鸡西矿业集团高寒地区低浓度瓦斯发电及工艺设计

杜学工 李庆海 赵永城 张信国

(鸡西矿业集团隆昇发电公司,黑龙江省鸡西市,158170)

★节能与环保★

鸡西矿业集团高寒地区低浓度瓦斯发电及工艺设计

杜学工 李庆海 赵永城 张信国

(鸡西矿业集团隆昇发电公司,黑龙江省鸡西市,158170)

为了适应黑龙江省鸡西市高寒地区低浓度瓦斯发电的建设,提高煤矿瓦斯利用率,鸡西矿业集团在低浓度瓦斯输送系统和主要设备设施等方面进行了创新改进,将高浓度瓦斯发电工艺设备改造成低浓度瓦斯发电工艺设备。通过运行实践,改造后的低浓度瓦斯发电系统运行可靠、安全。通过开展瓦斯发电机组余热利用回收,实现了低浓度瓦斯发电技术的全面安全环保,提高瓦斯开发利用率达到25%以上。

低浓度瓦斯发电 瓦斯发电机组 瓦斯处理 细水雾 脱水 机组余热利用

低浓度瓦斯发电是指利用甲烷含量为8%～25%的瓦斯进行发电。鸡西矿业集团目前已建成低浓度瓦斯发电站10座,在建2座。装设装机容量500 k W的低浓度瓦斯发电机组59台(其中17台为高浓度瓦斯机组改造),总装机容量达到2.95万k W。截至2014年12月30日,鸡西矿业集团已累计瓦斯发电上网5.3亿k Wh,燃用瓦斯气体2亿m3,减排温室气体相当于250万t CO2,节约标煤30万t。

1 低浓度瓦斯与细水雾混合安全输送系统

煤矿地面抽放泵站抽取的瓦斯经过去除杂质和稳压处理后,通过瓦斯阻火装置和细水雾混合安全输送系统供给低浓度瓦斯发电机组发电。为了确保低浓度瓦斯在输送时的安全、稳妥,需要在低浓度瓦斯输送管道上设置主/被动安全保护系统和设备(雷达液位控制式水封阻火器、管道干式阻火器、泄压溢流放散阀和防暴电动阀门),最后经过低浓度瓦斯细水雾混合安全输送管道主动式保护系统,将低浓度瓦斯安全输送到瓦斯发电机组。鸡西矿业集团低浓度瓦斯发电与细水雾混合安全输送系统解决了冬季高寒情况下瓦斯输送和测量控制以及三伏天瓦斯气体降温脱水问题。低浓度瓦斯与细水雾混合安全输送系统设计原理和工作流程如图1所示。

图1 低浓度瓦斯与细水雾混合安全输送系统设计原理和工作流程图

1.1 雷达液位控制式水封阻火器

雷达液位控制式水封阻火器主要由水封阻火器、雷达液位计、液位监控系统、PC机、数据通信等部分组成,实现雷达液位控制式水封阻火器水位的全自动监控。

雷达液位计负责测量水封阻火器内部水位,并实时将数据传递给监控系统,液位监控系统根据测量数据,按照水位设置要求启动电磁阀注水或放水。PC机主要负责参数计算和控制,数据通信主要用于测量和控制相关数据上传到控制中心(细水雾控制柜)。雷达液位控制式水封阻火器示意图如图2所示。

图2 雷达液位控制式水封阻火器示意图

当管道内产生的火焰到达水气混合层和水分子接触,火焰能量被水吸收形成水气,使参加化学反应的甲烷和氧气自由基迅速减少,水的瞬间汽化膨胀使瓦斯浓度快速降低促使化学反应停止,完成阻火作用。雷达液位控制式水封阻火器通常安装在瓦斯抽放泵站出口不超过20 m处。

1.2 栏式过滤器

栏式过滤器主要作用是利用拦截和碰撞机理过滤煤矿瓦斯气体中的煤岩粉尘,清洁瓦斯气体以防止管道干式阻火器阻塞,起到延长其清洗周期的作用。通常并列装备2台设备(1台备用),开气的同时清洗阻火器或更换拦网而无需停气,通常使用80目拦网做滤材。该装置安装在雷达液位控制式水封阻火器和管道干式阻火器之间。

1.3 管道干式阻火器

管道干式阻火器是瓦斯管道阻火的关键设备。火焰在阻火带狭缝中淬熄的主要原理是由于火焰表面的化学反应放热与散热速度不匹配而引起的,火焰以一定速度进入阻火带狭缝时,火焰表面接近阻火带狭缝冷壁处,化学反应活化中心的自由原子与冷壁碰撞释放出能量,反应区的热量流向冷壁边界,当火焰面拉长到一定距离时,出现熄火层,随着熄火层厚度不断增大,自由基进入熄火层内复合成分子并释放出能量,使自由基越来越少直至消失,达到火焰熄灭的效果。

