煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯利用技术领域，具体涉及一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统。

背景技术

煤矿开采过程中伴生大量煤矿瓦斯，截止2020年，全国煤矿瓦斯抽采量高达128亿m3，但其利用率仅为44.8％。煤矿瓦斯利用低的原因主要包括两个方面：一是煤矿抽采瓦斯浓度普遍较低，现有技术对于CH4浓度介于3％～9％之间的瓦斯一直没有好的利用解决办法，通常直接排空，每年排空的瓦斯量达到2313万m3，相当于11.57万t标煤，一方面造成大量优质能源的浪费，另一方面也带来了严重的温室效应(CH4的温室效应约为CO2的21倍)；二是煤矿瓦斯因抽采方式、位置和时间不同而存在较大差异和波动，波动范围在0.1％～6％，已有的瓦斯利用技术难以对其直接利用而形成规模化应用。此外，我国39％的CH4排放主要来源于煤炭开采，CH4排放控制也已首次纳入我国规划。因此，解决煤矿低浓度瓦斯的问题，在增加清洁能源和降低温室气体排放等方面都具有重要的现实意义。

中国专利CN110985202A公开了基于低浓度瓦斯的冷、热、电三联供系统，包括：瓦斯泵房、低浓度瓦斯输送保障单元、混配器、瓦斯蓄热氧化装置、制冷单元、供暖单元和燃气发电机组，低浓度瓦斯输送保障单元与瓦斯泵房相连；混配器与低浓度瓦斯输送保障单元相连，且适于将瓦斯的一部分与空气混合；瓦斯蓄热氧化装置与混配器相连，且适于对混合瓦斯进行氧化处理，以便得到高温烟气和氧化尾气；制冷单元与瓦斯蓄热氧化装置相连，且适于利用高温烟气的一部分制备得到低温水和制冷尾气；供暖单元与瓦斯蓄热氧化装置相连，且适于利用高温烟气的再一部分与冷水进行换热；燃气发电机组与低浓度瓦斯输送保障单元相连，且适于燃烧瓦斯的再一部分进行发电，并且产生燃烧烟气。上述专利主要存在以下不足：第一，其没有具体解决在煤矿低浓度抽采瓦斯浓度和流量波动下的稳定运行问题；第二，现有技术方案利用的瓦斯浓度范围主要为<3％，<3％的低浓度瓦斯燃烧产生低品质热量的烟气(温度低于250℃)，热损失大，耗电量大，难以实现发电、供热、制冷一体化利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统，既实现了低浓度瓦斯的高效清洁利用，又能够保证低浓度瓦斯燃烧运行的稳定性，提高低浓度瓦斯的综合利用率。

为实现上述目的，本发明的一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统，包括低浓度瓦斯抽采泵站、低浓度瓦斯管道输送保障单元、空气供给单元、汽轮机发电机组、供热单元和制冷单元；还包括智能配气单元、瓦斯浓度补偿单元、多孔介质催化燃烧装置、余热锅炉，所述低浓度瓦斯抽采泵站与低浓度瓦斯管道输送保障单元相连；所述低浓度瓦斯管道输送保障单元与所述智能配气单元相连，所述空气供给单元与所述智能配气单元相连；所述瓦斯浓度补偿单元连接于所述低浓度瓦斯管道输送保障单元与所述智能配气单元的通路上；所述智能配气单元与所述多孔介质催化燃烧装置的入口相连，所述多孔介质催化燃烧装置的出口与所述余热锅炉相连，所述余热锅炉的热量分三路通向所述汽轮发电机组、所述供热单元和制冷单元；

所述智能配气单元包括空气-CH

所述瓦斯浓度补偿单元包括甲烷气罐、减压阀和单向阀，用于在瓦斯浓度产生波动时，通过所述智能配气单元的自动扰动补偿控制提供一定量的CH

所述多孔介质催化燃烧装置包括阻火器、均流装置、多孔介质、集气罩、燃烧器本体、保温层、支撑底座，所述燃烧器本体安装于所述支撑底座上，其底端入口通过所述阻火器与所述智能配气单元相连，其顶端出口设置所述集气罩；在入口与出口之间的燃烧室内设置所述多孔介质，所述多孔介质为多层，其孔隙率均不相同；所述均流装置设置于燃烧室的底部；所述燃烧器本体外部设所述保温层。

进一步地，在所述多孔介质燃烧装置中，所述多孔介质为四层，四层多孔介质的孔隙率由燃烧器本体入口到出口方向依次为40PPI、30PPI、20PPI和10PPI。

进一步地，所述多孔介质燃烧装置还包括热电偶、烟气分析仪、高能点火器，所述热电偶设置所述保温层内，所述烟气分析仪用于对燃烧后燃气进行分析，所述高能点火器用于为燃烧室内的低浓度瓦斯点火。

