專利名稱：乏風氧化發電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及礦井低濃度瓦斯利用，特別是對礦井超低濃度瓦斯進行氧化并對反應熱進行高效熱電轉化的乏風氧化發電系統。
背景技術：
礦井生產中伴隨的瓦斯氣體，主要經過兩條途徑排放到大氣中瓦斯抽采泵站和中央回風井。依據《煤層氣(煤礦瓦斯)排放標準(暫行)》(GB 21522-2008)的規定，甲烷體積濃度高于30%的瓦斯氣體(稱為高濃度瓦斯)必須利用，禁止直接排放。而大多數礦井、的抽采瓦斯濃度在1(T25%之間，屬于允許直排的范圍，中央回風井排放的瓦斯濃度一般在
0.ro. 5%之間，最大不超過0. 75%。所以，這部分排放瓦斯一直都是當做廢氣被放空，其價值一直沒有被重視。抽采瓦斯氣體，濃度高于10 15%的部分，大多采用小型燃氣輪機或內燃機機組、蒸汽鍋爐的補充燃料發電，國內多家煤礦陸續建設了這類瓦斯發電站，效果還不錯。實際應用發現，瓦斯濃度的波動和抽采量的偏移比較大，發電出力遠小于設計值，但不影響運行。濃度在4 10%的較低濃度瓦斯，國內還在嘗試之中。從2000年開始，各地在利用煤層氣(濃度在30%以上的瓦斯)的過程中，逐步開發了低濃度瓦斯(15 25%)的利用技術，可以回收的甲烷濃度降低到了 4%的水平。對于4%以下濃度的甲烷利用，尤其對于占總空排量75%以上的濃度為0. 75%以下的瓦斯(乏風)，則幾乎難以利用。這部分瓦斯總量巨大，但濃度非常低，有的甚至低于0. 1%。據統計，我國煤礦每年乏風排入大氣的甲烷多達100 150億m3，基本沒有利用。據聯合國統計(1994)是190億m3，世界第一，占中國工業排放的1/3，占世界采煤排放的1/3。煤礦瓦斯的溫室效應是二氧化碳的21倍，每利用I億立方米甲烷，相當于減排150萬噸二氧化碳。將當下直接排放到大氣中的4%濃度以下巨量瓦斯氣體利用起來，通過氧化摧毀，并將反應熱發電產生效益，對碳減排及環境保護有極其重要和緊迫的意義。

發明內容
本發明目的在于提供一種乏風氧化發電系統，能將礦井中0. 1-0. 75%的超低濃度瓦斯配比成穩定的濃度流量，之后進入氧化裝置進行氧化摧毀，同時反應產生的熱能用于汽輪機高效發電，可輸出易于并網的穩定的電流。在此過程中95%以上甲烷氣體將被摧毀，產生碳減排效益。為達到上述目的，本發明采用以下技術方案
一種乏風氧化發電系統，是利用礦井低濃度瓦斯進行氧化摧毀并對反應熱進行高效熱電轉化的系統，其包含有乏風采集與混合系統、乏風氧化裝置、氧化熱回收發電裝置和尾氣排放系統，乏風采集與混合系統通過管道與乏風氧化裝置連接，通過高溫旁路將乏風氧化裝置與氧化熱回收發電裝置連接，乏風氧化裝置的低溫旁路連接尾氣排放系統。其中，乏風(VAM)采集與混合系統包含以下部件和裝置乏風井、煤礦瓦斯抽采泵站、百葉窗式集氣罩、帶旁路百葉窗閥和電動調節閥。百葉窗式集氣罩安裝在風井排放口上方，百葉窗式集氣罩帶有帶旁路百葉窗閥(百葉窗式擋板)，電動調節閥位于百葉窗式集氣罩和匯集管道前，風井通過匯集管道與集氣管道連接，集氣管道與煤礦抽采泵站的運輸管道一同并入摻混管道，最后與乏風氧化裝置連接。