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摘要：結合煤礦大量低濃度瓦斯和風排瓦斯排空無法有效利用的技術現狀，詳細介紹了瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配工藝設計。分別闡述了瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配原理、技術要求，提出具體技術指標，介紹混配系統工程應用情況。設計及運行現場應用表明：瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配系統安全、可靠、穩定，可滿足瓦斯氧化綜合利用項目用氣需求。

關鍵詞：低濃度瓦斯；瓦斯蓄熱氧化；混配系統；低濃度瓦斯安全輸送；引風

1概述

我國每年煤礦風排瓦斯（又稱“乏風”，VAM）排放量150億m3以上，排放總量巨大［1］，逆流式熱氧化技術可使風排瓦斯甲烷高于900℃以上溫度燃燒并釋放能量，隨后運用多種的熱能利用技術進行利用。我國煤礦VAM甲烷濃度大部分處于0.2％～0.5％之間，只有少數VAM濃度高礦井應用氧化技術制熱水、取暖，其加熱利用量小，仍存在氧化利用規模小、運行效率低、經濟性差的問題。與此同時，礦井存在大量甲烷濃度低于8％的低濃度瓦斯溫室氣體，無法采用低濃度發電等利用方式而大量排空處理，造成大氣環境污染。煤礦現場目前自行使用較多混氣方式是低濃度瓦斯與VAM或者空氣在利用輸送管道內對沖式混合，出現混后瓦斯層流明顯、低濃度瓦斯團塊化，對氧化利用系統和煤礦抽采生產系統安全威脅大。怎樣解決低濃度瓦斯輸送和氧化時存在較大安全風險和經濟高效利用問題，進行專門、系統、規范的安全混配工程設計，將低濃度瓦斯和風排瓦斯或空氣清潔能源氣體送入氧化系統當中安全、穩定、可控運行，在瓦斯災害得到治理同時，保護自然環境，實現資源綜合利用、“變廢為寶”，一舉兩得［2］成為社會及廣大企業迫切需求。為此，中煤科工集團重慶研究院通過承擔國家十二五、十三五國家重大科技專項技術與裝備研究，成功解決了上述技術難題，結合利用現狀，提出合理的瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯安全混配系統工藝設計，實現氧化效率與燃料品質的提升，氧化經濟性和瓦斯利用率得到提高。該系統具有如下特點：1）安全性高。在瓦斯抽采泵站低濃度瓦斯管道安全輸送和正壓安全保護方面，煤礦用主通風機系統安全防護方面或者空氣送風風機的選型設計上都應具有高安全性，同時在氧化發電系統內部及系統間設計有高安全性的控制系統。2）混配性能好。低濃度瓦斯和VAM或者空氣混合裝置有低阻力、各種工況條件下混合均勻的優異性能，同時系統在流量控制和濃度控制設計上有調配和可控制性能。

2低濃度瓦斯安全動態混配原理

低濃度瓦斯安全動態混配系統指在保障瓦斯抽采正壓、礦井通風風壓和蓄熱氧化系統安全的前提下，將抽采低濃度瓦斯與煤礦VAM（或空氣）動態調控配比混合用以滿足氧化裝置用氣要求的系統。其基本原理為：在低濃度瓦斯管道輸送安全保障設施和安全監控系統安全防護下，經由瓦斯監測儀表和控制系統可控調節抽采低濃度瓦斯與煤礦VAM或者空氣的流量與濃度，將低濃度瓦斯與煤礦VAM或者空氣在混配器內快速、動態連續的湍流狀態下分割剪切成小股渦團，而后快速接觸擴散成甲烷濃度混合均勻的瓦斯氣體，在氧化裝置內生成無焰的高溫氣體。當氧化裝置出現濃度超限等非正常工作情況，低濃度瓦斯進行瓦斯放散管排空處理；低濃度瓦斯壓力超標后，系統壓力即刻通過濕式放散裝置進行壓力放散并控制同步關閉氧化裝置和打開低濃度瓦斯排空系統。

