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【摘 要】为了确保高河煤矿低浓度瓦斯蓄热氧化发电机组的安全稳定运行,并实现发电工程降本增效的目的=○,需要将煤矿乏风与抽采瓦斯进展安全、稳定•●▪、均匀、高
■▼-,分析了不同气源的瓦斯流量、压力、浓度等参数特征和掺混系统之间的影响规律,并依据各管道传感器与阀门调
节对掺混效果的影响•▲☆,◁:基于动态连续掺混系统的多气源掺混技术实现了热态下(氧化炉 RTO■○•、锅炉=☆■、汽轮机、发电机组及电能上网等系统不停机且稳定运行)掺混系统按需自由切换并合并各路气源,从而确保瓦斯发电机组的稳定运行…●,同时降低运行本钱,增加了发电收入.%In order to ensure the safe and stable operation of the low concentration gas thermal storage and oxidation generator set in Gaohe Coal Mine, achieve the goal of reducing the cost and increasing efficiency on power generation, it is necessary to mix the coal mine ventilation air methane and extraction gas in a safe▼, stable, uniform and effective way. Using multi-gas mixing technology based on dynamic continuous mixing system•◇▽, the influence law between mixing system and parameter characteristics such as gas flow○◆◇, pressure and concentration was analyzed. According to the influence of each pipe sensor and valve regulation on mixing■…●, effective operation process and key technical parameters were obtained△▷◇. The results showed that on account of mixing technology based on dynamic continuous mixing system, the mixing system (the system is not shut down and in
stable operation, such as oxidation furnace RTO, boiler□,steam
turbine,generator set and power grid),is free to switch and combine all roads of gas sources▼●◁. It can ensure the stable operation of the gas generator set, reduce the running cost and increase the revenue from generating electricity.
【关键词】瓦斯发电;蓄热氧化;动态连续掺混系统=□;多气源掺混◁•;煤矿乏风;低浓度瓦斯;监控系统
【作者单位】瓦斯灾难监控与应急技术国家重点试验室,重庆 400037•▼◆;中煤科工集团重庆争论院,重庆 400037
甲烷是温室气体，以 100 a 计☆，甲烷温室效应约为二氧化碳的 21 倍[1]。在诸多因人类活动导致的温室效应中□●，甲烷的影响居其次位(17%)★○△，仅次于二氧化碳(55%)。在煤矿开采过程中○◆，产生的矿井乏风瓦斯(通风瓦斯或 VAM)也是一种清洁能源，但因其甲烷含量低且缺乏有效的利用方式，绝大局部被直接排入大气中☆-。据有关资料统计，我国煤矿乏风瓦斯中的纯甲烷排放量由 2023 年的 83 亿 m3 增
加到 2023 年的 161 亿 m3[2]，可见其总量巨大。假设能使用先进的低浓度瓦斯利
用技术对其加以利用，将产生巨大的节能环保效益[3]。通过再生蓄热式氧扮装置(RTO)内部的高温环境，氧化矿井乏风中的甲烷，使之转化为二氧化碳和水●=，并产生高温烟气；高温烟气加热锅炉产生蒸汽并推动蒸汽轮机发电◇•□。上述系统被称为乏风氧化处理系统(简称 MAS)-•-。目前乏风瓦斯利用技术主要分为关心燃料利用技术和主要燃料利用技术两大类[4-5]。
高河煤矿低浓度瓦斯蓄热氧化发电工程承受了乏风瓦斯作为主要燃料的热逆流氧化技术[6-7]，属于主要燃料利用技术。乏风瓦斯与抽采瓦斯通过掺混装置进展均匀掺混▽▷，混合后进入蓄热式氧扮装置发生氧化反响放热产生热风，用其加热锅炉产出蒸汽并推动汽轮机及发电机组运转◇，进而发电上网。将通风瓦斯变废为宝，既节约了能源，又实现了低热值燃料资源的综合利用，同时在利用过程中不会形成二次污染◁▽，具有明显的经济效益和环保效益[8-9]◁▷。
高河煤矿低浓度瓦斯蓄热氧化发电系统(简称蓄热氧化发电系统)建于山西潞安矿业(集团)有限责任公司高河煤矿[10]，该矿位于山西省长治市西部，属高瓦斯矿井，
设计产量 Mt/a，矿井乏风瓦斯甲烷体积分数为 %左右。高河煤矿建有高、低负压 2 套地面永久瓦斯抽采系统，抽采瓦斯甲烷体积分数分别为 %～%
