煤层气蓄热氧化热能调控试验研究

张 涛

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤层气(瓦斯)是与煤炭相伴而生的非常规天然气，其主要成分为甲烷，是一种清洁高效的能源[1-2]，我国煤层气资源储量丰富，在煤层气抽采过程中或多或少会混入空气导致煤层气中甲烷浓度有高有低，因其甲烷浓度不同，利用方式也有差异[3-6]。到2017年，我国浓度(甲烷体积分数)在30%以上的煤层气,抽采量占总量的近一半，主要用于工业和民用，利用率达到60%；其余的均为浓度30%以下的低浓度煤层气，抽采量也占近一半，主要用于发电，利用率不到30%；特别是浓度为10%以下的煤层气因为甲烷含量太少而难以利用[1]，未被利用的低浓度煤层气基本被直排进入大气，不仅造成资源浪费，还加剧了温室效应。

近年来，随着以中煤科工集团重庆研究院有限公司为首的一些企业开发的低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热工艺，成功解决了低浓度煤层气利用难这一问题。该工艺利用煤矿井下抽采的低浓度瓦斯和乏风瓦斯为原料，经过蓄热氧化装置和热交换装置将甲烷释放的热量取出，用以代替燃煤热风炉加热井筒和工业站场建筑物供暖等[7-9]。由于煤矿在不同时间、不同环境温度下井筒加热和建筑物供暖用能需求不同，为避免造成热能浪费，需要在满足不同热能需求的基础上，摸清系统热能调节的规律并加以控制，从而达到更好的经济性。本文以阳煤五矿小南庄低浓度煤层气蓄热氧化井筒加热项目为例，开展热能调控试验研究，最终实现井筒加热和站场供暖的系统调控。

1 项目概况

1.1 站场概况

项目位于距离阳煤五矿工业场地5 km的小南庄瓦斯抽放泵站，站场内建有进风井筒一个，瓦斯泵房、水泵房、操作间及附属建筑物若干。站场原有3台ZRL-2.8/W的燃煤热风炉和1台700 kW的燃煤热水锅炉用以满足冬季进风井筒加热和建筑物供暖，这些设备在低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热项目建成后拆除或弃用。

站场内瓦斯泵站共有2台2BEZ-72型抽采泵，运行方式为1运1备，抽采泵额定流量450 m3/min，实际流量230 m3/min，瓦斯浓度10%～15%，抽采瓦斯纯量为12～14 m3/min(标准状况下)。

1.2 项目设计参数

井筒进风量为1万m3/min，室外温度为-15.3 ℃时，井筒内进风不低于2 ℃，系统低浓度瓦斯处理能力6万m3/h(标准状况下)，抽采瓦斯浓度2%～15%，井筒防冻热负荷4 094 kW，站场建筑物采暖热负荷700 kW。

2 工艺流程及组成

低浓度煤层气蓄热氧化井筒加热工艺主要由低浓度煤层气安全输送系统、掺混系统、蓄热氧化系统、热能利用系统组成[10-12]，工艺流程如图1所示。

图1 低浓度煤层气蓄热氧化井筒加热工艺流程

2.1 流程简介

低浓度瓦斯经过泵站的阻火器、防爆器之后，与低浓度瓦斯输送及掺混系统管道连接。沿瓦斯流动方向，依次安装甲烷浓度传感器、手动阀门、低浓度安全保障系统(两路)、脱水器、传感器(流量、温度、火焰传感器、压力传感器)、气动调节阀、快速关断阀、掺混装置。低浓度瓦斯与空气、烟气在掺混装置内进行混合后，浓度降低至1.2%，在蓄热氧化装置主风机的作用下，输送至蓄热氧化装置内[13-14]。为保证系统安全，在泵站出口设置湿式放散罐用于低浓度瓦斯紧急放空，设置电动调节阀用于系统低浓度瓦斯的流量调节[15]。蓄热氧化装置为四床立式结构，每床分别有进气阀和出气阀，通过周期性调整进气阀和出气阀的开闭，使每个床层在蓄热流程和放热流程之间周期切换，始终保证两床进气、两床出气，维持系统的周期性运行。在蓄热氧化装置启炉阶段，需要通过燃油燃烧器燃烧柴油预热蓄热材料，当蓄热材料温度达到设定值后，则可通入低浓度瓦斯，系统进入正常运行状态后，燃油系统关闭[16-17]。当系统进入稳定运行状态后，从蓄热氧化装置高温区域抽出部分高温烟气，输送至新风加热器内作为热源，将新风风机送入的低温空气加热至70 ℃，送入进风井与低温空气再次掺混后输送至井下。同时，抽取部分高温烟气进入热水加热器，生产热水用于抽采泵站供暖。从新风加热器与热水加热器流出的烟气部分进入烟囱放空，部分引至掺混装置处，与低浓度瓦斯和空气混合，确保掺混装置处气体温度高于2 ℃[18]。