來自煤礦抽采泵站的抽采瓦斯的甲烷體積濃度至少為4%，通過一系列甲烷監控裝置進行控制注入乏風管道，與風井中抽采的濃度為0. 1-0. 75%的超低濃度瓦斯混合，然后混合后的乏風進入乏風氧化裝置中。優選的是，煤礦抽采泵站的抽采瓦斯(CMM)，其甲烷體積濃度為4-30%。優選的是，混合后的乏風，甲烷體積濃度為0. 3-4. 0%。更優選的是，混合后的乏風，甲烷體積濃度為0. 8-1. 5%。優選的是，匯集管道為碳鋼材料。
優選的是，集氣管道為碳鋼材料。優選的是，摻混管道為混凝土或碳鋼材料。優選的是，如上所述的摻混管道，其還包括礦井瓦斯注入柵極、甲烷檢測器、流量計、溫度計和壓力變送器中的任意一種或幾種。優選的是，瓦斯抽采泵站的運輸管道上安裝有甲烷檢測器。乏風氧化裝置其包含有塔結構、引風口、熱風出口和冷風出口，其中，塔結構中包含增壓燃燒室、氧化反應床、增壓氣室和噴燃器。增壓氣室位于氧化反應床下方，并與引風口和冷熱出風口相連接，氧化反應床分別位于塔體的兩邊。優選的是，塔結構的外殼為鋼材質。優選的是，如上所述的塔結構采用雙塔結構設計，其包含有氧化反應床、增壓氣室、增壓燃燒室和噴燃器。優選的是，如上所述的氧化反應床為陶瓷床。優選的是，氧化反應床上安裝有測溫熱電偶。氧化熱回收發電裝置包含氧化熱(余熱)回收裝置、汽輪機和發電機組，從乏風氧化裝置出來的熱煙氣進入氧化熱回收裝置進行氧化熱的回收，然后利用于發電。優選的是，如上所述的汽輪機，其進汽壓力為3. 82 8. 83MPa，進汽溫度為為45(T540°C的高溫蒸汽。優選的是，發電機組為蒸汽動力發電機組。如上所述的氧化熱回收裝置包含預置蒸發器、蒸發器、過熱器、省煤器和鍋筒。優選的是，如上所述的預置蒸發器包含有水冷壁。優選的是，如上所述的蒸發器包含光管蒸發器和鰭片管蒸發器。氧化熱鍋爐將高溫煙氣轉化為3. 82 8. 83MPa，溫度為45(T540°C的高溫蒸汽，通過管道接入汽輪機，汽輪機將蒸汽的內能轉化為動能，帶動發電機發電。氧化熱回收發電裝置的連接安裝為本領域技術人員的公知常識，在此不予贅述。尾氣排放系統乏風氧化系統產生的熱風和冷風通過高溫旁路和低溫旁路分別排出。高溫旁路排出的氧化熱風進入到氧化熱回收發電裝置用于發電。熱風經過氧化熱回收發電裝置之后變成冷風，與低溫旁路排出的冷風一起通過煙囪直接排放到大氣中，它們經過氧化已經幾乎不含甲烷。乏風氧化發電系統的工作原理礦井中的乏風(濃度為0. r0. 75%)通過百葉窗式集氣罩進行收集，收集以后的乏風通過匯集管道和集氣管道的運輸與煤礦抽采泵站的抽采瓦斯在管道中混合，煤礦抽采泵站抽采瓦斯的入口安裝有甲烷檢測器，用于監控瓦斯中的甲烷濃度，摻混管道依次安裝有礦井瓦斯注入柵極、流量計、溫度計和壓力變送器，這些裝置用于檢測計算甲烷的混合情況。瓦斯在摻混管道中混合成濃度為0. 3 4%之間的乏風后進入氧化裝置。乏風采集與混合系統通過碳鋼管道與乏風氧化裝置連接。