專利名稱：一種煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)及方法，尤其適用 于對(duì)煤礦瓦斯進(jìn)行氧化并對(duì)反應(yīng)熱進(jìn)行高效熱電的轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
在我國(guó)常規(guī)能源構(gòu)成中，煤炭資源總量約5.57萬(wàn)億噸，地下2000m以內(nèi)的瓦斯 (煤層氣)資源量約30 35萬(wàn)億m3，有效開(kāi)采和利用煤炭及瓦斯資源在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā) 展中的重要地位日益凸顯。瓦斯是一種與煤伴生的、不可再生的資源，同時(shí)瓦斯也是一 種清潔、高效的能源，其發(fā)熱量可達(dá)33.5 36.8MJ/m3，Im3瓦斯相當(dāng)于1.3kg標(biāo)準(zhǔn)煤的 發(fā)熱量，并且其利用過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生氮氧化合物及硫化物等有害物質(zhì)。我國(guó)50%以上的煤層為高瓦斯煤層，2009年我國(guó)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中釋放的瓦斯總 量超過(guò)150億m3，但將近2/3的瓦斯則以乏風(fēng)的形式直接排入了大氣，既浪費(fèi)了大量寶 貴的能源資源，也污染了大氣環(huán)境。更加重要的是，瓦斯(煤層氣)的溫室效應(yīng)是二氧 化碳的21倍，對(duì)臭氧層的破壞是CO2的7倍。按照目前世貿(mào)組織中減排權(quán)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格，目 前在國(guó)際碳匯市場(chǎng)，每噸碳的減排量可以賣85元人民幣，每年150億m3瓦斯的減排和利 用，可獲得170億人民幣的收益。隨著《應(yīng)對(duì)氣候變換國(guó)家方案》的實(shí)施，我國(guó)的節(jié)能 減排問(wèn)題已成為現(xiàn)階段的重要戰(zhàn)略任務(wù)。因此，煤礦瓦斯特別是乏風(fēng)瓦斯的綜合利用， 不僅可以在瓦斯利用方面獲得直接的經(jīng)濟(jì)收益，又可在節(jié)能減排方面獲得豐厚的回報(bào)。煤礦瓦斯的利用主要包括民用、發(fā)電、工業(yè)及化工燃料、燃?xì)廛囕v等，其中煤 礦瓦斯發(fā)電是煤礦瓦斯利用的主流發(fā)展方向。目前，對(duì)于中高濃度(> 30% )的煤礦瓦 斯發(fā)電技術(shù)，已比較成熟；對(duì)于10% 30%的低濃度煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)，山東勝動(dòng)集團(tuán) 采用內(nèi)燃式發(fā)電機(jī)組開(kāi)展了一定的工作，在部分礦區(qū)進(jìn)行了試點(diǎn)研究，盡管如此，目前 大多礦區(qū)對(duì)該濃度范圍的瓦斯仍以排空為主；而對(duì)于濃度在 10%的煤礦低濃度瓦 斯在甚至濃度小于的煤礦乏風(fēng)瓦斯發(fā)電技術(shù)，目前尚屬空白。由于煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯的特點(diǎn)(風(fēng)量大、瓦斯?jié)舛鹊颓也▌?dòng)范圍大)， 使得傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)特別是如何產(chǎn)生高品位電能方面存在較大困難。所以，煤礦低濃度 瓦斯(530%)及乏風(fēng)瓦斯(5 1%)用于發(fā)電至今尚未實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)中的不足，提供一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、單機(jī)容量匹配合理、操作方便、效果好的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系 統(tǒng)及方法。技術(shù)方案本發(fā)明的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)，包括瓦斯氧 化裝置、分別與瓦斯氧化裝置相連接的進(jìn)、排氣裝置、循環(huán)水處理系統(tǒng)和與發(fā)電機(jī)相連 的螺桿式膨脹機(jī)；其中瓦斯氧化裝置包括多孔陶瓷氧化床、間隔平行排列在多孔陶 瓷氧化床上下部的多個(gè)內(nèi)置式換熱器，多孔陶瓷氧化床的中部設(shè)有至少一個(gè)氧化床啟動(dòng)加熱器，多個(gè)內(nèi)置式換熱器的端口分別經(jīng)管線與循環(huán)水處理系統(tǒng)鍋筒和螺桿式膨脹機(jī)相 連接；進(jìn)、排氣裝置包括分別與多孔陶瓷氧化床上下風(fēng)室相連通的進(jìn)、排氣管，進(jìn)、排 氣管上分別連接送、引氣風(fēng)機(jī)，送、引氣風(fēng)機(jī)經(jīng)四通換向閥與乏風(fēng)瓦斯氧化裝置相連； 所述的水處理循環(huán)系統(tǒng)包括鍋筒、與鍋筒給水泵管線相連的儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水箱上分別連接 有與螺桿式膨脹機(jī)相連的冷凝器、與給水泵相連的水處理器，儲(chǔ)水箱與鍋筒相連的管線 上連有鍋筒給水泵，鍋筒出口通向一個(gè)內(nèi)置式換熱器的管線上連有內(nèi)置式換熱器循環(huán)水 泵。