3低濃度瓦斯安全動態混配工藝設計要求

3.1混配工藝設計要求

瓦斯混配系統總體工藝設計要著重考慮混配工藝安全設計、自動配比設計和引風工藝設計三個重要方面。

3.1.1混配工藝安全設計1）低濃度瓦斯安全輸送。由于低濃度瓦斯具有易燃易爆特性，故在低濃度瓦斯的輸送、排空及利用端均執行《低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》（AQ1076—2009）標準進行系統設計，以保障管道輸送安全，設計選用自動噴粉、細水霧或汽水二相流抑爆系統均可。應特別注意，當抽采瓦斯甲烷濃度低于3％時，也應設置阻火安全設施。2）混配器結構設計。低濃度瓦斯與VAM或者空氣的混配器結構是保障混配安全的關鍵設備，混配器結構設計應保證在氣流軸向和氣流斷面方向瓦斯氣混合皆均勻，混合后無低濃度爆炸限范圍瓦斯氣團產生。針對不同設計項目宜選用不同的混配器，瓦斯混配可以選擇單級混氣或者多級混氣的方式，有彎管混氣、Y型混氣、擾流板混氣或固定式旋轉葉片混氣，針對不同項目采用不同組合方式，選用不同混配器結構，再根據特定的混配器結構，確定其不同工況下混合氣體流速，計算混合氣體流動雷諾數是否超過臨界值，混合氣體形態是否達到湍流狀態，運用計算機數值模擬和氣體混合試驗方法對氣體均勻性進行混合氣體均勻性驗證。經過瓦斯混配器后的瓦斯氣混合甲烷體積濃度應是體積均勻、數值均低于1.2％以下。3）安全保護控制功能設計。混配監控系統安全保護包括混配系統由于混配后瓦斯濃度超限、瓦斯泵站側瓦斯輸送壓力超限等自身原因的安全保護，也包括由于瓦斯蓄熱氧化利用系統異常或者緊急停車的安全保護，此時，混配系統均需緊急停止運行，控制功能設計上均需停止低濃度瓦斯的輸送，同步打開低濃度瓦斯排空系統并關閉氧化裝置。

3.1.2自動配比設計自動配比需達到以下功能要求：1）能實現低濃度瓦斯流量、濃度、壓力、溫度等基本參數的自動監測和顯示功能。2）配比設計應充分考慮為實現各項功能而選擇的傳感器、控制器及控制裝置的響應及動作時間。433）自動控制系統設計選用工業上普遍的PLC控制，過程控制為PID算法模式控制，設定目標甲烷濃度值，PLC監控系統根據氧化裝置主風機或者空氣風機風量與瓦斯流量，間接算出瓦斯氣與VAM或者空氣的混合比例，通過調節閥門精確調節流量來實現甲烷濃度的動態精準平衡。4）隨氧化利用系統熱負荷和中間熱工設備負荷調節變化而及時調節瓦斯甲烷量即調節燃料燃燒熱值。

3.2系統設計

3.2.1系統技術指標系統技術指標如下：混配CH4濃度：Cm≤1.2％；瓦斯氧化最小純量（經濟規模）：Qe≥12.0Nm3／min；輸送低濃度瓦斯CH4濃度：Co≤30.0％；氧化規模利用量：Q1≥60000Nm3／min；通風CH4濃度：Cv≤0.75％；爆燃事故時噴粉完成時間：t1≤170ms；爆燃事故時管道阻斷時間：t2≤100ms；混配氣體溫度：Tg＞0℃。