在乏風被引入前，通過噴燃器將氧化反應床加熱到至少900°C，然后噴燃器熄火，乏風隔離門打開，讓引風扇驅動乏風從下向上垂直地通過氧化反應床，塔體為絕熱保護，氧化反應床保持高溫，當乏風通過第一個氧化反應床進入上方的增壓燃燒室時，乏風中所含甲烷在瞬間被氧化，在氧化床空間釋放氧化熱，這些氧化熱加熱周圍環境中的氣體，被加熱的氣體進入到第二個較冷的氧化反應床時(第一個氧化反應床因為甲烷氧化釋放熱量，所以溫度高于第二個氧化反應床)，氧化床能有效的吸收熱量，只要乏風中的甲烷濃度大于0. 3%，產生的氧化熱將大于逃逸掉的熱量，即所產生的氧化熱除了可以滿足氧化裝置自身熱氧化環境的熱量需求，還會產生多余的熱量，根據乏風進口溫度和排氣溫度之差，調整乏風氣體在塔內的流動方向，使其交替逆流換向(左進右出，右進左出，交替變換)。當氧化反應所釋放的熱量超出維持氧化反應所需的熱量，這些氧化熱便通過氧化熱回收裝置回收用于發電。
優選的是，在乏風被引入前，噴燃器將氧化反應床加熱到900°C以上。本發明的有益效果為該系統能將礦井中超低濃度瓦斯(乏風)配比成0. 3 4. 0%之間穩定的濃度流量，之后進入氧化裝置進行氧化摧毀，同時反應產生的熱能用于汽輪機高效發電，可輸出易于并網的穩定的電流，在此過程中95%以上甲烷氣體將被摧毀，產生碳減排效益。假設礦井乏風甲烷濃度為0.3%，流量為108萬Nm3/h，年處理礦井乏風946080萬Nm3，每年溫室氣體減排120萬噸CO2當量，年回收熱量350400GJ，年發電約2億度。


圖I為按照本發明的乏風氧化發電系統流程示意圖。圖2為按照本發明的一乏風采集與混合系統的結構的一優選實施例的示意 圖3為按照本發明的一乏風氧化裝置的一優選實施例的結構示意 圖4為按照本發明的一氧化熱回收發電系統 圖5為尾氣排放系統的一優選實施例的示意 圖中各部件編號分別為1_乏風井；2_百葉窗式集氣罩；3_電動調節閥；4_匯集管道；
5-碳鋼集氣管道；6_煤礦瓦斯抽采泵站；7_摻混管道；8_瓦斯注入柵極；9_甲烷檢測器；10-甲烷檢測器；11-流量計；12-溫度計；13-壓力變送器；14-乏風氧化裝置；15-引風口；16-冷風出口 ； 17-熱風出口 ； 18-塔結構；19-增壓燃燒室；20_氧化反應床；21_增壓氣室；22-噴燃器；23_煙囪；24_預熱蒸發器；25_過熱器；26_蒸發器；27_省煤器；28_汽輪機；29-蒸汽發電機組；30_氧化熱回收裝置；a-乏風流入方向；b-乏風流入方向；c-高溫旁路；d-低溫旁路。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的若干實施例作進一步的描述
按照本發明的氧化乏風發電系統包含乏風采集與混合系統、乏風氧化裝置、氧化熱回收發電裝置和尾氣排放系統，連接流程圖如圖I所示。其中，乏風采集與混合系統的一優選結構如圖2所示，其包含包含乏風井1，百葉窗式集氣罩2，電動調節閥3，匯集管道4，碳鋼集氣管道5，瓦斯抽采泵站6，摻混管道7，礦井瓦斯注入柵極8，甲烷檢測器9，甲烷檢測器10，流量計11，溫度計12和壓力變送器13。百葉窗式集氣罩2安裝在乏風井I排放口上方，帶旁路百葉窗閥，采用電動執行機構進行調節，電動調節閥3安裝在集氣罩后，其位于百葉窗式集氣罩2和匯集管道4前，乏風井I通過匯集管道4與碳鋼集氣管道5連接，碳鋼集氣管道5與煤礦瓦斯抽采泵站6的運輸管道一同并入摻混管道7，然后與氧化乏風裝置14連接，甲烷檢測器10位于煤礦瓦斯抽采泵站的運輸管道上，用于檢測抽采泵站的瓦斯注入濃度。