煤矿瓦斯氧化装置热利用效率提高的分析

【摘要】介绍了煤矿瓦斯氧化装置的原理及结构，及提高热利用效率的必要性。通过理论计算及工程案例分析，找出了煤矿瓦斯氧化装置热效率提高的几种措施，为后续的氧化装置热效率提升、经济效益保证提供了方向。

【关键词】煤矿瓦斯；氧化装置；热利用效率

Abstract：This paper introduces the principle and structure of coal bed methane oxidation device， and the necessity of improve the efficiency of heat utilization.Through theoretical calculation and analysis of engineering cases， and find out several measures to improve thermal efficiency of coal bed methane oxidation device， improve thermal efficiency and economic benefit for subsequent oxidation device ensure provides direction.

Key Words：Coal Mine Gas； Oxidation Equipment；Utilization Efficiency

引言

近年来，随着国民环保意识的日益增强，煤炭煤层气抽采技术及产量的增加，煤矿瓦斯治理形势日益严峻。如何高效利用煤矿瓦斯成为了一大课题。持续的雾霾天气引发社会的广泛关注，为贯彻落实《大气污染防治行动计划》，国家环保部与全国31个省（区、市）签署了《大气污染防治目标责任书》，明确了各地空气质量改善目标和重点工作任务，明确了煤炭削减、落后产能淘汰、大气污染综合治理、锅炉综合整治等各项工作的量化目标，这样为煤矿瓦斯的充分利用提供了政策支持。根据当前情况，煤矿瓦斯氧化装置作为现今较经济有效处理煤矿低浓度瓦斯的设备，为煤矿提高瓦斯利用率，减少温室气体排放和节约清洁能源提供了有效的技术。本文将重点针对通过对胜动集团制取高温热氧化装置（以下简称“氧化装置”）产生的热效率提升，提高项目投资效益等方面进行阐述。

1、氧化装置原理及结构组成

1.1氧化装置技术原理

氧化装置先用外部能源（电能或辅助燃料）加热，创造一个甲烷氧化反应的环境，通风瓦斯通过瓦斯输送掺混设备将抽排瓦斯与风排瓦斯（或空气）进行掺混，由风机送入氧化床，氧化产热，排气侧固体蓄热，进气侧气体预热，由切换阀实现通风瓦斯逆流换向。瓦斯在氧化床氧化后，一部热量维持氧化反应的环境，大部分热量通过制取高温烟气烟道形式将产生的主要热量提取利用。氧化反应自动维持后，停掉外加热。

1.2基本结构组成

氧化装置主体主要氧化床、左风道、右风道、切换阀及回热器等主要部件组成（如图示），通过控制监控系统采集温度、压力、浓度等信号对氧化装置按要求进行控制。

在高温烟气出口风道与热用户接口端管线上设置高温烟气调节阀（设计温度1200℃），通过调整低温尾气调节阀与高温烟气调节阀，及风道内部风流分布，保证在满足氧化装置稳定运行的前提下，最大限度地提高高温烟气量，即保证氧化装置的热利用效率。

2、氧化装置热利用计算

1）热平衡

通过分析氧化装置的原理及结构组成，氧化装置无用热（指氧化热不产生价值但不得不消耗的部分，类比于电气概念中的无用功）主要包括低温尾气排放部分的热量、进气中因湿度水分被带走的汽化潜热、装置保温隔热散失的热量及未完全燃烧的热损失，形成以下的热平衡计算公式。

Q1=Qr- Q2-Q3-Q4-Q5

Qr-送入氧化装置的总热量，MJ/h（支配热，主要是燃料燃烧的放热量）；Q1-有效利用的热量， MJ/h（蒸汽产量或热风热量等）；Q2-尾气热损失，MJ/h（进出口温差的热量）；Q3-燃料未完全燃烧的热损失，MJ/h（未氧化的燃料）；Q4-装置的散热损失，MJ/h （指氧化床侧盖保温、锅筒、回热器至氧化床管道等向大气散失的热量）；Q5-掺混瓦斯中水分带走的热量，MJ/h（湿度按饱和空气含湿量计算）。

2）热效率

氧化装置有效利用的热量Q1占输入氧化装置总热量Qr的百分比称为氧化装置热效率：

3、应用案例分析

安徽淮南丁集煤矿低浓瓦斯氧化-煤泥干燥项目，采用1台8万Nm3/h高温热风型瓦斯氧化装置，将煤矿现有不能用于发电的超低浓度瓦斯与空气掺混后进行氧化，工作浓度为1.2%，产生950℃左右的高温热风，并与丁集煤矿现有瓦斯发电站的发电机组低温乏气进行掺混后，形成温度为700℃左右的高温热烟气，供入滚筒式煤泥干燥机干燥煤泥，干燥后的煤泥送入火力发电厂掺烧发电。该项目年设计湿煤泥烘干能力为50万吨/年。

