煤层气蓄热氧化热能调控模拟研究

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)

我国有大量低浓度煤层气因为所含的甲烷体积分数过低而被直排进入大气，造成了资源浪费和环境污染[1-4]。煤层气蓄热氧化技术能解决低浓度煤层气利用难的问题[5]，该技术以煤矿抽采的低浓度煤层气为原料，经过蓄热氧化装置和热能利用装置能将甲烷氧化释放的热量取出加以利用[6-11]。

低浓度煤层气的主要成分为空气、甲烷和水，经过蓄热氧化装置时，甲烷与空气中的氧气发生氧化反应生成二氧化碳和水并放出热量，氧化反应产物以800 ℃以上的高温烟气形式存在，其主要成分为空气和水蒸气[12-16]。将该高温烟气送入热交换装置可实现煤矿井筒加热、建筑物供暖、煤矿洗浴和生活用热供给等；通过发电机组可以实现发电上网；通过溴化锂制冷机组可以实现煤矿夏季供冷；也可以作为热源气体直接用于煤泥烘干[17]。由于煤矿存在夏季制冷负荷多、冬季用热负荷多、夜晚用电负荷较多、环境温度降低时井筒加热负荷增加的现象，因此不同季节、不同时刻、不同环境温度下的用热、用电、用冷需求不同。为实现能量利用的最佳调配，避免造成热能浪费，需要在满足不同热能需求的基础上厘清煤层气蓄热氧化系统热能调节的规律并加以控制，进而达到节能的目的。

笔者采用Hysys软件对煤层气蓄热氧化系统热能调节过程进行模拟研究，以期得出热能调节控制规律，并在阳煤一矿杨坡堰低浓度煤层气蓄热氧化利用项目中验证其调控效果。

1 模型建立

以甲烷体积分数为10%的煤层气和空气为气源，结合混配系统、蓄热氧化系统，以及煤矿办公区制冷、建筑供暖、井筒加热、洗浴及用电5种热能负荷需求为例进行模拟分析。模拟采用的热能利用工艺流程如图1所示。

图1 煤层气蓄热氧化热能利用工艺流程图

根据图1的工艺流程，采用Hysys软件建立煤层气蓄热氧化热能调节模型，模拟不同温度、不同时段下各用能设备所需高温烟气流量的变化趋势。甲烷体积分数为10%的煤层气原料气与空气在混配器内均匀混合至甲烷体积分数为1.2%[18]，然后进入蓄热氧化装置，在蓄热氧化装置内甲烷发生氧化反应释放热量产生高温烟气(典型工况下烟气组分：氮气体积分数为76.89%，氧气体积分数为18.42%，二氧化碳体积分数为1.18%，水蒸气体积分数为2.51%，甲烷体积分数为0.06%，稀有气体体积分数为0.92%)，该高温烟气有一部分流经蓄热氧化装置内的蓄热体进行换热以维持蓄热氧化装置自身热平衡，另一部分经高温烟气取气口进入后端气气换热器、热水换热器、热水锅炉、溴化锂制冷机组、发电机组等热能利用装置进行热能利用。高温烟气进入热能利用装置的流量由装置前端的高温烟气阀门调节控制[19]。

以阳煤五矿小南庄低浓度煤层气蓄热氧化利用项目为例，该项目采用1台低浓度瓦斯处理规模为60 000 m3/h(标准状况下，以下类同)的蓄热氧化装置[20]，单台蓄热氧化装置的基本工艺参数如表1 所示。

表1 蓄热氧化装置基本工艺参数

系统后端热能利用装置主要参数如表2所示。

表2 系统热能利用装置主要工艺参数

表2中因烟气流量变化所引起的换热设备换热效率变化较小，不影响对热能调控的定性研究，故在模拟中忽略其影响，将换热效率设为定值。

煤层气蓄热氧化热能利用系统在每天不同时段的环境温度参数如表3所示。

表3 系统每天不同时段环境温度参数

2 模拟过程及结果分析

通常情况下，煤矿在夏季(4月至10月)有办公区制冷需求，无井筒加热及供暖需求；在冬季(11月至次年3月)有井筒加热及供暖需求，无制冷需求；在全年有洗浴用热需求，但每天洗浴用热需求集中在07:00至09:00、15:00至17:00、23:00至次日01:00；在全年有用电需求，用电高峰集中在18:00至06:00。

2.1 夏季烟气流量变化规律

在面积一定的情况下办公区制冷所需负荷仅与环境温度有关。环境温度升高，用能负荷增加，模拟中设定环境温度高于20 ℃时开始供冷。不同环境温度下进入制冷机组的高温烟气流量变化如图2所示。

图2 制冷负荷一定的情况下进入制冷机组的高温烟气流量随环境温度的变化曲线

由图2可知，在夏季(开始供冷后)进入制冷机组的烟气流量与环境温度基本呈线性关系，环境温度升高，烟气流量增大。

每天不同时段进入制冷机组的高温烟气流量变化趋势如图3所示。

图3 每天不同时段进入制冷机组的烟气流量变化曲线

由图3可见，在夏季白天进入制冷机组的烟气流量自06:00逐渐增大至13:00达到峰值后逐渐减小，与环境温度在一天内呈现的变化趋势一致。

2.2 冬季烟气流量变化规律

在井筒进风量不变的情况下，井筒加热所需负荷仅与环境温度有关；在采暖面积一定时，建筑采暖所需负荷也仅与环境温度有关。

环境温度升高，用能负荷减少。模拟中设定环境温度低于2 ℃时启动井筒加热系统，当环境温度低于10 ℃时启动建筑供暖。不同环境温度下进入气气换热器及热水换热器的高温烟气流量变化曲线如图4所示。