进一步地，所述低浓度瓦斯输送保障单元包括依次管路相连的防逆流装置、阻爆装置、抑爆装置、水封阻火泄爆装置、火焰传感器、脱硫装置，所述防逆流装置与所述低浓度瓦斯泵站相连，所述火焰传感器连接于所述水封阻火泄爆装置与所述脱硫装置之间，所述防逆流装置、所述阻爆装置、所述抑爆装置、所述水封阻火泄爆装置、所述火焰传感器均与监控系统相连。

进一步地，所述空气供给单元包括空气压缩机、储气罐、过滤器和干燥机，所述过滤器为油水分离器。

进一步地，所述余热锅炉包括过热器、蒸发器、省煤器和汽包,所述过热器、蒸发器、省煤器分别与所述汽包相连。

进一步地，所述汽轮机发电机组由汽轮机和发电机组成，所述汽轮机为凝汽式汽轮机。

进一步地，所述供热单元包括热网加热器和供热回水装置，所述热网加热器和供热回水装置通过管路相连，所述热网加热器用于获取所述汽轮机中的一部分高温蒸汽进行供热，所述供热回水装置用于将供热回水输送至所述热网加热器完成热水循环。

进一步地，所述制冷单元包括吸收式制冷机和制冷回水装置，所述吸收式制冷机用于获取所述汽轮机中的一部分高温蒸汽，然后制作成低温水进行制冷，所述制冷回水装置用于将制冷回水输送至所述吸收式制冷机完成冷水循环。

进一步地，所述吸收式制冷机为溴化锂制冷机组。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明利用煤矿抽采低浓度瓦斯在多孔介质燃烧装置中催化燃烧可产生温度大于600℃的高品质烟气进行冷、热、电三联供，实现了CH4浓度为4％～5％，优选的CH4浓度为4.5％～4.7％的低浓度瓦斯的高效清洁利用；

(2)本发明通过增设瓦斯浓度补偿单元，可以在煤矿抽采瓦斯浓度产生波动时利用智能配气单元的反馈调节作用自动补给一定量的CH4气体，从而保证了煤矿抽采瓦斯燃烧运行的稳定性；

(3)与蓄热氧化和催化氧化装置相比，本发明采用多孔介质催化燃烧装置，以多孔介质为催化燃烧载体，低浓度瓦斯在多孔介质中进行燃烧，充分提高了低浓度瓦斯燃烧效率；此外，多孔介质采用四层布置，每层多孔介质具有不同的孔隙率，从燃烧器入口开始每层多孔介质的孔隙率分别为40PPI、30PPI、20PPI和10PPI，有效保证了低浓度瓦斯在多孔介质燃烧区域火焰的稳定传递，避免了脱火和回火现象的发生。

附图说明

图1是本发明的低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统结构示意图；

图中，1-低浓度瓦斯抽采泵站，2-防逆流装置，3-阻爆装置，4-抑爆装置，5-水封阻火泄爆装置，6-火焰传感器，7-脱硫装置，8-空气压缩机，9-储气罐，10-过滤器，11-干燥机，12-混气室，13-甲烷气罐，14-阻火器，15-均流装置，16-多孔介质，17-热电偶，18-高能点火器，19-集气罩，20-燃烧器本体，21-保温层，22-烟气分析仪，23-支撑底座，24-过热器，25-蒸发器，26-省煤器，27-汽包，28-汽轮机，29-发电机，30-热网加热器，31-供热回水装置，32-吸收式制冷机，33-制冷回水装置，34-凝汽器，35-凝结水泵，36-循环水泵，37-冷却塔，38-引风机，39-烟囱。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统，包括低浓度瓦斯抽采泵站1、低浓度瓦斯管道输送保障单元、智能配气单元、空气供给单元、瓦斯浓度补偿单元、多孔介质催化燃烧装置、余热锅炉、汽轮机发电机组、供热单元和制冷单元。其中，低浓度瓦斯抽采泵站1与低浓度瓦斯管道输送保障单元相连，低浓度瓦斯管道输送保障单元与智能配气单元相连，空气供给单元与智能配气单元相连，瓦斯浓度补偿单元连接于低浓度瓦斯管道输送保障单元与智能配气单元的通路上，智能配气单元与所魔窟多孔介质催化燃烧装置的入口相连，多孔介质催化燃烧装置的出口与余热锅炉相连，余热锅炉的热量分三路通向汽轮发电机组、供热单元和制冷单元。