摻混管道包括礦井瓦斯注入柵極8、甲烷檢測器，9、流量計11 、溫度計12和壓力變送器13。乏風氧化裝置如附圖3所示，其包含引風口 15，冷風出口 16，熱風出口 17和塔結構18，該塔結構為雙塔結構，其包含有增壓燃燒室19，氧化反應陶瓷床20，增壓氣室21和噴燃器22，其中，氧化反應陶瓷床20上安裝有測溫熱電偶。增壓氣室21位于氧化反應陶瓷床20下方，每個增壓氣室下端分別連接通過管道連接引風口和冷風出口，熱風出口位于塔結構上方，并與如圖4所示的氧化熱回收發電裝置連接，氧化熱回收發電裝置包含氧化熱回收裝置、汽輪機28和電機組29，氧化熱回收裝置包含預置蒸發器24、過熱器25、蒸發器26和省煤器27，從乏風氧化裝置出來的熱煙氣進入氧化熱回收裝置依次經過預置蒸發器24、過熱器25、蒸發器26和省煤器27進行氧化熱的回收，然后利用于發電。如圖5所示的尾氣排放系統，氧化反應的低溫冷風從冷風出口通過低溫旁路d經煙囪23排到大氣中，氧化反應后的高溫氣體從熱風出口流出，通過高溫旁路c與氧化熱回收裝置30連接，熱風在經過回收裝置之后，通過管道e經煙囪排放到大氣中。礦井中的乏風(濃度為0. ro. 75%)通過百葉窗式集氣罩進行收集，調節閥可調節其收集時的流速大小，收集以后的乏風通過碳鋼集氣管道的運輸然后與抽采瓦斯(濃度為4 30%)混合進入摻混管道，瓦斯抽采入口安裝有甲烷檢測器，用于檢測抽采瓦斯的甲烷濃度，摻混管道依次安裝有礦井瓦斯注入柵極、流量計、溫度計、甲烷檢測器和壓力變送器，用于檢測計算甲烷的混合情況。瓦斯在摻混管道中混合成濃度為0. 1-4%的乏風后進入乏風氧化裝置。乏風采集與混合系統通過管道與乏風氧化裝置連接。在乏風被引入前，通過丙烷噴燃器22將氧化反應床加熱到900-960°C，然后噴燃器熄火，乏風通過引風口從下向上垂直地通過氧化反應床，塔體為絕熱保護，氧化反應床保持高溫，當乏風通過第一個氧化反應床進入上方的增壓燃燒室時，乏風中所含甲烷在瞬間被氧化，在氧化床空間釋放氧化熱，這些氧化熱加熱周圍環境中的氣體，被加熱的氣體進入到第二個較冷的氧化反應床時，氧化床能有效的吸收熱量，只要乏風中的甲烷濃度達到0. 3%，產生的氧化熱將大于逃逸掉的熱量，即所產生的氧化熱除了可以滿足氧化裝置自身熱氧化環境的熱量需求，還會產生多余的熱量，該氧化系統就能自動循環。為了使得兩個氧化反應床維持氧化所需的高溫，以確保兩者溫差大約在60°C左右，并使兩氧化反應床維持氧化所需的900°C以上高溫，每隔一段時間變換乏風的流入方向，從a — b或b — a。通過乏風氧化系統產生的熱風和冷風通過高溫旁路和低溫旁路分別排出。高溫旁路排出的熱風即氧化反應的氧化熱進入到氧化熱回收發電裝置用于氧化熱回收發電，高溫旁路出來的熱風，經過余熱回收裝置之后已經變成冷風，與低溫旁路排出的冷風一起通過尾氣排放系統的煙囪直接排放到大氣中，排放的氣體經氧化后幾乎不含甲烷。
本領域技術人員可以理解，按照本發明的乏風氧化發電系統包括了上述各部分的
