瓦斯蓄熱氧化低濃度安全工藝設(shè)計(jì)范文

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摘要：結(jié)合煤礦大量低濃度瓦斯和風(fēng)排瓦斯排空無法有效利用的技術(shù)現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配工藝設(shè)計(jì)。分別闡述了瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配原理、技術(shù)要求，提出具體技術(shù)指標(biāo)，介紹混配系統(tǒng)工程應(yīng)用情況。設(shè)計(jì)及運(yùn)行現(xiàn)場應(yīng)用表明：瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，可滿足瓦斯氧化綜合利用項(xiàng)目用氣需求。

關(guān)鍵詞：低濃度瓦斯；瓦斯蓄熱氧化；混配系統(tǒng)；低濃度瓦斯安全輸送；引風(fēng)

1概述

我國每年煤礦風(fēng)排瓦斯（又稱“乏風(fēng)”，VAM）排放量150億m3以上，排放總量巨大［1］，逆流式熱氧化技術(shù)可使風(fēng)排瓦斯甲烷高于900℃以上溫度燃燒并釋放能量，隨后運(yùn)用多種的熱能利用技術(shù)進(jìn)行利用。我國煤礦VAM甲烷濃度大部分處于0.2％～0.5％之間，只有少數(shù)VAM濃度高礦井應(yīng)用氧化技術(shù)制熱水、取暖，其加熱利用量小，仍存在氧化利用規(guī)模小、運(yùn)行效率低、經(jīng)濟(jì)性差的問題。與此同時，礦井存在大量甲烷濃度低于8％的低濃度瓦斯溫室氣體，無法采用低濃度發(fā)電等利用方式而大量排空處理，造成大氣環(huán)境污染。煤礦現(xiàn)場目前自行使用較多混氣方式是低濃度瓦斯與VAM或者空氣在利用輸送管道內(nèi)對沖式混合，出現(xiàn)混后瓦斯層流明顯、低濃度瓦斯團(tuán)塊化，對氧化利用系統(tǒng)和煤礦抽采生產(chǎn)系統(tǒng)安全威脅大。怎樣解決低濃度瓦斯輸送和氧化時存在較大安全風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)高效利用問題，進(jìn)行專門、系統(tǒng)、規(guī)范的安全混配工程設(shè)計(jì)，將低濃度瓦斯和風(fēng)排瓦斯或空氣清潔能源氣體送入氧化系統(tǒng)當(dāng)中安全、穩(wěn)定、可控運(yùn)行，在瓦斯災(zāi)害得到治理同時，保護(hù)自然環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用、“變廢為寶”，一舉兩得［2］成為社會及廣大企業(yè)迫切需求。為此，中煤科工集團(tuán)重慶研究院通過承擔(dān)國家十二五、十三五國家重大科技專項(xiàng)技術(shù)與裝備研究，成功解決了上述技術(shù)難題，結(jié)合利用現(xiàn)狀，提出合理的瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氧化效率與燃料品質(zhì)的提升，氧化經(jīng)濟(jì)性和瓦斯利用率得到提高。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：1）安全性高。在瓦斯抽采泵站低濃度瓦斯管道安全輸送和正壓安全保護(hù)方面，煤礦用主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全防護(hù)方面或者空氣送風(fēng)風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)上都應(yīng)具有高安全性，同時在氧化發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)間設(shè)計(jì)有高安全性的控制系統(tǒng)。2）混配性能好。低濃度瓦斯和VAM或者空氣混合裝置有低阻力、各種工況條件下混合均勻的優(yōu)異性能，同時系統(tǒng)在流量控制和濃度控制設(shè)計(jì)上有調(diào)配和可控制性能。

