专利名称：乏风氧化发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿井低浓度瓦斯利用，特别是对矿井超低浓度瓦斯进行氧化并对反应热进行高效热电转化的乏风氧化发电系统。
背景技术：
矿井生产中伴随的瓦斯气体，主要经过两条途径排放到大气中瓦斯抽采泵站和中央回风井。依据《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂行)》(GB 21522-2008)的规定，甲烷体积浓度高于30%的瓦斯气体(称为高浓度瓦斯)必须利用，禁止直接排放。而大多数矿井、的抽采瓦斯浓度在1(T25%之间，属于允许直排的范围，中央回风井排放的瓦斯浓度一般在
0.ro. 5%之间，最大不超过0. 75%。所以，这部分排放瓦斯一直都是当做废气被放空，其价值一直没有被重视。抽采瓦斯气体，浓度高于10 15%的部分，大多采用小型燃气轮机或内燃机机组、蒸汽锅炉的补充燃料发电，国内多家煤矿陆续建设了这类瓦斯发电站，效果还不错。实际应用发现，瓦斯浓度的波动和抽采量的偏移比较大，发电出力远小于设计值，但不影响运行。浓度在4 10%的较低浓度瓦斯，国内还在尝试之中。从2000年开始，各地在利用煤层气(浓度在30%以上的瓦斯)的过程中，逐步开发了低浓度瓦斯(15 25%)的利用技术，可以回收的甲烷浓度降低到了 4%的水平。对于4%以下浓度的甲烷利用，尤其对于占总空排量75%以上的浓度为0. 75%以下的瓦斯(乏风)，则几乎难以利用。这部分瓦斯总量巨大，但浓度非常低，有的甚至低于0. 1%。据统计，我国煤矿每年乏风排入大气的甲烷多达100 150亿m3，基本没有利用。据联合国统计(1994)是190亿m3，世界第一，占中国工业排放的1/3，占世界采煤排放的1/3。煤矿瓦斯的温室效应是二氧化碳的21倍，每利用I亿立方米甲烷，相当于减排150万吨二氧化碳。将当下直接排放到大气中的4%浓度以下巨量瓦斯气体利用起来，通过氧化摧毁，并将反应热发电产生效益，对碳减排及环境保护有极其重要和紧迫的意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种乏风氧化发电系统，能将矿井中0. 1-0. 75%的超低浓度瓦斯配比成稳定的浓度流量，之后进入氧化装置进行氧化摧毁，同时反应产生的热能用于汽轮机高效发电，可输出易于并网的稳定的电流。在此过程中95%以上甲烷气体将被摧毁，产生碳减排效益。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案
一种乏风氧化发电系统，是利用矿井低浓度瓦斯进行氧化摧毁并对反应热进行高效热电转化的系统，其包含有乏风采集与混合系统、乏风氧化装置、氧化热回收发电装置和尾气排放系统，乏风采集与混合系统通过管道与乏风氧化装置连接，通过高温旁路将乏风氧化装置与氧化热回收发电装置连接，乏风氧化装置的低温旁路连接尾气排放系统。其中，乏风(VAM)采集与混合系统包含以下部件和装置乏风井、煤矿瓦斯抽采泵站、百叶窗式集气罩、带旁路百叶窗阀和电动调节阀。百叶窗式集气罩安装在风井排放口上方，百叶窗式集气罩带有带旁路百叶窗阀(百叶窗式挡板)，电动调节阀位于百叶窗式集气罩和汇集管道前，风井通过汇集管道与集气管道连接，集气管道与煤矿抽采泵站的运输管道一同并入掺混管道，最后与乏风氧化装置连接。来自煤矿抽采泵站的抽采瓦斯的甲烷体积浓度至少为4%，通过一系列甲烷监控装置进行控制注入乏风管道，与风井中抽采的浓度为0. 1-0. 75%的超低浓度瓦斯混合，然后混合后的乏风进入乏风氧化装置中。优选的是，煤矿抽采泵站的抽采瓦斯(CMM)，其甲烷体积浓度为4-30%。优选的是，混合后的乏风，甲烷体积浓度为0. 3-4. 0%。更优选的是，混合后的乏风，甲烷体积浓度为0. 8-1. 5%。优选的是，汇集管道为碳钢材料。
