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第43届三等奖论文---瓦斯发电机组利用超低浓度瓦斯掺氧发电的可行性分析与实践

瓦斯发电机组利用超低浓度瓦斯掺氧发电的可行性分析与实践

开元棋牌游戏_平台下载煤层气公司 苗亚臣 徐乐宇 张化军

摘  要  分析了利用工业制氧机补充纯氧实现利用超低浓度瓦斯进行发电的可行性。

关键词  超低浓度瓦斯  掺氧发电 可行性分析  实践

 

1  概  述

 

开元棋牌游戏_平台下载铁煤集团在2007年10月引进了低浓度瓦斯发电技术,先后在铁法矿区的五个煤矿投资建成了6座瓦斯发电站。目前煤层气公司所属的瓦斯发电场,共有17台瓦斯发电机组,总装机容量为9100kWh。

 

2 问题提出

 

煤层气公司将各矿井抽采的甲烷浓度高于30%的中等浓度瓦斯气与压裂井抽采的高浓瓦斯气(甲烷浓度在97%以上)进行掺混,实现市场销售;将甲烷浓度13~30%的瓦斯气用于发电。近年来随着各矿井的煤炭资源逐渐枯竭,煤炭产量降低,造成低浓度瓦斯(甲烷浓度低于30%)的瓦斯气量呈上升趋势,而中等浓度以上的瓦斯气产量却呈现逐年下降趋势。

然而,在生产实践中,甲烷浓度在9~13%之间的瓦斯却很难用于启机发电。甲烷在空气中的爆炸极限为5~16%,而且在浓度为9%的状态下爆炸威力是最大的,然后在这此种浓度状态下瓦斯发电机组却无法启机发电,同时排空的甲烷气体又会对大气造成巨大污染,即浪费资源又不利于环境保护。通过对瓦斯发电行业进行调研发现,这种状况是瓦斯发电单位普遍存在的状况,而且一致认为甲烷浓度低是主要原因。

 

3 原因分析

 

通过对可能影响瓦斯发电机组运行功率因素的跟踪分析后,确定气源是主要原因。瓦斯发电机组供气源的要求为:低浓度瓦斯气主管道输送压力3~10kPa,瓦斯气温度≤40℃,适应的甲烷体积含量不低于9%;对于甲烷体积含量小于30%的瓦斯,甲烷与氧气体积含量之和不低于28%,氧气体积含量不低于16%。压力变化率≤1kPa/min,变化速率≤5%/min,杂质粒度≤5μm,杂质含量≤30mg/Nm3,含硫量≤50mg/Nm3,水分含量≤10g/Nm3,不含游离水。

而在实际生产中,当甲烷浓度低于13%时,却直接造成发电机组逆功率运行,直至被迫停机停产。通过对铁法矿区各气源矿井的低浓瓦斯气进行跟踪分析发现,小青电站、晓南电站、大隆电站的气源甲烷浓度维持在9~13%。其他3座发电站即使气源浓度在13~20%浓度区间内,其发电功率也大多在300kW/h(瓦斯发电机组额定功率为500kW/h,经济运行效率为400kW/h)。

开元棋牌游戏_平台下载结合对瓦斯气源状况的持续跟踪分析,并结合甲烷爆炸燃烧的化学式,推测:导致瓦斯发电机组无法利用超低浓度瓦斯进行启机发电的根本原因是瓦斯气体中含氧量不足。甲烷爆炸燃烧的化学式如下:

CH4+2O2=CO2+2H2O

由于含氧量的不足造成甲烷无法在爆炸极限范围内进行爆炸燃烧,因此导致发电机组无法启机发电。对具有代表性的小青发电站的气源取样如表1。

表1 小青矿气样分析化验表

 

 

分析化验结果

气体成分

CH4(%)

02(%)

N2(%)

C02(%)

C0(%)

C2H6(%)

C2H4(%)

C2H2(%)

小青泵站

11.7925

14.8166

72.9325

0.3857

0

0.0727

0

0

 