2低濃度瓦斯安全動態(tài)混配原理

低濃度瓦斯安全動態(tài)混配系統(tǒng)指在保障瓦斯抽采正壓、礦井通風(fēng)風(fēng)壓和蓄熱氧化系統(tǒng)安全的前提下，將抽采低濃度瓦斯與煤礦VAM（或空氣）動態(tài)調(diào)控配比混合用以滿足氧化裝置用氣要求的系統(tǒng)。其基本原理為：在低濃度瓦斯管道輸送安全保障設(shè)施和安全監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)下，經(jīng)由瓦斯監(jiān)測儀表和控制系統(tǒng)可控調(diào)節(jié)抽采低濃度瓦斯與煤礦VAM或者空氣的流量與濃度，將低濃度瓦斯與煤礦VAM或者空氣在混配器內(nèi)快速、動態(tài)連續(xù)的湍流狀態(tài)下分割剪切成小股渦團(tuán)，而后快速接觸擴(kuò)散成甲烷濃度混合均勻的瓦斯氣體，在氧化裝置內(nèi)生成無焰的高溫氣體。當(dāng)氧化裝置出現(xiàn)濃度超限等非正常工作情況，低濃度瓦斯進(jìn)行瓦斯放散管排空處理；低濃度瓦斯壓力超標(biāo)后，系統(tǒng)壓力即刻通過濕式放散裝置進(jìn)行壓力放散并控制同步關(guān)閉氧化裝置和打開低濃度瓦斯排空系統(tǒng)。

3低濃度瓦斯安全動態(tài)混配工藝設(shè)計(jì)要求

3.1混配工藝設(shè)計(jì)要求

瓦斯混配系統(tǒng)總體工藝設(shè)計(jì)要著重考慮混配工藝安全設(shè)計(jì)、自動配比設(shè)計(jì)和引風(fēng)工藝設(shè)計(jì)三個重要方面。

3.1.1混配工藝安全設(shè)計(jì)1）低濃度瓦斯安全輸送。由于低濃度瓦斯具有易燃易爆特性，故在低濃度瓦斯的輸送、排空及利用端均執(zhí)行《低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（AQ1076—2009）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保障管道輸送安全，設(shè)計(jì)選用自動噴粉、細(xì)水霧或汽水二相流抑爆系統(tǒng)均可。應(yīng)特別注意，當(dāng)抽采瓦斯甲烷濃度低于3％時，也應(yīng)設(shè)置阻火安全設(shè)施。2）混配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。低濃度瓦斯與VAM或者空氣的混配器結(jié)構(gòu)是保障混配安全的關(guān)鍵設(shè)備，混配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證在氣流軸向和氣流斷面方向瓦斯氣混合皆均勻，混合后無低濃度爆炸限范圍瓦斯氣團(tuán)產(chǎn)生。針對不同設(shè)計(jì)項(xiàng)目宜選用不同的混配器，瓦斯混配可以選擇單級混氣或者多級混氣的方式，有彎管混氣、Y型混氣、擾流板混氣或固定式旋轉(zhuǎn)葉片混氣，針對不同項(xiàng)目采用不同組合方式，選用不同混配器結(jié)構(gòu)，再根據(jù)特定的混配器結(jié)構(gòu)，確定其不同工況下混合氣體流速，計(jì)算混合氣體流動雷諾數(shù)是否超過臨界值，混合氣體形態(tài)是否達(dá)到湍流狀態(tài)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和氣體混合試驗(yàn)方法對氣體均勻性進(jìn)行混合氣體均勻性驗(yàn)證。經(jīng)過瓦斯混配器后的瓦斯氣混合甲烷體積濃度應(yīng)是體積均勻、數(shù)值均低于1.2％以下。3）安全保護(hù)控制功能設(shè)計(jì)。混配監(jiān)控系統(tǒng)安全保護(hù)包括混配系統(tǒng)由于混配后瓦斯?jié)舛瘸蕖⑼咚贡谜緜?cè)瓦斯輸送壓力超限等自身原因的安全保護(hù)，也包括由于瓦斯蓄熱氧化利用系統(tǒng)異常或者緊急停車的安全保護(hù)，此時，混配系統(tǒng)均需緊急停止運(yùn)行，控制功能設(shè)計(jì)上均需停止低濃度瓦斯的輸送，同步打開低濃度瓦斯排空系統(tǒng)并關(guān)閉氧化裝置。

