风排瓦斯回收利用发电系统设计.pdf

I 工程建设与设计 l - - - - - - ．- ，- - - - - - - - - - - ．- - ．．．．- - - ．．．．．．． I C o m 口n * c t i o n O e * i g n F o r P r o j e c t 风排瓦斯回收利用发电系统设计 D e s i g no nt h eV e n t i l a t i o nS h a f tE x h a u s tG a sR e c y c l i n gP o w e rS y s t e m 解安昌，李传兵 安徽电力建设第二工程有限公司，合肥2 3 0 6 0 1 X I E A n c h a n g ，L IC h u a n b i n g A n h u i N o ，2 E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g C o n s t r u c t i o n C o r p o r a t i o n ，H e f e i2 3 0 6 0 1 ，C h i n a 【摘要】提出了一种利用风井排出的乏风进行瓦斯回收发电的系统，利用风井排出浓度在o ．5 ％～o ．8 ％的低浓度瓦斯与矿井抽 取的浓度在3 0 ％～9 5 ％高浓度瓦斯混合成浓度2 ％～3 ％做为燃料，先进行除杂、除湿等步骤后，再将其送入压气机压缩至2 ～3 个大气压，压缩后的瓦斯气体送入启动燃烧室内进行预热，然后再将预热后的瓦斯气体送入催化燃烧室进行无焰燃烧，将燃烧后 的高温高压烟气送入燃气透平内膨胀做功，带动发电机组发电，将透平排出的烟气通过回热器回收部分热量，用来加热压气机压 缩后的燃气，此时，就实现了一次系统发电循环。该系统将低浓度的风排瓦斯回收利用，能够带来资源与环境的双重效益。 【A b s t r a c t ] T h i s a t t i c t e m a i n l y d e s i g n s a v e n t i l a t i o n s h a f t e x h a u s t g a s r e c y c l i n g p o w e r s y s t e m w h i c h u s e s a i r s h a f t d i s c h a r g e i n 0 ．5 ％～- 1 ％o f t h e l o w c o n c e n t r a t i o n g a s a n d m i n e e x t r a c t i o n i n 3 0 ％～9 5 ％o f h i g h c o n c e n t r a t i o n g a s m i x t u r e i n t o t h e c o n c e n t r a t i o n o f 2 ％一3 ％a s f u e l ，f i r s t r e m o v e t h e i m p u r i t i e s ，d e h u m i d i f i c a t i o n a n d o t h e r s t e p s ，a n d t h e n s e r e t o t h e t h e c o m p r e s s o r ，a n d t h e n t h r o u g h c a t a l y t i c o x i d a t i o n c h a m b e r f o r c a t a l y t i c o x i d a t i o n ，g a s w i t h h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e c a n w o r k d i r e c t l y o n t h e g a s t u r b i n e ，h i g h t e m p e r a t u r e g a s w i l l b e r e c o v e r e d p a r tt h r o u g ht h er e g e n e r a t o rh e a t ，w i t ht h eh e a t i n gg a sc o m p r e s s o rc o m p r e s s e d ，a n d t h e nw i l lb es e n tt ot h ec a t a l y t i co x i d a t i o nc h a m b e rf o r c o m b u s t i o n ，f i n a l l yt h eg a st u r b i n ec y c l ei sc o m p l e t e ．