瓦斯管道专用阻火器通常安装在栏式过滤器之后,该装置通常并列装备2台(1台备用)。

1.4 泄压溢流放散阀

泄压溢流放散阀主要解决瓦斯输送系统压力突然升高时的系统安全问题(如瓦斯发电机组突然停机或瓦斯浓度突然升高),保证瓦斯抽排泵的安全运行和细水雾瓦斯输送系统的最高工作压力不超过9～12 k Pa,当输送管路压力增高时,瓦斯穿过水柱释放到大气中。通过设置放散阀内的水位高低实现瓦斯输送系统最高压力设置,水位高低可通过雷达液位仪实现远程自动控制。泄压溢流放散阀通常安装在主输气管路管道干式阻火器之后引出的旁路位置。

1.5 煤矿低浓度瓦斯与细水雾混合主动安全输送系统

煤矿低浓度瓦斯经过雷达液位控制式水封阻火器、栏式过滤器和管道干式阻火器与细水雾混合,通过细水雾混合主动安全输送系统向前输送。细水雾安全输送系统是一种主动式安全保护系统,也被称为低浓度瓦斯细水雾混合主动安全输送系统,可以熄灭管路中出现的火焰,并能及时消除输送系统中产生的静电。

在瓦斯输送管路上每隔一段距离(直线距离不大于18 m)设置一个水雾发生器。发电站内设置一个雾化水池安装区,在安装区内安装多级离心泵,为瓦斯输送管线上的水雾发生器提供高压水,再通过水雾发生器向瓦斯管道内喷射水雾。该装置安装在瓦斯输送主管路防暴电动阀门末端,溢流式脱水水封阻火器前端。

细水雾输送系统主动灭火原理:(1)冷却作用。细水雾在汽化过程中,在燃烧区吸收大量热能,使燃烧物表面温度迅速降低至燃烧临界值以下,燃烧随即终止。(2)稀释作用。火焰进入细水雾后,细水雾迅速蒸发,气体急剧膨胀,使燃烧反应分子在空间上距离拉大,抑制火焰传播。

1.6 系统保温与除冰

黑龙江省鸡西市所在位置属高寒地区,冬季最低气温约为－30℃,给瓦斯发电的电子控制和输送装置的安全稳定运行带来很大危害,必须采取一定的技术措施防止监测监控系统的失灵和水雾低温结冰现象的发生,避免造成局部压力过高,保证低浓度瓦斯输送系统的安全可靠运行。

对易冻的设备及系统(如雷达液位控制式水封阻火器、栏式过滤器、管道干式阻火器、泄压溢流放散阀和防暴电动阀门等)进行集中安装,建设瓦斯处理室集中保温,充分利用瓦斯携带地热的自身温度。在输送管路、水雾发生器和阀门等关键部位包裹保温材料减少散热,在关键的瓦斯采样监测部位安装电伴热除冰系统等。

1.7 低浓度瓦斯与细水雾混合气体脱水系统

瓦斯在被输送至发电机组前,要将瓦斯细水雾混合气体中的水分脱离出去,保证机组的正常输出功率。夏季瓦斯气体温度达到40℃以上,瓦斯水雾混合气体中的水分不易脱出,严重影响机组的正常输出功率,同时由于进入机组的瓦斯气体含水量大,使机组使用寿命降低,因此必须解决瓦斯气体脱水问题。

经研究发现,当瓦斯水雾混合气体温度越低时,旋风重力脱水器脱水效果越好。设计气体降温冷却器,将其安装在主输送管路末端,溢流式脱水水封阻火器前端,循环冷却水经冷却器将瓦斯细水雾混合气体中的热量交换出来,使瓦斯细水雾混合气体降温,高温冷却水经晾散塔降温后循环使用。降温后的瓦斯细水雾混合气体通过瓦斯脱水装置进行脱水,并输送进入瓦斯发电机组。瓦斯脱水装置由溢流脱水水封阻火器、旋风重力脱水器组成,溢流脱水水封阻火器安装在瓦斯输送系统末端,旋风重力脱水器安装在瓦斯发电机组前端。经瓦斯脱水装置脱离的水分回收至雾化水池后循环使用。瓦斯细水雾混合气体降温冷却原理示意图如图3所示。