所述的螺桿式膨脹機(jī)為單螺桿式膨脹機(jī)或雙螺桿式膨脹機(jī)；所述的冷凝器為風(fēng) 冷式或水冷式冷凝器。本發(fā)明的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電方法先開(kāi)啟加熱器啟動(dòng)多孔 陶瓷氧化床，將抽采的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯由進(jìn)風(fēng)管經(jīng)送風(fēng)機(jī)加壓后送入多孔陶 瓷氧化床內(nèi)，通過(guò)控制四通換向閥，使煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯氣體在多孔陶瓷氧化 床內(nèi)周期性往復(fù)流動(dòng)并發(fā)生過(guò)焓氧化反應(yīng)，從而維持瓦斯氧化裝置自穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行；氧 化產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)內(nèi)置式換熱器提取熱量后由引風(fēng)機(jī)從排氣管排出；經(jīng)給水泵加壓后 的工質(zhì)水先經(jīng)水處理裝置處理后引入儲(chǔ)水箱內(nèi)，再經(jīng)水泵加壓后進(jìn)入多孔陶瓷氧化床的 鍋筒，給水在內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵的作用下進(jìn)入內(nèi)置式換熱器內(nèi)，所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)管 線進(jìn)入鍋筒內(nèi)，經(jīng)鍋筒汽水分離后進(jìn)一步過(guò)熱再進(jìn)入螺桿式膨脹機(jī)膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，做功后的工質(zhì)水經(jīng)冷凝器冷凝后返回至儲(chǔ)水箱以循 環(huán)利用。有益效果1、采用多孔陶瓷氧化床作為氧化反應(yīng)器，不僅可以有效實(shí)現(xiàn)煤礦低濃度瓦斯及 乏風(fēng)瓦斯的過(guò)焓氧化，還有效拓展了煤礦瓦斯自維持穩(wěn)定氧化反應(yīng)的濃度極限；2、以單機(jī)容量較小的螺桿式膨脹機(jī)作為熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的裝置，可實(shí)現(xiàn)能量 轉(zhuǎn)換裝置與瓦斯氧化床的有效合理匹配，避免了傳統(tǒng)蒸汽透平機(jī)單機(jī)容量過(guò)大、系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜而與低濃度煤礦瓦斯氧化裝置的不匹配。3、系統(tǒng)冷凝器既可采用水冷式，也可采用風(fēng)冷式，可因地制宜的選擇；作為工 質(zhì)介質(zhì)的水可采用循環(huán)利用的方式，有效的節(jié)約利用水資源。


附圖是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖中1-進(jìn)氣管，2-排氣管，3-送風(fēng)機(jī)，4.-引風(fēng)機(jī)，5-四通換向閥，6_多孔 陶瓷氧化床，7.-內(nèi)置式換熱器，8.-鍋筒，9-螺桿式膨脹機(jī)，10-發(fā)電機(jī)，11-冷凝器， 12-給水泵，13-水處理器，14-儲(chǔ)水箱，15-鍋筒給水泵，16-內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵， 17-氧化床啟動(dòng)加熱器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述附圖所示，煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)主要由瓦斯氧化裝置、 分別與瓦斯氧化裝置相連接的進(jìn)、排氣裝置、循環(huán)水處理系統(tǒng)和與發(fā)電機(jī)10相連的螺桿式膨脹機(jī)9構(gòu)成，其中瓦斯氧化裝置包括多孔陶瓷氧化床6、間隔平行排列在多孔陶瓷 氧化床6上下部的多個(gè)內(nèi)置式換熱器7，多孔陶瓷氧化床6的中部設(shè)有至少一個(gè)氧化床啟 動(dòng)加熱器17，多個(gè)內(nèi)置式換熱器7的端口分別經(jīng)管線與循環(huán)水處理系統(tǒng)鍋筒8和螺桿式 膨脹機(jī)9相連接，螺桿式膨脹機(jī)9采用單螺桿式膨脹機(jī)或雙螺桿式膨脹機(jī)。