优选的是，集气管道为碳钢材料。优选的是，掺混管道为混凝土或碳钢材料。优选的是，如上所述的掺混管道，其还包括矿井瓦斯注入栅极、甲烷检测器、流量计、温度计和压力变送器中的任意一种或几种。优选的是，瓦斯抽采泵站的运输管道上安装有甲烷检测器。乏风氧化装置其包含有塔结构、引风口、热风出口和冷风出口，其中，塔结构中包含增压燃烧室、氧化反应床、增压气室和喷燃器。增压气室位于氧化反应床下方，并与引风口和冷热出风口相连接，氧化反应床分别位于塔体的两边。优选的是，塔结构的外壳为钢材质。优选的是，如上所述的塔结构采用双塔结构设计，其包含有氧化反应床、增压气室、增压燃烧室和喷燃器。优选的是，如上所述的氧化反应床为陶瓷床。优选的是，氧化反应床上安装有测温热电偶。氧化热回收发电装置包含氧化热(余热)回收装置、汽轮机和发电机组，从乏风氧化装置出来的热烟气进入氧化热回收装置进行氧化热的回收，然后利用于发电。优选的是，如上所述的汽轮机，其进汽压力为3. 82 8. 83MPa，进汽温度为为45(T540°C的高温蒸汽。优选的是，发电机组为蒸汽动力发电机组。如上所述的氧化热回收装置包含预置蒸发器、蒸发器、过热器、省煤器和锅筒。优选的是，如上所述的预置蒸发器包含有水冷壁。优选的是，如上所述的蒸发器包含光管蒸发器和鳍片管蒸发器。氧化热锅炉将高温烟气转化为3. 82 8. 83MPa，温度为45(T540°C的高温蒸汽，通过管道接入汽轮机，汽轮机将蒸汽的内能转化为动能，带动发电机发电。氧化热回收发电装置的连接安装为本领域技术人员的公知常识，在此不予赘述。尾气排放系统乏风氧化系统产生的热风和冷风通过高温旁路和低温旁路分别排出。高温旁路排出的氧化热风进入到氧化热回收发电装置用于发电。热风经过氧化热回收发电装置之后变成冷风，与低温旁路排出的冷风一起通过烟囱直接排放到大气中，它们经过氧化已经几乎不含甲烷。乏风氧化发电系统的工作原理矿井中的乏风(浓度为0. r0. 75%)通过百叶窗式集气罩进行收集，收集以后的乏风通过汇集管道和集气管道的运输与煤矿抽采泵站的抽采瓦斯在管道中混合，煤矿抽采泵站抽采瓦斯的入口安装有甲烷检测器，用于监控瓦斯中的甲烷浓度，掺混管道依次安装有矿井瓦斯注入栅极、流量计、温度计和压力变送器，这些装置用于检测计算甲烷的混合情况。瓦斯在掺混管道中混合成浓度为0. 3 4%之间的乏风后进入氧化装置。乏风采集与混合系统通过碳钢管道与乏风氧化装置连接。在乏风被引入前，通过喷燃器将氧化反应床加热到至少900°C，然后喷燃器熄火，乏风隔离门打开，让引风扇驱动乏风从下向上垂直地通过氧化反应床，塔体为绝热保护，氧化反应床保持高温，当乏风通过第一个氧化反应床进入上方的增压燃烧室时，乏风中所含甲烷在瞬间被氧化，在氧化床空间释放氧化热，这些氧化热加热周围环境中的气体，被加热的气体进入到第二个较冷的氧化反应床时(第一个氧化反应床因为甲烷氧化释放热量，所以温度高于第二个氧化反应床)，氧化床能有效的吸收热量，只要乏风中的甲烷浓度大于0. 3%，产生的氧化热将大于逃逸掉的热量，即所产生的氧化热除了可以满足氧化装置自身热氧化环境的热量需求，还会产生多余的热量，根据乏风进口温度和排气温度之差，调整乏风气体在塔内的流动方向，使其交替逆流换向(左进右出，右进左出，交替变换)。当氧化反应所释放的热量超出维持氧化反应所需的热量，这些氧化热便通过氧化热回收装置回收用于发电。
优选的是，在乏风被引入前，喷燃器将氧化反应床加热到900°C以上。本发明的有益效果为该系统能将矿井中超低浓度瓦斯(乏风)配比成0. 3 4. 0%之间稳定的浓度流量，之后进入氧化装置进行氧化摧毁，同时反应产生的热能用于汽轮机高效发电，可输出易于并网的稳定的电流，在此过程中95%以上甲烷气体将被摧毁，产生碳减排效益。假设矿井乏风甲烷浓度为0.3%，流量为108万Nm3/h，年处理矿井乏风946080万Nm3，每年温室气体减排120万吨CO2当量，年回收热量350400GJ，年发电约2亿度。
图I为按照本发明的乏风氧化发电系统流程示意图。图2为按照本发明的一乏风采集与混合系统的结构的一优选实施例的示意 图3为按照本发明的一乏风氧化装置的一优选实施例的结构示意 图4为按照本发明的一氧化热回收发电系统 图5为尾气排放系统的一优选实施例的示意 图中各部件编号分别为1_乏风井；2_百叶窗式集气罩；3_电动调节阀；4_汇集管道；