和 %～%，2 套系统最大抽采瓦斯混合量为 700 m3/min(标准状态下， 下同)，甲烷体积分数为 %～%(最大瓦斯纯量为 130 m3/min)。在蓄热氧化发电工程实施前•○，高河煤矿乏风瓦斯和抽采瓦斯均未能有效利用。
蓄热氧化发电工程使用全部抽采瓦斯和局部乏风瓦斯…▲，最大混合量为 18 000
表 1 抽采瓦斯和乏风瓦斯根本参数管道瓦斯输送压力/kPa 抽采瓦斯甲烷体积分数/%
乏风瓦斯甲烷体积分数/%抽采瓦斯气体流量/(m3min-1)混配气体最大流量
蓄热氧化发电系统主要由瓦斯输送系统=★、动态连续掺混系统、低浓度瓦斯安全输送保障系统◇、RTO 氧扮装置、锅炉蒸汽系统▪★、汽轮机、发电机组与电能上网及其他辅机系统等组成▼▼=，蓄热氧化发电系统布置如图 1 所示。
乏风输送管道由主要通风机出口所设置的负压取气收集罩至掺混装置段构成。低浓度瓦斯输送系统包括与瓦斯泵站连接的 2 条 DN500 mm 低负压管道先集合成 1 条 DN600 mm 管道，在泵站外与 DN800 mm 高负压管路汇流进入 DN1 200 mm 管道，随后分成 6 条 DN500 mm 的管道,经低浓度瓦斯输送安全保障系统▷， 进入动态连续掺混装置与乏风瓦斯完成掺混，混后气体最终进入主汇流管道被安排至 RTO 氧扮装置[11]。
蓄热氧化发电系统发电规模 30 MW★▷，具有相当可观的经济效益和节能减排收益[12]。
动态连续掺混系统在蓄热氧化发电系统中起着重要的作用。该系统主要由乏风输送管道、低浓度瓦斯抽采管道☆、动态连续混气装置和监控系统等组成。
HQZZ3500 动态连续混气装置主要由内管、外管、混合腔、内螺旋叶片、外螺旋叶片和螺旋扰流叶片组成，如图 2 所示○。该动态连续混气装置是用于 2 种气体的快速掺混▼▲，能避开产生静电和火花的一种高效动态高精度的混气设备，特别适用于易燃易爆的瓦斯气体的掺混。 1—外管●■；2—内管；3—混合腔；4—内螺旋叶片；5—外螺旋叶片；6—螺旋扰流
进入动态连续混气装置的抽采瓦斯流量，由监控系统依据抽采瓦斯浓度的波动与掺混后瓦斯浓度范围的要求△◇，通过电动调整阀自动调整掌握，混配后输出指定浓度范围的瓦斯气体供给应 RTO 氧扮装置使用○。掺混监控系统如图 3 所示…。
RTO 氧化系统向动态连续掺混系统提出瓦斯需求量恳求□=，掺混系统关闭气动阀门 Q7 和 Q8、开启 DN600 mm 管路上的阀门 MG1 和 MG2，缓慢将调整阀MT7 和 MT8 调至开度 80%、60%、50%、40%、30%，将抽采瓦斯输入DN600 mm 管路进展对冲掺混△■★，随后进入 DN1 200 mm 管路□◇○，其瓦斯浓度传感器检测到瓦斯◆，开启二次掺混阀门进入动态连续混气装置，完成掺混流程。
随着 RTO 氧扮装置负荷不断增大◆，当 DN600 mm 瓦斯输送管道中瓦斯流量不能满足需要时，需要输入 DN800 mm 管道的瓦斯气体。
缓慢开大调整阀 MT7 和 MT8，使掺混后混合气甲烷体积分数降至 %～%， 当 DN1 200 mm 管道的气体压差降至 3 kPa 时▷☆，关闭气动关断阀 Q9，翻开关断
阀 MG3，快速将 MT9 关至 50%开度，待压差传感器缓慢上升后◁，再不断关小MT9、MT7 和 MT8 至 30%开度☆，掺混后混合气甲烷体积分数将不断上升(但不能超过 %[13])。
当压差升至 8 kPa 时，增大乏风气体流量，为 RTO 系统供给更多的混合瓦斯气体，此时完成多气源掺混△，2 条 DN500 mm 管路与 1 条 DN800 mm 管路完全启用◁，形成以 DN1 200 mm 管路向动态连续掺混系统输入的瓦斯气源。
随着 RTO 氧扮装置对混合瓦斯流量需求的持续增大，当 DN1 200 mm 管道的气体压差下降至 kPa 时，不断关小 MT7、MT8 和 MT9 阀门开度▷•，直至全部关闭=-▼，全部抽采瓦斯进入掺混系统，此刻到达最大供气力量，且发电量也到达当前
目前▼▪，蓄热氧化发电系统发电量稳定在 万～ 万 kWh…◇，到达设计力量的三分之一。RTO 氧扮装置直接处理的混合气体甲烷体积分数为 %～%，发电系统有 12 台 RTO 设备，开机率为 50%■。动态连续掺混系统可使抽采瓦斯和矿井乏风被安全有效混配○•。
稳定性△◇▽、牢靠性及安全性：该技术实施过程中，瓦斯输送、掺混、RTO、锅炉、 汽轮机、发电机组及电能上网等系统均为升○▲、降负荷的常规操作■●…，不存在停车重启、吹扫●…○、热机等一系列简单流程，有效简化了操作流程，削减对抽采系统的冲击…，提 高了蓄热氧化发电系统的稳定性=、牢靠性及安全性[14]。
表 2 各主要系统或设备的启动或停机时间系统名称降负荷时间/min 升负荷时间
/min 合计时间/min 低浓度瓦斯输送系统 26 掺混系统 23 氧化炉 RTO51059 锅炉28 汽轮机与发电机组 510 电能上网 25
运行本钱与收入:瓦斯气源供给 6 台 RTO 正常运行状态下•，处理掺混后混合瓦斯
量约为 9 000 m3/min◁△；丙烷燃料费、瓦斯气费均为 0 时▷◆，上网发电量约为 万
通过动态连续掺混技术的实施，确定了瓦斯监控▽、阀门对应开度，以及操作时刻等关键参数▽，实现了热态下掺混系统按需自由切换与混配不同参数的瓦斯气源，并以指定的压力与甲烷体积分数稳定进入 RTO 氧扮装置●△▽，简化了各系统的操作流程， 削减了对抽采系统的冲击★-▲。动态连续掺混技术提高了蓄热氧化发电系统的稳定性、牢靠性及安全性，能够确保发电系统持续输出电力=，同时对降本增效，具有有用价
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