开元棋牌游戏_平台下载上表中,采样气源中甲烷体积含量为11.8%,在甲烷爆炸极限范围内,同时满足气源浓度在9%以上的要求,但其氧气含量按化学式计算应该为23.6%,显然瓦斯气中含氧量不足,不足以维持甲烷爆炸燃烧。为了配给更多的氧气,实际运行中需要调整瓦斯发电机组的空气配给,以满足氧气需要。而空气中的氧气含量仅为21%,在配给氧气的同时,却稀释了甲烷浓度,导致低于9%甲烷的浓度要求,此连带关系造成瓦斯发电机组无法启机发电。

 

4 实验论证

 

4.1实验系统

设想利用制氧机制造高浓度氧气,掺混到瓦斯气中,既能满足瓦斯爆炸燃烧对氧气的需求,又能防止因添加空气增加氧气的办法,造成甲烷浓度稀释到爆炸区间以外。为确保设备投资的科学性,因此设计了一套简化的试验方案,应用于瓦斯发电机组进行验证。

采用氧气瓶补给氧气,掺混到瓦斯气源内,进行实际实验。首先,在瓦斯发电机组左右两侧的调压阀与阻火器之间,分别选择了一处加氧点,并焊接了接头。然后,为了确保氧气的持续供应,为启机操作和调整提供充足的时间,分别制作了两组氧气瓶组,以确保充足的氧气供应。其次,为了平衡各氧气瓶之间及系统氧气输送的压力稳定,分别制作了两个压力缓冲罐。

4.2实验步骤

开元棋牌游戏_平台下载第一步:在开机前测量气源浓度。甲烷浓度为11.8%,氧气浓度为14.8%。

开元棋牌游戏_平台下载第二步:在做好启机安全检查后,在不加入氧气的状态下进行启机。虽然有点火迹象,但无法持续稳定爆炸燃烧,无法启机并维持发电运行。

开元棋牌游戏_平台下载第三步:连接加氧系统,并再次试验启机。当缓慢开启缓冲罐出口阀门,逐渐将氧气瓶组内的氧气掺混到瓦斯气中时,来自瓦斯发电机的声音显示,在缸体内发生了持续的点火并稳定的爆炸燃烧。瓦斯发电机组随即顺利启机、并网、带负荷。逐渐调整发电功率,最终顺利达到400kW/h的发电功率。机组维持运行1小时35分钟后,氧气瓶内氧气耗尽,随后发电机组发电功率从400kW/h逐渐降低,直至逆功停机。记录此过程,累计发电443kWh。

4.3实验结论

开元棋牌游戏_平台下载瓦斯发电机组无法利用处于爆炸极限范围内的超低浓度瓦斯进行启机发电的主要原因为瓦斯气体内氧气含量不足。

 

5 经济性分析

 

开元棋牌游戏_平台下载根据实验结论,拟设想在铁法矿区的小青瓦斯发电站内,增设一台变压吸附(PSA)工业制氧机,通过铺设掺混氧气管路分别与小青瓦斯发电站三台发电机组的主进气管路连接。达到利用超低浓度瓦斯进行混氧发电的目的。

开元棋牌游戏_平台下载5.1 掺混氧气量计算

实验中供气源中甲烷的体积含量为11 %;氧气体积含量为14%计算;按每Nm�纯甲烷可发电3kWh.

单台机组按每小时发电400kW运行所需要的瓦斯体积混量为:

400�3�0.11≈1212( m�)

开元棋牌游戏_平台下载其中单台机组运行所需要的瓦斯体积混量中氧气量为:

1212�0.14≈170( m�)

单台机组每小时运行所需要的掺混的氧气量为(甲烷和氧气体积含量之和为规定的28%):

1212�(0.28-0.11-0.14)=36.4( m�)

实验使用了7瓶氧气,每瓶氧气按6m�计算,可见,以上计算数值与实际消耗氧气量基本符合。

5.2工业制氧机选型计算

为满足小青电站内三台瓦斯发电机组掺混氧气用量要求,每小时制氧量需大于114.39 m�(常温体积);故选择制氧能力100Nm�,氧气纯度在(93%�2)以上的变压吸附(PSA)工业性制氧机。通过对某品牌工业制氧机的市场调研,表2为每小时100 m�制氧量制氧机的报价。