3.2.2系統組成1）低濃度瓦斯安全輸送系統。低濃度瓦斯安全輸送設計布置三級安全阻火防爆裝置。第一級水封阻火泄爆裝置，第二級抑爆裝置，包括自動噴粉抑爆裝置或細水霧抑爆裝置或氣水二相流安全輸送裝置，第三級自動阻爆裝置，裝置工作原理、功能及技術參數查閱相應的裝置技術條件規范。系統阻火防爆裝置間的安設布置設計嚴格遵循《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》（AQ1076—2009）進行設計。2）引風系統。VAM引風抽出式通風機全壓計算見公式（1）。Pt＝PS＋PV＝PS＋1／2ρV2（1）式中，Pt為通風機全壓，Pa；PS為通風機靜壓，Pa；ρ為風機出口空氣密度，kg／m3；V為風機出口流速，m／s。VAM引風系統主要由礦井風機主通風機、取氣口（或罩）、百葉窗風門、流量計、干式阻火器、氧化裝置引風機等組成，如圖2所示。VAM引風動力來自于主通風機余壓和氧化裝置的負壓之和，在VAM輸送管道某點存在壓力零點。礦井反風時需打開百葉窗風門增加進風量；啟動引風關小百葉窗風門增加氧化引風量。冬季VAM溫度與室外溫差大設計上考慮增加風排脫水裝置，以減少液態水氧化汽化吸熱的熱量損失。空氣引風系統主要由離心式引風機、風機變頻器、阻火器、調節風門（閥）、流量計、甲烷濃度計、氧化裝置引風機等組成，如圖3所示。引風機靜壓值應高于低濃度瓦斯輸送管道最大壓力值，也應考慮空氣風機不同壓力、不同變頻條件下風機風量變化規律，應避免低風量突降帶來的甲烷濃度突然超限情況發生。離心式引風機的選型設計上應選用風機喉口防摩擦火花設計，杜絕風機扇葉摩擦火花產生。若空氣風機設計選型過小混合空氣后甲烷濃度值過高，輸送安全風險高；混合空氣量過大，則混合甲烷濃度低，風機電耗高，系統設計經濟性差，設計上存在缺陷。3）瓦斯混配監控系統。瓦斯混配監控系統是混配系統下屬子系統，其由安全保護子系統、引風監控子系統和低濃度瓦斯安全輸送監測子系統組成，系統組成如圖4所示。其功能是基于瓦斯抽采輸送正壓、礦井通風風壓、瓦斯安全輸送監測、氧化裝置外圍的綜合安全防護于一體的自動調配控制低濃度瓦斯和VAM或空氣，保證瓦斯蓄熱氧化裝置進氣、用氣和停氣的安全、穩定、高效生產。由控制層和設備層構成混配監控系統，控制層包括安全保護子系統、引風監控子系統和低濃度瓦斯安全輸送監測子系統，由操作控制柜采集傳感器數據、顯示、運算、處理各類數據，對下屬的現場設備進行操作控制。設備層主要將現場監測到的技術參數統一轉換成標準電信號提供給控制層。設備層主要由管道甲烷濃度傳感器、管道流量傳感器、電動閥門、液位傳感器、壓力傳感器、電動調節風門、氣動閥門、空氣風機、變頻柜等組成。

4工程應用

瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯混配設計已分別在國內山西潞安高河煤礦瓦斯蓄熱氧化項目和陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化井筒加熱項目中實施，工程應用成功并取得良好效果，。在2015年5月15日至2018年7月31日期間，山西潞安高河煤礦瓦斯蓄熱氧化項目瓦斯混配系統連續穩定運行已累計實現商業并網發電3.67億kW•h，電網收入1.40億元，處理VAM量132.19億m3，折合碳減排4031.8ktCO2e。陽煤五礦小南莊瓦斯蓄熱氧化項目的一套6萬m3／h低濃度瓦斯混配系統已于2017年和2018年兩個供暖季提供安全、穩定燃料氣源，瓦斯氧化替代了風井原有3臺ZRL－2.8／W型燃煤熱風爐，將環境溫度－15.3℃、設計流量14000Nm3／min的風井進風加熱至進風溫度高于2℃，項目兩供暖季共節約標煤6400t，折合減排二氧化碳72ktCO2e，獲得200萬元瓦斯利用補貼。

5結語

瓦斯蓄熱氧化低濃度瓦斯混配設計是實現瓦斯蓄熱氧化提質提效的重要技術途徑，起到至關重要作用，廣大設計工作者應熟悉并掌握此類型工藝設計。混配工藝設計應用實踐表明，該系統設計是安全、可靠、穩定的，在保證煤礦瓦斯抽采系統正壓和通風系統余壓安全前提下，能較好滿足瓦斯蓄熱氧化使用要求，極大提高蓄熱氧化利用的安全性和經濟性，推廣應用價值前景廣闊。

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作者：李磊 單位：瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室