提质提效的重要技术途径,起到至关重要作用,广大设计工作者应熟悉并掌握此类型工艺设计。混配工艺设计应用实践表明,该系统设计是安全、可靠、稳定的,在保证煤矿瓦斯抽采系统正压和通风系统余压安全前提下,能较好满足瓦斯蓄热氧化使用要求,极大提高蓄热氧化利用的安全性和经济性,推广应用价值前景广阔。

参考文献:

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作者:李磊 单位:瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室

瓦斯蓄热氧化低浓度安全工艺设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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