任意組合。
以上所述僅為本發明的優選實施例，并不能限定本發明，可以肯定的是凡在本發 明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.ー種乏風氧化發電系統，是利用礦井低濃度瓦斯進行氧化摧毀并對反應熱進行高效熱電轉化的系統，其特征在干包含有乏風采集與混合系統、乏風氧化裝置、氧化熱回收發電裝置和尾氣排放系統，乏風采集與混合系統通過管道與乏風氧化裝置連接，通過高溫旁路將乏風氧化裝置與氧化熱回收發電裝置連接，乏風氧化裝置的低溫旁路連接尾氣排放系統。
2.根據權利要求I所述的乏風氧化發電系統，其特征在于礦井乏風采集與混合系統包含以下部件和裝置乏風井(I)、百葉窗式集氣罩(2)、帶旁路百葉窗閥和電動調節閥(3)、煤礦瓦斯抽采泵站(6);百葉窗式集氣罩(2)安裝在風井排放口上方，百葉窗式集氣罩帶有帶旁路百葉窗閥，電動調節閥位于百葉窗式集氣罩和匯集管道(4)前，乏風井(I)通過匯集管道(4)與集氣管道連接，集氣管道與煤礦抽采泵站的運輸管道一同并入摻混管道(7),最后與乏風氧化裝置(14)連接。
3.根據權利要求2所述的乏風氧化發電系統，其特征在于煤礦抽采泵站的抽采瓦斯的甲烷體積濃度至少為4%，通過一系列甲烷監控裝置進行控制注入乏風管道，與風井中抽采的濃度為0. 1-0. 75%的超低濃度瓦斯混合，然后混合后的乏風進入乏風氧化裝置中。
4.根據權利要求3所述的乏風氧化發電系統，其特征在于煤礦抽采泵站的抽采瓦斯的甲烷體積濃度為4-30%。
5.根據權利要求3所述的乏風氧化發電系統，其特征在于混合后的乏風的甲烷體積濃度為0. 3-4. 0%。
6.根據權利要求3所述的乏風氧化發電系統，其特征在于混合后的乏風的甲烷體積濃度為0. 8-1. 5%。
7.根據權利要求2所述的乏風氧化發電系統，其特征在于匯集管道為碳鋼材料。
8.根據權利要求2所述的乏風氧化發電系統，其特征在于集氣管道為碳鋼材料。
9.根據權利要求2所述的乏風氧化發電系統，其特征在于摻混管道為混凝土或碳鋼材料。
10.根據權利要求2所述的乏風氧化發電系統，其特征在于摻混管道還包括有礦井瓦斯注入柵極、甲烷檢測器、流量計、溫度計和壓力變送器中的任意ー種或幾種。
全文摘要
本發明涉及一種乏風氧化發電系統，包含乏風采集與混合系統、乏風氧化裝置、氧化熱回收發電裝置和尾氣排放系統。瓦斯采集與混合系統包含以下部件和裝置乏風井、煤礦瓦斯抽采泵站、百葉窗式集氣罩、帶旁路百葉窗閥和電動調節閥。乏風氧化裝置，其包含有塔結構、引風口、熱風出口和冷風出口，其中，塔結構中包含增壓燃燒室、氧化反應床、增壓氣室和噴燃器。氧化熱回收發電裝置包含氧化熱回收裝置、汽輪機和發電機組，從乏風氧化裝置出來的高溫煙氣進入氧化熱回收裝置進行回收后用于發電。氧化熱利用后幾乎不含甲烷的尾氣，通過煙囪直接排放到大氣中。
文檔編號F01K27/00GK102733872SQ20121021447
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年4月1日
發明者于萬紀, 何勇 申請人:浙江億揚能源科技有限公司