基于煤矿瓦斯工业化利用的混(配)气装置应用现状及前景展望

2020-09-09逄锦伦

矿业安全与环保 2020年4期

逄锦伦

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

传统配气方法有2大类：静态配气、动态配气[1-2]。李舒[1]研究认为标准气体的配制方法中动态配气方法有6种，即：质量流量比混合法、体积比混合法、渗透扩散式配气法、扩散管配气法、置换法、毛细管压差式流量比混合法等方法；张豪杰[2]、赵建华[3]等研究认为标准气体的配制方法中动态配气方法有6种，即：质量流量法、定体积泵法、渗透法、光化学反应法、电解法、蒸汽压法等方法。煤矿抽采瓦斯流量及CH4浓度的波动性较大，但利用端需要相对平稳的气源，因此对混配气装置的要求较高。静态配气不适于煤矿瓦斯工业化混配利用。适宜于煤矿瓦斯工业化混配利用的动态配气法主要有质量流量比法、引射器法、压差(压力)控制法。

1 动态配气混合方法

1．1 基于质量流量比的混合方法

其工作原理为：以质量流量的形式，对预混配的不同气体按比例计算，通过流量控制阀门等仪器仪表单独监测、控制，实现同时混合、动态配制的目的。该方法较常见，中煤科工集团重庆研究院有限公司自主研发的动态连续混气装置属于这一类。其装置结构[4-5]如图1所示。

1—气体1入口管；2—气体2入口管；3—螺旋形介质通道Ⅰ；4—螺旋形介质通道Ⅱ；5—外螺旋叶片；6—扩散叶片；7—内螺旋叶片；8—混合腔。

动态连续混气的优势主要体现：

1)对CH4浓度、流量的波动适应性好。瓦斯动态连续混气装置基于质量流量比的混合原理，对预混配的瓦斯气体按质量流量比例计算，通过浓度、流量传感器及调节阀门等实现对流入气体的单独监测、控制。CH4浓度、流量的波动仅对传感器、调节阀门及监控系统带来考验，不受混气装置本体结构影响。

2)混气均匀度高。瓦斯动态连续混气装置通过内外螺旋叶片将不同预混气体变向加速，交叉碰撞、扩散和混合。内外螺旋叶片结构对称，保证了流入气体被均匀分配并被均匀搅拌，实现了混合后的气体成分均匀的目的。

3)配气阻力损失小。不同气体以正压方式进入动态连续混气装置内，阻力损失可以控制在1 kPa左右。

4)配气速度较快。瓦斯动态连续混气装置因其结构能对流入气体螺旋加速，搅拌过程也实现加速，因此其配气速度较快。无需提供较长的混配管路，对工业现场场地的适应性好。

该装置已成功地应用于山西潞安集团高河煤矿混气规模为108万m3/h乏风蓄热氧化瓦斯发电项目。通过6套DN3500型动态连续混气装置，实现了利用端瓦斯浓度波动范围为0.1%左右、1%浓度瓦斯的均匀输出,混气装置阻力损失小于0.5 kPa，是目前国内处理规模最大的动态连续混气系统[6-7]。在阳泉市阳煤五矿小南庄乏风蓄热氧化井筒加热项目[8]、吕梁市中阳县华煤普什新能源科技开发有限公司荣欣瓦斯发电厂项目也成功地应用。

1.2 基于压差(压力)控制的混合方法

压差(压力)控制法主要基于气体状态方程pV=nRT实现气体混配[2，9-10]。几种气体经过某一管道后进入混合器，通过对管道中的压差进行控制进而实现对气体体积流量的控制。只需准确地控制混合器前端管道中气体的压力差，即可实现对每种气体相对流量的准确控制。工作原理如图2所示。

图2 基于压差(压力)控制的混气原理

由图2可知，几种气体的混合比例靠自身管道的压差比控制。通过流量控制阀改变气体流经阀门孔口的大小，使得流通面积发生改变，实现掺混量按需分配和管道中气体压差的控制。

压差(压力)控制混气的优势主要体现：

1)配气速度较快。配气时只需监测、控制混合器前端管道中气体的压力差，通过流量控制阀改变流通面积即可准确控制每种气体的相对流量，实现多种气体在混合器内快速混合后被快速输出，完成快速配气。

2)压力损失较小。不同气体以正压方式进入管道，控制混合器前端管道中气体的压力差，压力损失相对较小。

1.3 基于文丘里引射器的混合方法

文丘里引射器混合法通过气体流经拉法尔管出现节流的效应，实现喷嘴中高流速的气体(工作气体)卷吸较低压力的气体(引射气体)，在混合室中完成气体的混合。文丘里引射器结构[11-12]如图3所示。

图3 文丘里引射器结构图

由图3可知，文丘里引射器由喷嘴、接收室、混合室、扩压室等组成。工作气体自喷嘴进入接收室后，工作气体因紊流产生扩散作用，使得周围的引射气体被卷吸至混合室内。工作气体与引射气体发生混合。

