第43屆三等獎(jiǎng)?wù)撐?--瓦斯發(fā)電機(jī)組利用超低濃度瓦斯摻氧發(fā)電的可行性分析與實(shí)踐
瓦斯發(fā)電機(jī)組利用超低濃度瓦斯摻氧發(fā)電的可行性分析與實(shí)踐
煤層氣公司 苗亞臣 徐樂宇 張化軍
摘 ?要 ?分析了利用工業(yè)制氧機(jī)補(bǔ)充純氧實(shí)現(xiàn)利用超低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電的可行性。
關(guān)鍵詞 ?超低濃度瓦斯 ?摻氧發(fā)電?可行性分析 ?實(shí)踐
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1 ?概 ?述
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鐵煤集團(tuán)在2007年10月引進(jìn)了低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)，先后在鐵法礦區(qū)的五個(gè)煤礦投資建成了6座瓦斯發(fā)電站。目前煤層氣公司所屬的瓦斯發(fā)電場，共有17臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為9100kWh。
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2 問題提出
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煤層氣公司將各礦井抽采的甲烷濃度高于30%的中等濃度瓦斯氣與壓裂井抽采的高濃瓦斯氣（甲烷濃度在97%以上）進(jìn)行摻混，實(shí)現(xiàn)市場銷售；將甲烷濃度13～30%的瓦斯氣用于發(fā)電。近年來隨著各礦井的煤炭資源逐漸枯竭，煤炭產(chǎn)量降低，造成低濃度瓦斯（甲烷濃度低于30%）的瓦斯氣量呈上升趨勢，而中等濃度以上的瓦斯氣產(chǎn)量卻呈現(xiàn)逐年下降趨勢。
然而，在生產(chǎn)實(shí)踐中，甲烷濃度在9～13%之間的瓦斯卻很難用于啟機(jī)發(fā)電。甲烷在空氣中的爆炸極限為5～16%,而且在濃度為9%的狀態(tài)下爆炸威力是最大的，然后在這此種濃度狀態(tài)下瓦斯發(fā)電機(jī)組卻無法啟機(jī)發(fā)電，同時(shí)排空的甲烷氣體又會(huì)對大氣造成巨大污染，即浪費(fèi)資源又不利于環(huán)境保護(hù)。通過對瓦斯發(fā)電行業(yè)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種狀況是瓦斯發(fā)電單位普遍存在的狀況，而且一致認(rèn)為甲烷濃度低是主要原因。
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3 原因分析
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通過對可能影響瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率因素的跟蹤分析后，確定氣源是主要原因。瓦斯發(fā)電機(jī)組供氣源的要求為：低濃度瓦斯氣主管道輸送壓力3～10kPa，瓦斯氣溫度≤40℃，適應(yīng)的甲烷體積含量不低于9%；對于甲烷體積含量小于30%的瓦斯，甲烷與氧氣體積含量之和不低于28%，氧氣體積含量不低于16%。壓力變化率≤1kPa/min，變化速率≤5%/min，雜質(zhì)粒度≤5μm，雜質(zhì)含量≤30mg/Nm3，含硫量≤50mg/Nm3，水分含量≤10g/Nm3，不含游離水。
而在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)甲烷濃度低于13%時(shí)，卻直接造成發(fā)電機(jī)組逆功率運(yùn)行，直至被迫停機(jī)停產(chǎn)。通過對鐵法礦區(qū)各氣源礦井的低濃瓦斯氣進(jìn)行跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，小青電站、曉南電站、大隆電站的氣源甲烷濃度維持在9～13%。其他3座發(fā)電站即使氣源濃度在13～20%濃度區(qū)間內(nèi)，其發(fā)電功率也大多在300kW/h（瓦斯發(fā)電機(jī)組額定功率為500kW/h，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率為400kW/h）。
結(jié)合對瓦斯氣源狀況的持續(xù)跟蹤分析，并結(jié)合甲烷爆炸燃燒的化學(xué)式，推測：導(dǎo)致瓦斯發(fā)電機(jī)組無法利用超低濃度瓦斯進(jìn)行啟機(jī)發(fā)電的根本原因是瓦斯氣體中含氧量不足。甲烷爆炸燃燒的化學(xué)式如下：
CH4+2O2=CO2+2H2O
由于含氧量的不足造成甲烷無法在爆炸極限范圍內(nèi)進(jìn)行爆炸燃燒，因此導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法啟機(jī)發(fā)電。對具有代表性的小青發(fā)電站的氣源取樣如表1。