3.1.2自動配比設(shè)計(jì)自動配比需達(dá)到以下功能要求：1）能實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯流量、濃度、壓力、溫度等基本參數(shù)的自動監(jiān)測和顯示功能。2）配比設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮為實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能而選擇的傳感器、控制器及控制裝置的響應(yīng)及動作時間。433）自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用工業(yè)上普遍的PLC控制，過程控制為PID算法模式控制，設(shè)定目標(biāo)甲烷濃度值，PLC監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)氧化裝置主風(fēng)機(jī)或者空氣風(fēng)機(jī)風(fēng)量與瓦斯流量，間接算出瓦斯氣與VAM或者空氣的混合比例，通過調(diào)節(jié)閥門精確調(diào)節(jié)流量來實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的動態(tài)精準(zhǔn)平衡。4）隨氧化利用系統(tǒng)熱負(fù)荷和中間熱工設(shè)備負(fù)荷調(diào)節(jié)變化而及時調(diào)節(jié)瓦斯甲烷量即調(diào)節(jié)燃料燃燒熱值。

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下：混配CH4濃度：Cm≤1.2％；瓦斯氧化最小純量（經(jīng)濟(jì)規(guī)模）：Qe≥12.0Nm3／min；輸送低濃度瓦斯CH4濃度：Co≤30.0％；氧化規(guī)模利用量：Q1≥60000Nm3／min；通風(fēng)CH4濃度：Cv≤0.75％；爆燃事故時噴粉完成時間：t1≤170ms；爆燃事故時管道阻斷時間：t2≤100ms；混配氣體溫度：Tg＞0℃。

3.2.2系統(tǒng)組成1）低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)。低濃度瓦斯安全輸送設(shè)計(jì)布置三級安全阻火防爆裝置。第一級水封阻火泄爆裝置，第二級抑爆裝置，包括自動噴粉抑爆裝置或細(xì)水霧抑爆裝置或氣水二相流安全輸送裝置，第三級自動阻爆裝置，裝置工作原理、功能及技術(shù)參數(shù)查閱相應(yīng)的裝置技術(shù)條件規(guī)范。系統(tǒng)阻火防爆裝置間的安設(shè)布置設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（AQ1076—2009）進(jìn)行設(shè)計(jì)。2）引風(fēng)系統(tǒng)。VAM引風(fēng)抽出式通風(fēng)機(jī)全壓計(jì)算見公式（1）。Pt＝PS＋PV＝PS＋1／2ρV2（1）式中，Pt為通風(fēng)機(jī)全壓，Pa；PS為通風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；ρ為風(fēng)機(jī)出口空氣密度，kg／m3；V為風(fēng)機(jī)出口流速，m／s。VAM引風(fēng)系統(tǒng)主要由礦井風(fēng)機(jī)主通風(fēng)機(jī)、取氣口（或罩）、百葉窗風(fēng)門、流量計(jì)、干式阻火器、氧化裝置引風(fēng)機(jī)等組成，如圖2所示。VAM引風(fēng)動力來自于主通風(fēng)機(jī)余壓和氧化裝置的負(fù)壓之和，在VAM輸送管道某點(diǎn)存在壓力零點(diǎn)。礦井反風(fēng)時需打開百葉窗風(fēng)門增加進(jìn)風(fēng)量；啟動引風(fēng)關(guān)小百葉窗風(fēng)門增加氧化引風(fēng)量。冬季VAM溫度與室外溫差大設(shè)計(jì)上考慮增加風(fēng)排脫水裝置，以減少液態(tài)水氧化汽化吸熱的熱量損失。空氣引風(fēng)系統(tǒng)主要由離心式引風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)變頻器、阻火器、調(diào)節(jié)風(fēng)門（閥）、流量計(jì)、甲烷濃度計(jì)、氧化裝置引風(fēng)機(jī)等組成，如圖3所示。引風(fēng)機(jī)靜壓值應(yīng)高于低濃度瓦斯輸送管道最大壓力值，也應(yīng)考慮空氣風(fēng)機(jī)不同壓力、不同變頻條件下風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化規(guī)律，應(yīng)避免低風(fēng)量突降帶來的甲烷濃度突然超限情況發(fā)生。離心式引風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)上應(yīng)選用風(fēng)機(jī)喉口防摩擦火花設(shè)計(jì)，杜絕風(fēng)機(jī)扇葉摩擦火花產(chǎn)生。若空氣風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型過小混合空氣后甲烷濃度值過高，輸送安全風(fēng)險高；混合空氣量過大，則混合甲烷濃度低，風(fēng)機(jī)電耗高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性差，設(shè)計(jì)上存在缺陷。3）瓦斯混配監(jiān)控系統(tǒng)。瓦斯混配監(jiān)控系統(tǒng)是混配系統(tǒng)下屬子系統(tǒng)，其由安全保護(hù)子系統(tǒng)、引風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)和低濃度瓦斯安全輸送監(jiān)測子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成如圖4所示。其功能是基于瓦斯抽采輸送正壓、礦井通風(fēng)風(fēng)壓、瓦斯安全輸送監(jiān)測、氧化裝置外圍的綜合安全防護(hù)于一體的自動調(diào)配控制低濃度瓦斯和VAM或空氣，保證瓦斯蓄熱氧化裝置進(jìn)氣、用氣和停氣的安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。由控制層和設(shè)備層構(gòu)成混配監(jiān)控系統(tǒng)，控制層包括安全保護(hù)子系統(tǒng)、引風(fēng)監(jiān)控子系統(tǒng)和低濃度瓦斯安全輸送監(jiān)測子系統(tǒng)，由操作控制柜采集傳感器數(shù)據(jù)、顯示、運(yùn)算、處理各類數(shù)據(jù)，對下屬的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作控制。設(shè)備層主要將現(xiàn)場監(jiān)測到的技術(shù)參數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號提供給控制層。設(shè)備層主要由管道甲烷濃度傳感器、管道流量傳感器、電動閥門、液位傳感器、壓力傳感器、電動調(diào)節(jié)風(fēng)門、氣動閥門、空氣風(fēng)機(jī)、變頻柜等組成。