图3 瓦斯细水雾混合气体降温冷却原理示意图

2 低浓度瓦斯发电机组

鸡西矿业集团原有17台济柴和胜动高浓度瓦斯发电机组,由于煤矿瓦斯浓度的降低,造成机组开机率低。2012年,集团对高浓度瓦斯发电机组进行了改造,将进气总管道直径由100 mm加粗到200 mm,以增加进气量,双侧进气各增加两道管道干式阻火器和一道止逆阀以防止回火产生安全隐患,解决了空燃比自动调节技术问题(电控混合技术)和低压进气与稀薄气体燃烧技术问题等。改造后的机组可以对瓦斯浓度在8%以上的瓦斯进行利用(高浓度机组利用瓦斯浓度为25%以上),输出功率可以达到500 k W,完全符合改造要求。经统计,机组平均开机率提高了20%,瓦斯利用率提高了25%。

3 低浓度瓦斯发电机组余热利用系统

对于低浓度瓦斯发电机组,瓦斯产生的能量约有30%～35%被转化为电能,约有30%～35%的能量随高温烟气排出,约20%～25%的能量被发动机自身冷却系统带走,约10%的能量以机身散热和阻力等形式损耗。瓦斯发电机组余热利用是通过专用设备将机组排出的高温尾(烟)气和冷却系统带走的热量回收,再输送到需要热源的工业广场或居民小区。

在瓦斯发电机组烟道出口上设计KNKR－50空气换热装置,该产品换热面积为47～60 m2,尾气气流量为2130 Nm3/h,加热空气流量为30000 Nm3/h,空气流通阻力小于50 mm水柱。

为了将大量的高温空气输送到煤矿巷道,采用2台大功率(45 k W)风机,将空气集中加压送入空气换热器,进行4次连续加热后,高温热气通过保温管道和涵洞输送到煤矿进风井进入井下暖井。

为了防止机组尾气泄漏进入井下和井下有害气体反送,在热风出口设计单向止逆电动风门并安装温度、流量和有害气体传感器等输送监控联动系统。发生机组尾气泄漏和井下有害气体反送时单向止逆电动风门将自动关闭,热风机断电跳闸关闭。瓦斯发电机组余热利用流程图如图4所示。

图4 瓦斯发电机组余热利用流程图

分别在滴道煤矿立井(五采)、九井和十一井等瓦斯发电站装设4台500GF1－3PWWD型瓦斯发电机组。在每台瓦斯发电机组尾气系统串联安装KNKR－50型空气尾气换热器(换热面积可达47 m2以上),利用余热向井下供热风暖井(同时安装独立系统利用水水换热供浴池使用)。2015年1月7日(室外温度－20℃)实测滴道九井入风井热风流量为24000 Nm3/h,入井初始热风温度为58℃,完全达到设计要求。

鸡西矿业集团使用的低浓度瓦斯发电机组500GF1－3PWWD产生的高温烟气热量经针形管余热交换装置(换热面积为47～60 m2)回收后,主要向工业广场烘干室供热风或冬季向煤矿风井巷道供热风防止冻井。向办公室、居民小区或浴池供热时,每台针形管余热交换装置可解决3000 m2建筑面积采暖或中型浴池洗浴。

4 结论

鸡西矿业集团将高浓度煤矿瓦斯发电机组改造成低浓度煤矿瓦斯发电机组的成功实践,使煤矿瓦斯利用浓度由25%降到了8%,提高了机组的开机率和瓦斯利用率。通过全面开展瓦斯发电机组余热利用,解决了工业广场烘干室用热及冬季向煤矿风井巷道供热风防止冻井以及部分办公室和浴池供热。通过全面开展瓦斯发电机组 余热回收,降低了企业的部分生产成本,提高了瓦斯开发利用效率25%以上。

[1] 谢晓东,张振东,高胜阳.谈低浓度瓦斯发电站工艺设计[J].煤炭工程,2008(9)

[2] 顾栋,孔欣郁,叶盛.低浓度瓦斯输送安全保障系统的工程实际应用[J].当代化工,2013(5)

[3] 庞玉莲,郭宝录,李秀清.燃气发电机组组建电站的介绍[J].山东内燃机,2004(4)

[4] 杜新宇,王效民,李彬.浅析煤矿瓦斯发电技术和进气系统工艺流程改造[J].中国煤炭,2010(11)

(责任编辑 孙英浩)

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

杜学工(1970－),男,吉林省东丰县人,鸡西矿业集团隆昇发电公司副经理、总工程师,高级工程师,电气工程硕士,主要研究方向为低浓度瓦斯发电及余热利用。