表1 小青礦氣樣分析化驗(yàn)表
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分析化驗(yàn)結(jié)果 |
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氣體成分 |
CH4(%) |
02(%) |
N2(%) |
C02(%) |
C0(%) |
C2H6(%) |
C2H4(%) |
C2H2(%) |
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小青泵站 |
11.7925 |
14.8166 |
72.9325 |
0.3857 |
0 |
0.0727 |
0 |
0 |
上表中，采樣氣源中甲烷體積含量為11.8%，在甲烷爆炸極限范圍內(nèi)，同時(shí)滿足氣源濃度在9%以上的要求，但其氧氣含量按化學(xué)式計(jì)算應(yīng)該為23.6%,顯然瓦斯氣中含氧量不足，不足以維持甲烷爆炸燃燒。為了配給更多的氧氣，實(shí)際運(yùn)行中需要調(diào)整瓦斯發(fā)電機(jī)組的空氣配給，以滿足氧氣需要。而空氣中的氧氣含量僅為21%，在配給氧氣的同時(shí)，卻稀釋了甲烷濃度，導(dǎo)致低于9%甲烷的濃度要求，此連帶關(guān)系造成瓦斯發(fā)電機(jī)組無法啟機(jī)發(fā)電。
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4 實(shí)驗(yàn)論證
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4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
設(shè)想利用制氧機(jī)制造高濃度氧氣，摻混到瓦斯氣中，既能滿足瓦斯爆炸燃燒對氧氣的需求，又能防止因添加空氣增加氧氣的辦法，造成甲烷濃度稀釋到爆炸區(qū)間以外。為確保設(shè)備投資的科學(xué)性，因此設(shè)計(jì)了一套簡化的試驗(yàn)方案，應(yīng)用于瓦斯發(fā)電機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)證。
采用氧氣瓶補(bǔ)給氧氣，摻混到瓦斯氣源內(nèi)，進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。首先，在瓦斯發(fā)電機(jī)組左右兩側(cè)的調(diào)壓閥與阻火器之間，分別選擇了一處加氧點(diǎn)，并焊接了接頭。然后，為了確保氧氣的持續(xù)供應(yīng)，為啟機(jī)操作和調(diào)整提供充足的時(shí)間，分別制作了兩組氧氣瓶組，以確保充足的氧氣供應(yīng)。其次，為了平衡各氧氣瓶之間及系統(tǒng)氧氣輸送的壓力穩(wěn)定，分別制作了兩個(gè)壓力緩沖罐。
4.2實(shí)驗(yàn)步驟
第一步：在開機(jī)前測量氣源濃度。甲烷濃度為11.8%，氧氣濃度為14.8%。
第二步：在做好啟機(jī)安全檢查后，在不加入氧氣的狀態(tài)下進(jìn)行啟機(jī)。雖然有點(diǎn)火跡象，但無法持續(xù)穩(wěn)定爆炸燃燒，無法啟機(jī)并維持發(fā)電運(yùn)行。
第三步：連接加氧系統(tǒng)，并再次試驗(yàn)啟機(jī)。當(dāng)緩慢開啟緩沖罐出口閥門，逐漸將氧氣瓶組內(nèi)的氧氣摻混到瓦斯氣中時(shí)，來自瓦斯發(fā)電機(jī)的聲音顯示，在缸體內(nèi)發(fā)生了持續(xù)的點(diǎn)火并穩(wěn)定的爆炸燃燒。瓦斯發(fā)電機(jī)組隨即順利啟機(jī)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷。逐漸調(diào)整發(fā)電功率，最終順利達(dá)到400kW/h的發(fā)電功率。機(jī)組維持運(yùn)行1小時(shí)35分鐘后，氧氣瓶內(nèi)氧氣耗盡，隨后發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率從400kW/h逐漸降低，直至逆功停機(jī)。記錄此過程，累計(jì)發(fā)電443kWh。
4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論
瓦斯發(fā)電機(jī)組無法利用處于爆炸極限范圍內(nèi)的超低濃度瓦斯進(jìn)行啟機(jī)發(fā)電的主要原因?yàn)橥咚箽怏w內(nèi)氧氣含量不足。
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5 經(jīng)濟(jì)性分析
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根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，擬設(shè)想在鐵法礦區(qū)的小青瓦斯發(fā)電站內(nèi)，增設(shè)一臺(tái)變壓吸附（PSA）工業(yè)制氧機(jī)，通過鋪設(shè)摻混氧氣管路分別與小青瓦斯發(fā)電站三臺(tái)發(fā)電機(jī)組的主進(jìn)氣管路連接。達(dá)到利用超低濃度瓦斯進(jìn)行混氧發(fā)電的目的。