4工程應(yīng)用

瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯混配設(shè)計(jì)已分別在國內(nèi)山西潞安高河煤礦瓦斯蓄熱氧化項(xiàng)目和陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化井筒加熱項(xiàng)目中實(shí)施，工程應(yīng)用成功并取得良好效果，。在2015年5月15日至2018年7月31日期間，山西潞安高河煤礦瓦斯蓄熱氧化項(xiàng)目瓦斯混配系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行已累計(jì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電3.67億kW•h，電網(wǎng)收入1.40億元，處理VAM量132.19億m3，折合碳減排4031.8ktCO2e。陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化項(xiàng)目的一套6萬m3／h低濃度瓦斯混配系統(tǒng)已于2017年和2018年兩個供暖季提供安全、穩(wěn)定燃料氣源，瓦斯氧化替代了風(fēng)井原有3臺ZRL－2.8／W型燃煤熱風(fēng)爐，將環(huán)境溫度－15.3℃、設(shè)計(jì)流量14000Nm3／min的風(fēng)井進(jìn)風(fēng)加熱至進(jìn)風(fēng)溫度高于2℃，項(xiàng)目兩供暖季共節(jié)約標(biāo)煤6400t，折合減排二氧化碳72ktCO2e，獲得200萬元瓦斯利用補(bǔ)貼。

5結(jié)語

瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯混配設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)瓦斯蓄熱氧化提質(zhì)提效的重要技術(shù)途徑，起到至關(guān)重要作用，廣大設(shè)計(jì)工作者應(yīng)熟悉并掌握此類型工藝設(shè)計(jì)。混配工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是安全、可靠、穩(wěn)定的，在保證煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)正壓和通風(fēng)系統(tǒng)余壓安全前提下，能較好滿足瓦斯蓄熱氧化使用要求，極大提高蓄熱氧化利用的安全性和經(jīng)濟(jì)性，推廣應(yīng)用價值前景廣闊。

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作者：李磊 單位：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