5-碳钢集气管道；6_煤矿瓦斯抽采泵站；7_掺混管道；8_瓦斯注入栅极；9_甲烷检测器；10-甲烷检测器；11-流量计；12-温度计；13-压力变送器；14-乏风氧化装置；15-引风口；16-冷风出口 ； 17-热风出口 ； 18-塔结构；19-增压燃烧室；20_氧化反应床；21_增压气室；22-喷燃器；23_烟囱；24_预热蒸发器；25_过热器；26_蒸发器；27_省煤器；28_汽轮机；29-蒸汽发电机组；30_氧化热回收装置；a-乏风流入方向；b-乏风流入方向；c-高温旁路；d-低温旁路。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的若干实施例作进一步的描述
按照本发明的氧化乏风发电系统包含乏风采集与混合系统、乏风氧化装置、氧化热回收发电装置和尾气排放系统，连接流程图如图I所示。其中，乏风采集与混合系统的一优选结构如图2所示，其包含包含乏风井1，百叶窗式集气罩2，电动调节阀3，汇集管道4，碳钢集气管道5，瓦斯抽采泵站6，掺混管道7，矿井瓦斯注入栅极8，甲烷检测器9，甲烷检测器10，流量计11，温度计12和压力变送器13。百叶窗式集气罩2安装在乏风井I排放口上方，带旁路百叶窗阀，采用电动执行机构进行调节，电动调节阀3安装在集气罩后，其位于百叶窗式集气罩2和汇集管道4前，乏风井I通过汇集管道4与碳钢集气管道5连接，碳钢集气管道5与煤矿瓦斯抽采泵站6的运输管道一同并入掺混管道7，然后与氧化乏风装置14连接，甲烷检测器10位于煤矿瓦斯抽采泵站的运输管道上，用于检测抽采泵站的瓦斯注入浓度。掺混管道包括矿井瓦斯注入栅极8、甲烷检测器，9、流量计11 、温度计12和压力变送器13。乏风氧化装置如附图3所示，其包含引风口 15，冷风出口 16，热风出口 17和塔结构18，该塔结构为双塔结构，其包含有增压燃烧室19，氧化反应陶瓷床20，增压气室21和喷燃器22，其中，氧化反应陶瓷床20上安装有测温热电偶。增压气室21位于氧化反应陶瓷床20下方，每个增压气室下端分别连接通过管道连接引风口和冷风出口，热风出口位于塔结构上方，并与如图4所示的氧化热回收发电装置连接，氧化热回收发电装置包含氧化热回收装置、汽轮机28和电机组29，氧化热回收装置包含预置蒸发器24、过热器25、蒸发器26和省煤器27，从乏风氧化装置出来的热烟气进入氧化热回收装置依次经过预置蒸发器24、过热器25、蒸发器26和省煤器27进行氧化热的回收，然后利用于发电。如图5所示的尾气排放系统，氧化反应的低温冷风从冷风出口通过低温旁路d经烟囱23排到大气中，氧化反应后的高温气体从热风出口流出，通过高温旁路c与氧化热回收装置30连接，热风在经过回收装置之后，通过管道e经烟囱排放到大气中。矿井中的乏风(浓度为0. ro. 75%)通过百叶窗式集气罩进行收集，调节阀可调节其收集时的流速大小，收集以后的乏风通过碳钢集气管道的运输然后与抽采瓦斯(浓度为4 30%)混合进入掺混管道，瓦斯抽采入口安装有甲烷检测器，用于检测抽采瓦斯的甲烷浓度，掺混管道依次安装有矿井瓦斯注入栅极、流量计、温度计、甲烷检测器和压力变送器，用于检测计算甲烷的混合情况。瓦斯在掺混管道中混合成浓度为0. 1-4%的乏风后进入乏风氧化装置。乏风采集与混合系统通过管道与乏风氧化装置连接。在乏风被引入前，通过丙烷喷燃器22将氧化反应床加热到900-960°C，然后喷燃器熄火，乏风通过引风口从下向上垂直地通过氧化反应床，塔体为绝热保护，氧化反应床保持高温，当乏风通过第一个氧化反应床进入上方的增压燃烧室时，乏风中所含甲烷在瞬间被氧化，在氧化床空间释放氧化热，这些氧化热加热周围环境中的气体，被加热的气体进入到第二个较冷的氧化反应床时，氧化床能有效的吸收热量，只要乏风中的甲烷浓度达到0. 