3.1理论计算氧化装置产热量及热效率

根据项目实施情况，氧化装置处理量为80000Nm3/hr，氧化率为97%，散热损失按额定设计运行总热量的10%计算，进口温度为t0=20℃，出口温度保证为≤60℃，1kg、20℃饱和空气含湿量为14.7×10-3kg，空气比热C=1.004Kj/（kgq℃）。

依据以上热利用方式计算公式，计算该项目氧化装置热平衡。

1）装置输入的总热量：Qr=80000Nm3/h×1.2%×36.0MJ/ Nm3=34560MJ/h

2）尾气热损失（按照进出口温差40℃，产生的热风量按总量的27%计算（经验数据））：

Q2=1.004kJ/（kg・℃）×1.29kg/ Nm3×80000Nm3/h×（1-27%）×（60-20）℃=3025MJ/h

3）燃料未完全燃烧热损失（按照氧化率97%计算）：

Q3=80000Nm3/h×1.2%×36.0MJ/ Nm3×（1-97%）=1037MJ/h

4）装置散热损失（按照额定浓度的10%计算）：

Q4=80000Nm3/h×1%×36.0MJ/ Nm3×10%=2880MJ/h

5）掺混瓦斯含水带走热量（按湿度40%计算）：

Q5=80000Nm3/h×1.29kg/ Nm3×14.7×10-3×40%×2510 kJ/kg=1523MJ/h

则制取热风的有效利用热量为：

Q1=Qr-（ Q2+Q3+Q4+Q5）=34560-（3025+1037+2880+1523）=26095MJ/h

则制取热风品质为：

t=Q1/cm+t0

=26095 MJ/h /[1.004 kJ/（kg・℃）×1.29 kg/ Nm3×80000Nm3/h×27%]+20℃

=953℃

考虑到其他不确定因素，则氧化装置在工作浓度为1.2%、流量为80000 Nm3/h情况下，能制取950℃高温热风21600Nm3/h。

热效率为ξ=×100%=（26095/34560） ×100%=75.5%

经过现场三个月来的稳定运行，基本参数为：

结合现场的瓦斯量及项目自身情况，将氧化装置掺混后进气流量控制在60000-65000Nm3/hr，瓦斯浓度为1.0%-1.1%。产生的高温烟气温度为900-950℃，流量为1.4-1.6万Nm3/h。与6台发电机组乏气进行掺混，掺混后温度为625-630℃，每小时烘干煤泥量为40-46t/h。考虑到发电机组乏气影响，氧化装置烘干煤泥量为30-32t/h，氧化装置热效率在70%，略低于氧化装置设计热利用效率75%。

通过现场运行发现存在以下现象：氧化装置风道低位处特别是在雾气较重的天气，有明显的水滴产生；氧化装置尾气排温不稳定；高温烟气风道外表面温度比设计值偏高等。

通过以上热平衡计算及工程案例分析，为进一步提高氧化装置热效率，需通过以下几方面采取措施。

1）氧化装置尾气热损失：氧化装置处理量较大，一般是每小时超过1万方，进排气温差没减小一度，热回来率将会大幅提高。尾气热损失的提高手段主要有进行沿程管道保温及提升回热器热回收效率，降低排气温度。

2）燃料未完全燃烧的热损失：氧化装置的氧化效率主要取决于氧化床，保证烟气在氧化床的滞留时间，及充分的扰动。优化氧化床结构，保证气流滞留时间及气体在内部的湍流程度，将有效提高氧化率。

3）氧化装置气体流道及本体散热损失：氧化装置气体流程较长，且本体体积相对庞大。提高装置本体保温性能，从材质、密封性进行优化设计。

4）掺混瓦斯中水分带走的热量：抽排瓦斯输送系统自带水封阻火器，在输送过程中，瓦斯气体湿度较大，在主风机出口端需设置脱水器，尽最大限度减少因水的汽化潜热带走热量。

4、结论

结合氧化装置自身结构及原理，依据丁集矿丁集煤矿低浓瓦斯氧化-煤泥干燥项目结论分析，瓦斯氧化装置的热效率的提高下一步将重点进行优化氧化床内部结构，保证瓦斯气体滞留时间及湍流度；加强沿程高温风道及本体保温，减少热散失；降低进气的湿度，减小因水的汽化潜热带走的热量；合理调整进排气及高温烟气阀门调整的关联系，最大限度地降低无用热的产生。

参考文献

[1]张涛，马晓钟，马晓东，金旭明，徐景才，段亮.煤矿瓦斯（乏风）氧化利用方式及效益分析.内燃机与动力装置，2014（12）.

[2]马晓钟.煤矿乏风氧化装置的研制[J].矿业安全与环保，2011（38）.