文丘里引射器混气的优势主要体现：

1)配气速度较快。工作气体高速流入混合室与引射气体快速混合，混合气体会被快速输出，实现快速配气。

2)压力损失较小。已有的试验数据表明，引射器的压力损失可以控制在7 kPa左右，压力损失相对较小。

1.4 基于抑爆功能的高精度气体混合方法

高精度气体混合系统由缓冲气罐、配气系统和水箱等组成[13-14]，其结构如图4～5所示。

1—配气罐Ⅰ；2—配气罐Ⅱ；3—缓冲气罐；4—水箱；5—水泵Ⅰ；6—水泵Ⅱ；7—稳压阀；8—气体浓度传感器Ⅰ；9—气体浓度传感器Ⅱ;10—单向阀A；11—单向阀B；12—变频鼓风机Ⅰ；13—变频鼓风机Ⅱ;14—单向阀C；15—单向阀D；16—单向阀E；17—单向阀F；18—连接管道A；19—连接管道B；20—连接管道C；21—连接管道D。

由图4、图5所示，高精度气体混合系统是依靠水在配气罐内的充放，实现预混配的不同气体在配气罐内动态配气。经整流支管进入配气罐的气体由出气孔道喷出时，会推动整流支管旋转。旋转的整流支管起到搅拌的作用，由于整流支管的结构是对称的，可保证出气孔道喷出的气体在配气罐内是均匀分布的，因此预混配气体被均匀混合[13]。

1—配气罐Ⅰ；2—进水通道；3—可燃气体输入管道；4—混合气体输出管道；5—空气输入管道；6—整流支管；7—滚动轴承；8—上液位触发装置Ⅰ；9—下液位触发装置Ⅱ；10—出气孔道。

同时设置2套或多套相互配合的配气罐系统，使排气、混气交替进行，实现不间断地混气—排气(利用)过程，提高混气效率。

高精度气体混气的优势主要体现：

1)混气精度高。在配气罐中动态混气时，有相对缓冲的时间，为传感器的准确测量保证了时间，也为气体流量控制提供了充足的时间，最终保证了气体流量的控制精度。因此系统的混气精度高。

2)混气均匀度高。混气装置中整流支管的对称结构，保证了出气孔道喷出的气体在配气罐内是均匀分布的。同时整流支管旋转形成的搅拌作用，也促进了气体均匀地扩散和混合。

3)对CH4浓度、流量的波动适应性好。因动态混气时，在配气罐中有相对缓冲的时间，为系统监测CH4浓度、流量的波动值,以及气体流量的调整、精确控制提供了充裕时间。

4)配气阻力损失相对较小。不同气体进入配气罐时，整流支管旋转时会产生阻力，阻力损失可以控制在5 kPa以下。由于该技术对场地有一定要求，目前还未进入工业化应用。

2 不同混气技术比较

2.1 混气精度比较

高精度气体混合系统的精度保障于有充足的监测、反馈、控制时间，实现对不同气体监测、反馈、精确控制；动态连续混气装置、压差(压力)控制混气装置的精度保障于对不同气体的及时监测、反馈、控制；文丘里引射器的精度保障于对一种气体的及时监测、反馈、控制，对另一种气体按比例调节。

混气精度排序：高精度气体混合系统>动态连续混气装置≈压差(压力)控制混气装置>文丘里引射器。

2.2 混气均匀度比较

高精度气体混合系统的均匀度保障于有主动搅拌部件，以及气体的组分均匀分布与扩散；动态连续混气装置的均匀度保障于有对称分布的内外螺旋叶片，起搅拌和均匀分配气体组分的作用，保证气体扩散时均匀、对称；文丘里引射器的均匀度保障于圆形喷嘴，但在横截面上无法保证气体组分均匀分布；压差(压力)控制混气装置的均匀度保障于气体在混合室内自由扩散。

混气均匀度排序：高精度气体混合系统>动态连续混气装置>文丘里引射器>压差(压力)控制混气装置。

2.3 混气阻力比较

文丘里引射器的阻力主要来自于工作气体的高速流动；高精度气体混合系统的阻力主要来自于整流支管在水中的旋转；动态连续混气装置的阻力主要来自于阀门的孔口流通面积和螺旋叶片；压差(压力)控制混气装置的阻力主要来自于阀门的孔口流通面积。

混气阻力排序：文丘里引射器>高精度气体混合系统>动态连续混气装置>压差(压力)控制混气装置。

2.4 对CH4浓度、流量的波动适应性比较

高精度气体混合系统的波动适应性保障于系统有充足的监测、反馈、控制时间，能将波动性滤掉，输出相对流量、浓度平稳的混合气体；动态连续混气装置、压差(压力)控制混气装置的波动适应性保障于对不同气体的及时监测、反馈、精确控制；文丘里引射器对波动适应性不够灵活，喷嘴的尺寸确定后工作气体与引射气体的流量比是定值，需要两种气体以其他比例混合时，较难实现。

CH4浓度、流量的波动适应性排序：高精度气体混合系统>动态连续混气装置≈压差(压力)控制混气装置>文丘里引射器。