  表2 每小时100 m�制氧量制氧机的报价表

 

序号

名  称

型号规格

数量

单价(万元)

1

空压机

BKL132-8GH

1台

7.56

2

空气储罐

2.0m3/8KG

1台

0.46

3

冷干机

HD0250

1套

2.24

4

主管路过滤器

C-25法兰式

1套

0.45

5

微油过滤器

T-25法兰式

1套

0.45

6

超高效过滤器

A-25法兰式

1套

0.45

7

活性碳过滤器

HDT-25

1套

0.55

8

PSA制氧机

HDF093-100

1套

30.38

9

氧气储罐

2.0m3/8KG

1台

0.72

10

运费、安装调试费

1套

1.00

 

含税价(大写):肆拾肆万贰仟陆佰元 整

合计:44.26万元

 

            注:本报价,含税,含运费含人工安装调试费、人员培训费

5.3制氧成本计算

开元棋牌游戏_平台下载HDFQ93-150型工业制氧机包含空气压缩系统、空气净化系统、SPA制氧系统,总功率为137Kw,其他耗材为可再生的活性炭,其成本可忽略不计。即制氧成本主要构成即为用电成本。

5.4 投资回报期

建设一台可移动式的撬装制氧设备,制氧量为100m�/h,根据表2,工程计划投资50万元,按每度电的销售价格0.42元、瓦斯发电机组运行效率为400kW、按单台机组运行,每月运行30天,计算收回工程投资的时间不到5个月,计算如下:

500000�0.42�400�24�30≈4.1(月)

5.5 效益分析

开元棋牌游戏_平台下载按利用供气源掺混部分制氧气方式运行,一方面可以实现利用超低浓度瓦斯进行发电创效的目的,同时,其对于利用中等浓度瓦斯气进行发电的发电效率同样具有提高的作用。可移动式的撬装制氧设备还可以方便的运输到需要利用超低浓度瓦斯进行发电的发电站进行使用。如表3所示,预计全年可减少因浓度过低造成的瓦斯发电机组停机时长2.3万h,全年可增加发电量1000万kWh,按2018年瓦斯发电站运行数据,售电单价为0.42元/kWh计算,增加利润400万元以上;减少浓度为11%的低浓度甲烷排放310万m�,减排补助按每立方米纯量0.2元计算,争取国家减排补助62万元。累计创效460万元。

开元棋牌游戏_平台下载表3 掺氧发电效益分析表

 

瓦斯发电站

售电增收

减排补助

合计创收

(万元)

减少停运时长(h)

增加发电量

(万kWh)

售电增收

(万元)

减少甲烷排放量(万m�)

减排补助

(万元)

大隆瓦斯发电站

1248

4.99

1.99

16.62

3.32

5.31

大兴瓦斯发电站

5617

337.02

134.47

74.82

14.96

149.43

晓南瓦斯发电站

3367

134.68

53.74

44.85

8.97

62.71

小青瓦斯发电站

13115

524.60

209.31

174.69

34.93

244.24

累积

23347

1001.29

399.51

310.98

62.20

461.71

 

6 结  语

通过建立最小化实验模型,证明了瓦斯发电机组无法利用甲烷浓度在9~13%范围内的瓦斯进行发电的根本原因是瓦斯气体内含氧量不足。实验结果纠正了瓦斯发电行业一直以来存在的一个认识误区。同时,以最小化实验模型为基础,大胆的提出利用工业制氧机补充纯氧,进而实现利用超低浓度瓦斯进行发电的设想。经过测算该项目除了具有显著的经济,每年可为煤层气公司创效460万元以上,在减少温室气体排放方面还具有显著的环保和节能效益,具有良好的推广价值。

 

第一作者简介:苗亚臣 (1968—),男,高级工程师。1991年毕业于阜新矿业学院煤田地质勘查专业,现任煤层气公司经理。联系电话:024-76838041。