5.1 摻混氧氣量計(jì)算
實(shí)驗(yàn)中供氣源中甲烷的體積含量為11 %；氧氣體積含量為14%計(jì)算；按每Nm?純甲烷可發(fā)電3kWh.
單臺(tái)機(jī)組按每小時(shí)發(fā)電400kW運(yùn)行所需要的瓦斯體積混量為：
400?3?0.11≈1212( m?)
其中單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行所需要的瓦斯體積混量中氧氣量為：
1212?0.14≈170( m?)
單臺(tái)機(jī)組每小時(shí)運(yùn)行所需要的摻混的氧氣量為（甲烷和氧氣體積含量之和為規(guī)定的28%）：
1212?（0.28-0.11-0.14）=36.4( m?)
實(shí)驗(yàn)使用了7瓶氧氣，每瓶氧氣按6m?計(jì)算，可見，以上計(jì)算數(shù)值與實(shí)際消耗氧氣量基本符合。
5.2工業(yè)制氧機(jī)選型計(jì)算
為滿足小青電站內(nèi)三臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組摻混氧氣用量要求，每小時(shí)制氧量需大于114.39 m?（常溫體積）；故選擇制氧能力100Nm?，氧氣純度在（93%?2）以上的變壓吸附（PSA）工業(yè)性制氧機(jī)。通過對某品牌工業(yè)制氧機(jī)的市場調(diào)研，表2為每小時(shí)100 m?制氧量制氧機(jī)的報(bào)價(jià)。
??表2?每小時(shí)100 m?制氧量制氧機(jī)的報(bào)價(jià)表
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序號(hào) |
名 ?稱 |
型號(hào)規(guī)格 |
數(shù)量 |
單價(jià)（萬元） |
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1 |
空壓機(jī) |
BKL132-8GH |
1臺(tái) |
7.56 |
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2 |
空氣儲(chǔ)罐 |
2.0m3/8KG |
1臺(tái) |
0.46 |
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3 |
冷干機(jī) |
HD0250 |
1套 |
2.24 |
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4 |
主管路過濾器 |
C-25法蘭式 |
1套 |
0.45 |
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5 |
微油過濾器 |
T-25法蘭式 |
1套 |
0.45 |
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6 |
超高效過濾器 |
A-25法蘭式 |
1套 |
0.45 |
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7 |
活性碳過濾器 |
HDT-25 |
1套 |
0.55 |
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8 |
PSA制氧機(jī) |
HDF093-100 |
1套 |
30.38 |
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9 |
氧氣儲(chǔ)罐 |
2.0m3/8KG |
1臺(tái) |
0.72 |
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10 |
運(yùn)費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi) |
1套 |
1.00 |
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? |
含稅價(jià)（大寫）：肆拾肆萬貳仟陸佰元 整 |
合計(jì)：44.26萬元 |
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????????????注：本報(bào)價(jià)，含稅，含運(yùn)費(fèi)含人工安裝調(diào)試費(fèi)、人員培訓(xùn)費(fèi)
5.3制氧成本計(jì)算
HDFQ93-150型工業(yè)制氧機(jī)包含空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、SPA制氧系統(tǒng)，總功率為137Kw，其他耗材為可再生的活性炭，其成本可忽略不計(jì)。即制氧成本主要構(gòu)成即為用電成本。
5.4 投資回報(bào)期