T h es y s t e mC a nb r i n gd o u b l eb e n e f i to f r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t ，r e c y c l i n gl o w c o n c e n t r a t i o n o f t h e w i n d e x h a u s t g a s ． 【关键词】风排瓦斯；催化氧化；燃气轮机；透平；温室效应 【K e y w o r d s ] l o w c o n c e n t r a t i o n g a s ；c a t a l y t i c o x i d a t i o n ；g a s t u r b i n e ；t u r b i n e ；g r e e n h o u s e e f f e c t 【中图分类号】X 7 5 2【文献标志码I A【文章编号】1 0 0 7 ．9 4 6 7 2 0 1 5 0 7 0 0 9 4 0 3 [ D O I ] 1 0 ．1 3 6 1 6 ／j ．c n k i ．g c j s y s j ．2 0 1 5 ．0 7 ．0 2 3 1 引言 目前，我国每年通过风井乏风排放的纯甲烷为1 0 0 x 1 0 s ～ 1 5 0 x1 0 8 r n 3 旧。如果风井排出的乏风不经处理直接排到大气 中，即浪费了不可再生的瓦斯气体资源，又加剧臭氧层破坏， 致使温室效应继续恶化，甲烷的温室效应是C O 的2 4 倍之 多。因此，如果能科学地利用好回风流中的瓦斯，对于节能减 【作者简介】解安昌 1 9 6 2 ～ ，男，安徽宿州人，工程师，从事工程施 工管理与研究， 电子信箱 x i e a n c h a n g 1 2 6 ．c o r n 。 9 4 排、环境保护及循环经济具有重要的意义。风排瓦斯的利用越 来越得到各国研究人员的关注。然而，由于其热值极低，在利 用时存在极大的困难【3 】。本文设计的系统根本目的是利用风排 瓦斯与抽采的高浓度瓦斯混合成浓度在2 ％～3 ％瓦斯气体进 行发电。 2 系统概述 该风排瓦斯回收利用发电系统包括除尘器、除湿器、高低 浓度瓦斯混合箱、燃气轮机、传动装置、发电装置等部件组成。 万方数据 如系统示意图1 所示。高低浓度瓦斯混合箱一端既与除湿器尘机内部结构。 公用工程设计I 瓦涵面丽i 矧 9 5 ％的高浓度瓦斯混合成浓度为2 ％～3 ％的瓦斯作为燃料，再 对混合后的瓦斯气体进行除杂、除湿，然后将其送入压气机压 缩至0 ．1 9 6 ～0 ．2 9 4 M P a 23 个大气压 ，再将压缩后的高压 气体送入启动燃烧室内进行预热，将预热后的气体送入催化 燃烧室进行催化无焰燃烧，将燃烧后的高温高压烟气直接送 入径流式燃气透平内膨胀做功，再经传动装置带动发电机发 电。系统中的回热器将透平排放的部分热烟气回收再利用，用 于预热下一循环的瓦斯气体。此时，便完成一次风排瓦斯发电 的循环。 图2 湿式除尘风机内部结构图 4 高低浓度瓦斯混合箱结构及原理 目前我国直接从风井排出的瓦斯浓度一般在0 ．5 ％～ 0 ．8 ％之间，该浓度在进行催化氧化时产热量不多，几乎没有可 利用的价值。所以，必须要对风井排出瓦斯气体进行增浓，而 目前还没有很好的技术可以直接对超低浓度瓦斯进行增浓。 鉴于此，我们选用煤矿固有的条件，即利用煤矿抽取的高浓度 瓦斯与风井排出的瓦斯进行混合达到合适的浓度 2 ％～3 ％ ， 进入催化燃烧室。 Ⅶ 褰 『显合瓦斯曾阍 、 风替瓦斯 广1劁 ／ ／_ 孟水二／、“＼ 低矗聪 ／严未桃胜／ l--、、k⋯。。 机 L f 档航’，荩一热垂N 一 旧‘p 圉 图1 系统示意图 3 除尘器结构及原理 瓦斯回收利用时，必须要进行除尘净化，因为粉尘不仅会 影响后续所有机械的性能，在一定的条件下还存在爆炸的威 胁。该湿式除尘风机主要由矿用通风机、供水喷雾系统、机座、 湿式振弦捕尘器构成，其中风机放置在捕尘器前端，主要是提 供送风的动力。