3%，产生的氧化热将大于逃逸掉的热量，即所产生的氧化热除了可以满足氧化装置自身热氧化环境的热量需求，还会产生多余的热量，该氧化系统就能自动循环。为了使得两个氧化反应床维持氧化所需的高温，以确保两者温差大约在60°C左右，并使两氧化反应床维持氧化所需的900°C以上高温，每隔一段时间变换乏风的流入方向，从a — b或b — a。通过乏风氧化系统产生的热风和冷风通过高温旁路和低温旁路分别排出。高温旁路排出的热风即氧化反应的氧化热进入到氧化热回收发电装置用于氧化热回收发电，高温旁路出来的热风，经过余热回收装置之后已经变成冷风，与低温旁路排出的冷风一起通过尾气排放系统的烟囱直接排放到大气中，排放的气体经氧化后几乎不含甲烷。
本领域技术人员可以理解，按照本发明的乏风氧化发电系统包括了上述各部分的
任意组合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不能限定本发明，可以肯定的是凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.ー种乏风氧化发电系统，是利用矿井低浓度瓦斯进行氧化摧毁并对反应热进行高效热电转化的系统，其特征在干包含有乏风采集与混合系统、乏风氧化装置、氧化热回收发电装置和尾气排放系统，乏风采集与混合系统通过管道与乏风氧化装置连接，通过高温旁路将乏风氧化装置与氧化热回收发电装置连接，乏风氧化装置的低温旁路连接尾气排放系统。
2.根据权利要求I所述的乏风氧化发电系统，其特征在于矿井乏风采集与混合系统包含以下部件和装置乏风井(I)、百叶窗式集气罩(2)、带旁路百叶窗阀和电动调节阀(3)、煤矿瓦斯抽采泵站(6);百叶窗式集气罩(2)安装在风井排放口上方，百叶窗式集气罩带有带旁路百叶窗阀，电动调节阀位于百叶窗式集气罩和汇集管道(4)前，乏风井(I)通过汇集管道(4)与集气管道连接，集气管道与煤矿抽采泵站的运输管道一同并入掺混管道(7),最后与乏风氧化装置(14)连接。
3.根据权利要求2所述的乏风氧化发电系统，其特征在于煤矿抽采泵站的抽采瓦斯的甲烷体积浓度至少为4%，通过一系列甲烷监控装置进行控制注入乏风管道，与风井中抽采的浓度为0. 1-0. 75%的超低浓度瓦斯混合，然后混合后的乏风进入乏风氧化装置中。
4.根据权利要求3所述的乏风氧化发电系统，其特征在于煤矿抽采泵站的抽采瓦斯的甲烷体积浓度为4-30%。
5.根据权利要求3所述的乏风氧化发电系统，其特征在于混合后的乏风的甲烷体积浓度为0. 3-4. 0%。
6.根据权利要求3所述的乏风氧化发电系统，其特征在于混合后的乏风的甲烷体积浓度为0. 8-1. 5%。
7.根据权利要求2所述的乏风氧化发电系统，其特征在于汇集管道为碳钢材料。
8.根据权利要求2所述的乏风氧化发电系统，其特征在于集气管道为碳钢材料。
9.根据权利要求2所述的乏风氧化发电系统，其特征在于掺混管道为混凝土或碳钢材料。
10.根据权利要求2所述的乏风氧化发电系统，其特征在于掺混管道还包括有矿井瓦斯注入栅极、甲烷检测器、流量计、温度计和压力变送器中的任意ー种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种乏风氧化发电系统，包含乏风采集与混合系统、乏风氧化装置、氧化热回收发电装置和尾气排放系统。瓦斯采集与混合系统包含以下部件和装置乏风井、煤矿瓦斯抽采泵站、百叶窗式集气罩、带旁路百叶窗阀和电动调节阀。乏风氧化装置，其包含有塔结构、引风口、热风出口和冷风出口，其中，塔结构中包含增压燃烧室、氧化反应床、增压气室和喷燃器。氧化热回收发电装置包含氧化热回收装置、汽轮机和发电机组，从乏风氧化装置出来的高温烟气进入氧化热回收装置进行回收后用于发电。氧化热利用后几乎不含甲烷的尾气，通过烟囱直接排放到大气中。
文档编号F01K27/00GK102733872SQ20121021447
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年4月1日
发明者于万纪, 何勇 申请人:浙江亿扬能源科技有限公司