建設(shè)一臺(tái)可移動(dòng)式的撬裝制氧設(shè)備，制氧量為100m?/h，根據(jù)表2，工程計(jì)劃投資50萬元，按每度電的銷售價(jià)格0.42元、瓦斯發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率為400kW、按單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，每月運(yùn)行30天，計(jì)算收回工程投資的時(shí)間不到5個(gè)月，計(jì)算如下：
500000?0.42?400?24?30≈4.1（月）
5.5 效益分析
按利用供氣源摻混部分制氧氣方式運(yùn)行，一方面可以實(shí)現(xiàn)利用超低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電創(chuàng)效的目的，同時(shí)，其對于利用中等濃度瓦斯氣進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電效率同樣具有提高的作用?？梢苿?dòng)式的撬裝制氧設(shè)備還可以方便的運(yùn)輸?shù)叫枰贸蜐舛韧咚惯M(jìn)行發(fā)電的發(fā)電站進(jìn)行使用。如表3所示，預(yù)計(jì)全年可減少因濃度過低造成的瓦斯發(fā)電機(jī)組停機(jī)時(shí)長2.3萬h，全年可增加發(fā)電量1000萬kWh，按2018年瓦斯發(fā)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)，售電單價(jià)為0.42元/kWh計(jì)算，增加利潤400萬元以上；減少濃度為11%的低濃度甲烷排放310萬m?，減排補(bǔ)助按每立方米純量0.2元計(jì)算，爭取國家減排補(bǔ)助62萬元。累計(jì)創(chuàng)效460萬元。
表3?摻氧發(fā)電效益分析表
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瓦斯發(fā)電站 |
售電增收 |
減排補(bǔ)助 |
合計(jì)創(chuàng)收 （萬元） |
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減少停運(yùn)時(shí)長（h） |
增加發(fā)電量 （萬kWh） |
售電增收 （萬元） |
減少甲烷排放量（萬m?） |
減排補(bǔ)助 （萬元） |
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大隆瓦斯發(fā)電站 |
1248 |
4.99 |
1.99 |
16.62 |
3.32 |
5.31 |
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大興瓦斯發(fā)電站 |
5617 |
337.02 |
134.47 |
74.82 |
14.96 |
149.43 |
|
曉南瓦斯發(fā)電站 |
3367 |
134.68 |
53.74 |
44.85 |
8.97 |
62.71 |
|
小青瓦斯發(fā)電站 |
13115 |
524.60 |
209.31 |
174.69 |
34.93 |
244.24 |
|
累積 |
23347 |
1001.29 |
399.51 |
310.98 |
62.20 |
461.71 |
6 結(jié) ?語
通過建立最小化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，證明了瓦斯發(fā)電機(jī)組無法利用甲烷濃度在9～13%范圍內(nèi)的瓦斯進(jìn)行發(fā)電的根本原因是瓦斯氣體內(nèi)含氧量不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果糾正了瓦斯發(fā)電行業(yè)一直以來存在的一個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)。同時(shí)，以最小化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，大膽的提出利用工業(yè)制氧機(jī)補(bǔ)充純氧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用超低濃度瓦斯進(jìn)行發(fā)電的設(shè)想。經(jīng)過測算該項(xiàng)目除了具有顯著的經(jīng)濟(jì)，每年可為煤層氣公司創(chuàng)效460萬元以上，在減少溫室氣體排放方面還具有顯著的環(huán)保和節(jié)能效益，具有良好的推廣價(jià)值。
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第一作者簡介：苗亞臣 （1968—），男，高級(jí)工程師。1991年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院煤田地質(zhì)勘查專業(yè)，現(xiàn)任煤層氣公司經(jīng)理。聯(lián)系電話：024-76838041。
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