除尘风机将污风送入湿式振弦捕尘器内，粉尘 被其捕捉，从而可以达到除尘净化气体的作用。图2 是湿式除 4 ．1 瓦斯混合箱结构 瓦斯混合箱内部布置旋流器；内部中间位置放置 1 个小功率的风扇；前端分别接高、低浓度的瓦斯气体 管道，控制流量的阀门安装在管道上面，后端放置瓦 斯探测器，见图3 。 4 ．2 瓦斯混合箱原理 利用控制阀控制高、低浓度瓦斯的流量来控制瓦 斯混合后的浓度。当两股气体进入混合箱时，混合箱 内部的旋流器主要目的就是让两股气体得到充分的 混合，混合均匀后的气体到达混合箱后部时，瓦斯探 测器会及时地探测出瓦斯的浓度是否在2 ％～3 ％的 范围内。如果显示的浓度数据小于该范围，那么系统会自动将 高浓度瓦斯管道的控制阀开大；相反，则系统会自动将高浓度 瓦斯管道的控制阀开小。从而可以确保瓦斯进入催化燃烧室 的浓度在2 ％～3 ％。 ≥匾乒 图3 瓦斯混合箱结构简图 万方数据 1 工程建设与设计 I C o n s t r u c t i o n D e s * F o r P r o j e c t 5 燃气轮机结构及原理M 燃气轮机经过几十年的发展，其技术已经相对成熟，被广 泛应用于各行各业，由于乏风中瓦斯浓度相对较低，因此完全 可以利用燃气轮机回收利用乏风中的瓦斯气体。燃气轮机首 先将燃气在压气机涡轮中压缩成高压气体，再送入催化燃烧 室内进行无焰燃烧，将燃烧后产生的高温高压的烟气再送人 径向燃气透平内膨胀做功，通过传动装置驱动发电机发电，因 为既使热值较低的燃料气体也可以通过持续循环做功，从而 被利用。 5 ．1 燃气轮机结构 如图4 所示，燃气轮机系统主要由离心式压气机、启动燃 烧室、催化燃烧室、径流式透平、回热器构成，增加传动装置和 发电系统就可以实现发电的目的。 烧室内燃烧，实现燃气轮机系统的热循环。 2 该系统很好地解决风排瓦斯利用率低的难题，不但能 够依靠自身的回热装置来推动系统的运行，还能够额外供电。 因此，该系统必然会大大加强煤矿通风，带来资源与环境的双 重效益。拶 【参考文献】 【1 】景兴鹏，刘瑛良，郑登峰．煤层气利用技术现状【J ] ．山西煤炭，2 0 0 7 6 1 0 ．1 2 ． 【2 】马晓钟．煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践【J 】．中国煤层气， 2 0 0 7 ，4 3 2 8 31 ． 【3 】王鑫阳，j 土金．浓度低于1 ％的矿井瓦斯氧化技术现状及前景【J ] ．煤 炭技术，2 0 0 8 ，2 7 9 1 3 ． 【4 】袁春，伺国库．微型燃气轮机发电技术进展[ J ] 移动电源与车辆，2 0 0 2 4 3 9 - 4 0 ． 图4 燃气轮机系统原理 5 ．2 燃气轮机原理 燃气轮机的运行原理为低浓度瓦斯气体进入压气机被 压缩到0 ．1 9 6 ～o ．2 9 4 M P a 2 ～3 个大气压 ，再将压缩后的高 压气体送入启动燃烧室内进行预热，将燃烧后的高温高压烟 气送入燃气透平内膨胀做功，带动发电机组发电，将透平排出 的烟气通过回热器回收部分热量，用于预热下一循环的瓦斯 气体，此时便完成了一个循环。 6 结论 1 该系统利用风井排出的浓度低于O ．8 ％的低浓度瓦斯 与矿井抽取的浓度在3 0 ％～9 5 ％的高浓度瓦斯混合成浓度为 2 ％～3 ％的瓦斯作为燃料，先进行除杂、除湿等步骤后，再将其 送入压气机压缩后，经预热后，送人催化燃烧室进行催化氧 化，燃烧后的高温高压烟气送入燃气透平内膨胀做功，带动发 电机组发电。同时，高温燃气通过回热器被系统回收一部分热 量，用其加热压气机内被压缩过的高纯度燃气，再进入催化燃 9 6 【5 】翁一武，苏明，翁史烈．先进微型燃气轮机的特点 与应用前景[ J 】热能动力工程，2 0 0 3 3 111 - 11 5 ． 【6 】赵士杭．新概念的微型燃气轮机的发展[ J ] ．燃气 轮机技术，2 0 0 1 ，1 4 2 8 ．1 3 ． 【7 】杨策，刘宏伟，李晓，买靖东．微型燃气轮机技术∽． 热能动力工程，2 0 0 3 ，1 8 1 0 3 1 3 ． 【8 】刘文革，胡予红．煤矿通风瓦斯利用技术现状及 其潜力[ j 】中国煤炭，2 0 0 3 ，2 9 11 11 - 1 2 ． 【9 】翁一武，苏适．煤矿通风气中甲烷减排及发电技术[ J ] ．上海电力，2 0 0 5 6 5 8 8 5 9 4 ， 【收稿日期3 2 0 1 5 0 4 1 0 万方数据