智能配气单元包括空气-CH

瓦斯浓度补偿单元包括甲烷气罐13、减压阀和单向阀，当瓦斯浓度产生波动时，通过智能配气单元的自动扰动补偿控制提供一定量的CH4，以保证瓦斯浓度始终维持在4.5～4.7％的稳定范围。

多孔介质催化燃烧装置包括阻火器14、均流装置15、多孔介质16，热电偶17、高能点火器18、集气罩19、燃烧器本体20、保温层21，烟气分析仪22、支撑底座23，燃烧器本体20安装于支撑底座23上，其底端入口通过阻火器14与智能配气单元相连，其顶端出口设置集气罩19；在入口与出口之间的燃烧室内设置多孔介质16，多孔介质16为四层，其孔隙率均不相同；均流装置15设置于燃烧室的底部；燃烧器本体20外部设有保温层21。

均流装置15采用双层均流板布置，保证进入燃烧器的瓦斯混合气速度分布均匀。多孔介质16为氧化铝泡沫陶瓷多孔介质，采用四层布置，每层多孔介质16具有不同的孔隙率，从燃烧器入口开始每层多孔介质的孔隙率分别为40PPI、30PPI、20PPI和10PPI，保证混合气在多孔介质燃烧区域火焰的稳定传递，避免脱火和回火现象的发生。集气罩19用于收集瓦斯燃烧产生的高温烟气，燃烧器本体20与集气罩19和均流装置15采用法兰连接，便于拆卸。高能点火器18用于燃烧室内的低浓度瓦斯点火，燃气分析仪22用于对燃烧后燃气进行分析。当然，多孔介质16的材质，不限于泡沫陶瓷多孔介质，也可以是金属多孔介质，多孔介质的层数、孔隙率和布置方式也不受本发明所限制。

低浓度瓦斯输送保障单元包括依次管路相连的防逆流装置2、阻爆装置3、抑爆装置4、水封阻火泄爆装置5、火焰传感器6、脱硫装置7，防逆流装置2与低浓度瓦斯泵站1相连，防逆流装置2、阻爆装置3、抑爆装置4、水封阻火泄爆装5置依次相连，水封阻火泄爆装置5与脱硫装置7相连，火焰传感器6连接于水封阻火泄爆装置5与脱硫装置7，防逆流装置2、阻爆装置3、抑爆装置4、水封阻火泄爆装置5、火焰传感器6均与监控系统相连。空气供给单元包括空气压缩机8、储气罐9、过滤器10和干燥机11，过滤器10为油水分离器。

余热锅炉包括过热器24、蒸发器25、省煤器26和汽包27。高温烟气经过热器24、蒸发器25、省煤器26换热加热汽包27给水产生温度为200～300℃的过热蒸汽从过热器输出，换热后的烟气(小于100℃)经引风机38抽取后从烟囱39排出。

汽轮机发电机组由汽轮机28和发电机29组成，汽轮机28为凝汽式汽轮机，适于将余热锅炉产生的温度为200～300℃的过热蒸汽通入汽轮机做功带动发电机29进行发电。

供热单元包括热网加热器30和供热回水装置31，热网加热器30和供热回水装置31通过管路相连，热网加热器30用于将从汽轮机28中抽出的一部分高温蒸汽输入热网加热器加热给水进行供热，供热回水装置31用于将供热回水输送至热网加热器30完成热水循环。

制冷单元包括吸收式制冷机32和制冷回水装置33，吸收式制冷机32用于将从汽轮机中抽出的一部分高温蒸汽进输入吸收式制冷机32得到低温水进行制冷，制冷回水装置33用于将制冷回水输送至吸收式制冷机32完成冷水循环。吸收式制冷机32为溴化锂制冷机组，可以提高蒸汽的换热效率。

凝汽器34与汽轮机发电机组相连，用于将汽轮机28排出的乏汽凝结成循环水送回余热锅炉完成循环。具体地，由凝汽器34凝结后的水先送入冷却塔37冷却，然后再经循环水泵36及凝结水泵35输送至余热锅炉进行循环使用。

本发明将多孔介质催化燃烧技术与热电联供技术相结合，通过利用低浓度瓦斯在多孔介质燃烧装置中催化燃烧产生的高温烟气进行冷、热、电三联供，一方面，实现了煤矿抽采低浓度瓦斯的能量综合利用，减少了煤矿低于5％抽采低浓度瓦斯对空排放，减轻了温室效应；另一方面，4-5％低浓度的瓦斯混合气配合多孔介质燃烧器，其产生的烟气温度高(>600℃)，能量利用率高；再者，通过利用智能配气单元的自动扰动补偿功能，解决了多孔介质燃烧装置受煤矿低浓度瓦斯参数波动导致的运行不稳定，显著提高了煤矿低浓度瓦斯的利用效率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。