2.2 热能调控系统组成

此研究共有2个热能利用点：进风井筒加热和站场建筑物供暖。由于热能利用的前提是蓄热氧化装置的稳定运行，装置的稳定运行需要保证产生的热量大于装置本身的自热平衡热量，才能将多余的热量取出加以利用。热能调控不仅与高温烟气取出量有关，还与蓄热氧化装置内炉膛温度变化有关，而炉膛温度变化又与原料煤层气进气量有关，所以热能调控系统包括热能利用端调节系统、蓄热氧化装置温控系统和原料气进气调节系统。热能利用端调节系统主要由烟气管道上的高温调节阀和低温烟气管道上的温度传感器组成；蓄热氧化装置温控系统主要由设置在炉膛的温度传感器组成；原料气进气调节系统主要由掺混器前端的瓦斯调节阀、变频主风机和原料气管道上的浓度及流量传感器组成[19-20]。热能调控系统控制原理如图2所示。

图2 低浓度煤层气蓄热氧化热能调控系统控制原理

3 热能调控试验研究

通过项目现场不同时间点的试验数据采集和分析，研究环境温度与热能负荷的关系、环境温度与高温烟气调节阀开度的关系、环境温度与原料气调节阀的开度及主风机频率的关系、环境温度与原料气调节阀的开度及主风机频率的关系，得出系统热能调节规律。

3.1 环境温度与热能负荷的关系

井筒加热负荷与环境温度和进风量有关，一般情况下井筒进风量不发生变化，所以井筒加热负荷仅与环境温度有关。建筑采暖负荷与环境温度和采暖面积有关，由于站场正常生产期间所有建筑物均正常采暖，采暖面积不发生变化，所以建筑采暖负荷也仅与环境温度有关。

不同环境温度下热能负荷的变化趋势如图3所示。从图3中可以看出，井筒加热负荷和建筑采暖负荷均随着环境温度的升高而降低，基本呈线性关系。

图3 不同环境温度下热负荷的变化趋势

3.2 环境温度与高温烟气调节阀开度的关系

供给井筒加热负荷的热风换热器前端管道上的烟气调节阀V2开度随环境温度的变化趋势如图4(a)所示，供给建筑采暖负荷的热水换热器前端管道上的烟气调节阀V3开度随环境温度的变化趋势如图4(b)所示。

图4 调节阀开度随环境温度的变化趋势

从图4中可以看出，烟气调节阀V2和V3的开度均随环境温度的升高而逐渐减小，而在环境温度接近0 ℃时，这种减小的趋势加快。这是因为在环境温度升高的情况下，井筒加热负荷和建筑采暖负荷减小，在蓄热氧化装置提供的高温烟气温度相对稳定的前提下，进入换热器所需的高温烟气量减少，因此2个调节阀的开度减小。而在环境温度接近0 ℃时，也就是调节阀开度低于15%时，调节阀开度减小趋势加快是由阀门自身特性决定的。

3.3 环境温度与原料气调节阀开度的关系

原料气调节阀V1的开度随环境温度的变化趋势如图5所示。从图5中可以看出，原料气调节阀V1的开度均随环境温度的升高而逐渐减小，而且在环境温度接近0 ℃时，这种减小的趋势有些加快。这是因为在环境温度升高的情况下，井筒加热负荷和建筑采暖负荷减小，在原料气瓦斯浓度相对稳定的前提下，进入蓄热氧化装置所需的原料气瓦斯量减少，因此原料气调节阀的开度减小。而在环境温度接近0 ℃时，也就是调节阀开度低于15%时，调节阀开度减小趋势加快是由阀门自身特性决定的。减小原料气调节阀V1的开度可以降低资源消耗，提高经济性。

图5 调节阀V1开度随环境温度的变化趋势

3.4 环境温度与主风机频率的关系

主风机是原料气进入蓄热氧化装置和高温烟气进入换热器的动力源，通过调节其频率，可以调节进入蓄热氧化装置的原料气量，进而调节热能的发生量，主风机频率与环境温度的变化关系如图6所示。从图6中可以看出，在一定环境温度范围内，主风机频率随环境温度的升高而逐渐减小，基本呈线性关系。这是因为在环境温度升高，用热负荷减小，在原料气瓦斯浓度相对稳定的前提下，进入蓄热氧化装置所需的混合原料气气量减少，因此主风机频率相应减小。减小主风机频率可以降低系统的运行电耗，提高经济性。

图6 主风机频率随环境温度的变化关系

由于在蓄热氧化装置运行过程中存在散热等因素，需要一定量的原料气来维持装置自身热量平衡，以保证正常运行，所以主风机频率不能低于一定值，同时原料气调节阀也不能关小到一定值。

4 结论

(1)在低浓度煤层气蓄热氧化井筒加热工艺运行过程中，当环境温度升高时，系统的2个热能利用点(井筒加热和建筑供暖)的用能负荷均减小。

(2)当环境温度升高时，通过适当减小烟气调节阀开度，并减小原料气调节阀开度和降低主风机频率等手段，可以保证煤层气蓄热氧化系统稳定运行的同时实现热能调控，减少原料煤层气和运行电能的浪费，提高经济效益。

(3)通过试验研究，掌握了项目用能负荷变化规律和热能调控规律，为低浓度煤层气蓄热氧化井筒加热系统的运行和热能调控提供了依据。