多孔陶瓷氧 化床6用于煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯的氧化及氧化熱量的提取，螺桿式膨脹機(jī)9用于熱 能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)10進(jìn)行發(fā)電。進(jìn)、排氣裝置包括分別與多孔陶瓷氧化床 6上下風(fēng)室相連通的進(jìn)、排氣管1、2，進(jìn)、排氣管1、2上分別連接送、引氣風(fēng)機(jī)3、4， 送、引氣風(fēng)機(jī)3、4經(jīng)四通換向閥5與乏風(fēng)瓦斯氧化裝置相連；所述的水處理循環(huán)系統(tǒng)包 括鍋筒8、與鍋筒給水泵管線相連的儲(chǔ)水箱14，儲(chǔ)水箱14上分別連接有與螺桿式膨脹機(jī)9 相連的冷凝器11、與給水泵12相連的水處理器13，冷凝器11采用風(fēng)冷式或水冷式冷凝 器。儲(chǔ)水箱14與鍋筒8相連的管線上連有鍋筒給水泵15，鍋筒8出口通向一個(gè)內(nèi)置式換 熱器7的管線上連有內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵16。水處理器13及給水泵12、鍋筒給水泵 15和內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵16用于工作介質(zhì)水的凈化并實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)。
煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電方法采用煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯 在多孔陶瓷氧化床6內(nèi)進(jìn)行周期性往復(fù)流動(dòng)式的過(guò)焓氧化反應(yīng)，反應(yīng)熱由工作介質(zhì)水經(jīng) 內(nèi)置式換熱器7進(jìn)行提取，所產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入螺桿式膨脹機(jī)9進(jìn)行做功，將熱能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。工作時(shí)，先開(kāi)啟加熱器17啟動(dòng)多孔陶瓷氧化床6， 將抽采的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯由進(jìn)風(fēng)管1經(jīng)送風(fēng)機(jī)3加壓后送入多孔陶瓷氧化床6 內(nèi)，通過(guò)控制四通換向閥5，使煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯氣體在多孔陶瓷氧化床6內(nèi)周 期性往復(fù)流動(dòng)并發(fā)生過(guò)焓氧化反應(yīng)，從而維持瓦斯氧化裝置自穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行；氧化產(chǎn)生 的高溫氣體經(jīng)內(nèi)置式換熱器7提取熱量后由引風(fēng)機(jī)4從排氣管2排出；作為工質(zhì)的給水由 給水泵12先經(jīng)水處理裝置13處理后進(jìn)入儲(chǔ)水箱14，再由鍋筒給水泵15加壓進(jìn)入多孔陶 瓷氧化床6的鍋筒8，在內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵16的作用下工質(zhì)水進(jìn)入多孔陶瓷氧化床6 的內(nèi)置式換熱器7，所產(chǎn)生的蒸汽由鍋筒8內(nèi)的汽水分離器分離后經(jīng)進(jìn)一步過(guò)熱再進(jìn)入螺 桿式膨脹機(jī)9膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)10進(jìn)行發(fā)電，做功后的 蒸汽經(jīng)冷凝器11冷凝后返回至儲(chǔ)水箱14以循環(huán)利用。
權(quán)利要求