图4 加热负荷一定的情况下进入气气换热器及热水换热器的高温烟气流量随环境温度的变化曲线

由图4可知，在冬季进入气气换热器及热水换热器的烟气流量与环境温度基本呈线性关系，环境温度升高，烟气流量减小。

每天不同时段进入气气换热器及热水换热器的高温烟气流量变化趋势如图5所示。

图5 每天不同时段进入气气换热器及热水换热器的烟气流量变化曲线

由图5可知，在冬季进入气气换热器及热水换热器的烟气流量自06:00至14:00逐渐减小，自 14:00 至22:00逐渐增大。

2.3 不同时段热水锅炉的烟气流量变化规律

在每个班组洗浴人数一定的情况下，洗浴热负荷与环境温度、时段有关。环境温度升高时用能负荷减小，交班时用能负荷增大。以夏季每天进入热水锅炉的烟气流量为例，不同时段的烟气流量的变化曲线如图6所示。

图6 夏季不同时段进入热水锅炉的烟气流量的变化曲线

由图6可知，进入热水锅炉的烟气流量从下午到夜晚整体呈上升趋势，从凌晨到上午整体呈下降趋势，但在07:00至09:00、15:00至17:00、23:00至次日01:00有突变性增加，这是因为该时间段正是交班时间，洗浴人数陡增致使洗浴负荷陡增。

2.4 不同时段发电机组的烟气流量变化规律

由于煤矿用电负荷规模较大，煤层气蓄热氧化系统所能产生的电能远低于煤矿总体用电负荷，因此，在本系统中发电机组产生的电能仅作为煤矿用电的补充，同时蓄热氧化系统产生的热能优先保证煤矿办公区制冷、井筒加热、建筑供暖及洗浴的用能需求。在夏季和冬季不同时段进入发电机组的烟气流量的变化趋势如图7所示。

图7 夏季和冬季不同时段进入发电机组的烟气流量的变化曲线

由图7可知，夏季进入发电机组的烟气流量从下午到夜晚整体呈上升趋势，从凌晨到中午整体呈下降趋势；冬季进入发电机组的烟气流量从下午到夜晚整体呈下降趋势，从凌晨到中午整体呈上升趋势。

2.5 高温烟气阀门调控规律

在煤层气蓄热氧化系统中，通过调节高温烟气阀门实现烟气流量控制，夏季关闭进入气气换热器及热水换热器的烟气阀门，且当环境温度升高时，通过增大进入制冷机组的烟气阀门开度、减小进入热水锅炉的烟气阀门开度、减小进入发电机组的烟气阀门开度来增大或者减小烟气流量；冬季则关闭进入制冷机组的烟气阀门，且当环境温度升高时，通过减小进入气气换热器及热水换热器的烟气阀门开度、减小进入热水锅炉的烟气阀门开度、增大进入发电机组的烟气阀门开度来增大或者减小烟气流量，以实现热能的充分利用，避免能源浪费。

3 应用效果

阳煤一矿杨坡堰低浓度煤层气蓄热氧化利用项目位于距离煤矿工业广场及办公区较远的风井站场，站场有井筒加热和建筑物供暖需求，无制冷、洗浴及发电需求，因此，项目设计有针对井筒加热和站场建筑物供暖的热能调控系统。项目井筒进风量为 21 000 m3/min，室外温度为-20.3 ℃时，井筒内进风温度不低于 2 ℃，建筑物采暖供/回水温度不低于85 ℃/60 ℃，系统低浓度瓦斯处理规模为 160 000 m3/h，抽采瓦斯浓度(甲烷体积分数)为 4%～25%，井筒防冻热负荷为10 096 kW，站场建筑物采暖热负荷为344 kW。

由于项目在实际设计建设时以当地室外最低温度为依据，当环境温度高于最低温度时就会出现系统热能浪费现象。为减少这种浪费，系统在运行过程中借鉴上述模拟研究结果，在环境温度升高时，通过减小用于井筒加热的气气换热器前端烟气阀门开度以减小进入气气换热器的烟气流量，进而控制井筒进风温度；通过减小用于建筑供暖的热水换热器前端烟气阀门开度以减小进入热水换热器的烟气流量，进而控制供回水温度；由于没有发电机组辅助调节，本项目中采用调节原料煤层气进气量的方式实现辅助调控。系统运行期间不同环境温度下井筒进风温度与建筑供暖供水温度关系如图8所示。

图8 不同环境温度下井筒进风温度与建筑供暖供水温度的变化曲线

由图8可知，当环境温度发生较大变化时，井筒进风温度基本保持在3～5 ℃，建筑供暖供水温度基本保持在85～88 ℃，均能维持在一个较小的波动范围，表明通过上述热能调控可使煤层气蓄热氧化系统的热能利用更加稳定，减少了能源浪费。

4 结论

1)当夏季环境温度升高时，在煤层气蓄热氧化热能利用系统中，办公区制冷用能负荷增加，应相应增大进入制冷机组的烟气流量，减小进入发电机组的烟气流量。

2)当冬季环境温度升高时，在煤层气蓄热氧化热能利用系统中，井筒加热及建筑供暖用能负荷减少，应相应减小进入气气换热器和热水换热器的烟气流量，增大进入发电机组的烟气流量。

3)当煤矿作业交班时，在煤层气蓄热氧化热能利用系统中，洗浴用能负荷增加，应相应增大进入热水锅炉的烟气流量，适当减小进入发电机组的烟气流量。

4)通过调节分配烟气流量，能较好地进行煤层气蓄热氧化热能调控，能够实现热能最佳调配，减少能源浪费。