1.一種煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于它包括瓦斯氧化 裝置、分別與瓦斯氧化裝置相連接的進(jìn)、排氣裝置、循環(huán)水處理系統(tǒng)和與發(fā)電機(jī)相連的 螺桿式膨脹機(jī)(9)；其中瓦斯氧化裝置包括多孔陶瓷氧化床(6)、間隔平行排列在多孔 陶瓷氧化床(6)上下部的多個(gè)內(nèi)置式換熱器(7)，多孔陶瓷氧化床(6)的中部設(shè)有至少一 個(gè)氧化床啟動(dòng)加熱器(17)，多個(gè)內(nèi)置式換熱器(7)的端口分別經(jīng)管線與循環(huán)水處理系統(tǒng) 鍋筒(8)和螺桿式膨脹機(jī)(9)相連接；進(jìn)、排氣裝置包括分別與多孔陶瓷氧化床(6)上下 風(fēng)室相連通的進(jìn)、排氣管(1、2)，進(jìn)、排氣管(1、2)上分別連接送、引氣風(fēng)機(jī)(3、4)， 送、引氣風(fēng)機(jī)(3、4)經(jīng)四通換向閥(5)與乏風(fēng)瓦斯氧化裝置相連；所述的水處理循環(huán)系 統(tǒng)包括鍋筒(8)、與鍋筒給水泵管線相連的儲(chǔ)水箱(14)，儲(chǔ)水箱(14)上分別連接有與螺 桿式膨脹機(jī)(9)相連的冷凝器(11)、與給水泵(12)相連的水處理器(13)，儲(chǔ)水箱(14) 與鍋筒(8)相連的管線上連有鍋筒給水泵(15)，鍋筒(8)出口通向一個(gè)內(nèi)置式換熱器(7) 的管線上連有內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 所述的螺桿式膨脹機(jī)(9)為單螺桿式膨脹機(jī)或雙螺桿式膨脹機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于 所述的冷凝器(11)為風(fēng)冷式或水冷式冷凝器。
4.一種如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電方法，其特 征在于先開(kāi)啟加熱器(17)啟動(dòng)多孔陶瓷氧化床(6)，將抽采的煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng) 瓦斯由進(jìn)風(fēng)管⑴經(jīng)送風(fēng)機(jī)⑶加壓后送入多孔陶瓷氧化床(6)內(nèi)，通過(guò)控制四通換向閥 (5)，使煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯氣體在多孔陶瓷氧化床(6)內(nèi)周期性往復(fù)流動(dòng)并發(fā)生 過(guò)焓氧化反應(yīng)，從而維持瓦斯氧化裝置自穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行；氧化產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)內(nèi)置式 換熱器(7)提取熱量后由引風(fēng)機(jī)(4)從排氣管(2)排出；經(jīng)給水泵(12)加壓后的工質(zhì)水 先經(jīng)水處理裝置(13)處理后引入儲(chǔ)水箱(14)內(nèi)，再經(jīng)水泵(15)加壓后進(jìn)入多孔陶瓷氧 化床(6)的鍋筒(8)，給水在內(nèi)置式換熱器循環(huán)水泵(16)的作用下進(jìn)入內(nèi)置式換熱器(7) 內(nèi)，所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)管線進(jìn)入鍋筒(8)內(nèi)，經(jīng)鍋筒(8)汽水分離后進(jìn)一步過(guò)熱再進(jìn)入螺桿 式膨脹機(jī)(9)膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(10)進(jìn)行發(fā)電，做功后的工 質(zhì)水經(jīng)冷凝器(11)冷凝后返回至儲(chǔ)水箱(14)以循環(huán)利用。
全文摘要
一種煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯熱氧化發(fā)電系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)主要由多瓦斯氧化裝置、水處理裝置、螺桿式膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器等設(shè)備組成。采用煤礦低濃度瓦斯及乏風(fēng)瓦斯在多孔陶瓷氧化床內(nèi)進(jìn)行周期性往復(fù)流動(dòng)式的過(guò)焓氧化反應(yīng)，反應(yīng)熱由工作介質(zhì)水經(jīng)內(nèi)置式換熱器進(jìn)行提取，所產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入螺桿式膨脹機(jī)進(jìn)行做功，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。該系統(tǒng)及方法簡(jiǎn)單、單機(jī)容量匹配合理、操作方便、使用效果好。
文檔編號(hào)F01D15/10GK102011605SQ20101050185
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者李慶釗, 林柏泉 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)