CN101915411B - 煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统，属于超低浓度甲烷逆流氧化和低密度能量回收技术领域。汽包的水在循环水泵驱动下进入两个蒸发器进行蒸发，经过回水管回到汽包；汽包内的蒸汽进入两个过热器被加热成过热蒸汽送给外界；水箱内的水在补水泵驱动下依次进入电动调节阀和预热器，在预热器内被过热蒸汽加热后进入汽包；利用温控电动调节阀控制补水的温度；PLC根据液位计和蒸汽流量计的信号，控制电动调节阀的开度，实现连续稳定的补水；在加热启动时，可以通过阀门切换使循环水流经过热器，保护过热器。本发明具有蒸汽参数波动小、运行稳定、工作可靠等优点。

Description

煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统

技术领域

本发明涉及一种煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统，属于超低浓度甲烷逆流氧化和低密度能量回收技术领域。

背景技术

煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，是气体能源。为了提高煤矿生产的安全性，通常采用大量通风来排放煤矿瓦斯(称为煤矿乏风)。目前，常采用蓄热逆流氧化技术治理和利用煤矿乏风瓦斯，将其氧化成二氧化碳和水，并回收其热量用以生产热水和蒸汽等。在煤矿乏风瓦斯氧化装置运行时，氧化床中部为高温区域，温度在1000℃以上，两侧温度逐渐降低，直至氧化端部接近于常温；煤矿乏风在进入氧化床后被氧化床加热，温度逐渐升高，直至甲烷在高温区中氧化；氧化的热气体继续向氧化床的另一边移动，把热量传递给氧化床而逐渐降温。该技术的关键是不断切换进入氧化床气体的流动方向，以保证煤矿乏风瓦斯在氧化床中部高温区中氧化。实践证明，当乏风中甲烷浓度为0.2％时，氧化放出的热量能够维持氧化装置壳体表面散热和出口处气体带走的一小部分能量，氧化装置仍然能够运转而不需要补充额外的能量。如果甲烷浓度高于0.2％时，可以将多余的热量从氧化床取出加以利用。

取热技术是十分关键的，它不但影响热效率，还影响到氧化装置工作运行稳定性。大连海事大学采用温差发电系统来利用乏风瓦斯氧化放出的热量(200910010612.8)，将温差发电器布置在氧化装置高温区域的上下部，温差发电单元热端接触此区域的内绝缘板，温差发电单元冷端接触与换热器相连的外绝缘板，温差发电单元热端和冷端之间产生大温度梯度，进行热电转换发电，但是未见其实际应用的报导。

目前常采用将换热器安置在氧化床中心高温区两侧的方法来提取氧化床多于热量，这种取热方法的最大优点是换热效率高。瑞典MEGTEC公司开发的煤矿乏风瓦斯氧化装置通过内置蒸汽管生产过热蒸汽，推动蒸汽涡轮发电机组发电。考虑到安全稳定运行的需要，氧化床内置蒸汽管构成传统蒸汽锅炉的一部分，发电蒸汽循环系统的其它部件都采用传统技术。

近年来，我国正在加大力度自主研发煤矿乏风瓦斯氧化装置。胜利油田胜利动力机械有限公司的“煤矿乏风甲烷氧化装置”(200620081956.X)采用2个内置换热器提取氧化放热用于生产饱和蒸汽。但是该专利仅仅涉及到氧化床内置换热器，未涉及汽水循环系统。

山东理工大学在“矿井乏风瓦斯热氧化装置”(200810249860.3)中公开了一种采用多个换热器提取氧化床热量的装置，在陶瓷氧化床中心区域两侧分别对称布置1个外侧换热器和1个内侧换热器，其换热管制成蛇形，直线管段外面有方形翅片，在换热管之间的空隙内布置着蜂窝陶瓷；外侧换热器和内侧换热器的换热管之间相互错开，使所有翅片换热管都被陶瓷包围；具有安装方便、费用低，容易更换等优点，解决了换热器两侧温差过大的问题。但是该专利仅仅涉及到氧化床内置换热器。为了提高我国自主研发的煤矿乏风瓦斯氧化装置稳定运行性，有必要研发煤矿乏风瓦斯氧化装置的汽水循环系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种能根据煤矿乏风瓦斯氧化装置运行的特点、工作性能优良的煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统。其技术方案为：

一种煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统，包括设有液位计的汽包、蒸发器回路、补水回路、蒸汽输出管路和连通汽包底部的排污管，其中蒸发器回路包括进水管、回水管和设置在氧化床内的蒸发器，蒸发器的入口端经进水管连通汽包的底部，出口端经回水管连通汽包的顶部，补水回路包括补水管、水箱与补水泵，其中补水泵的入口端通过补水管与水箱连通，出口端通过补水管与汽包的底部连通，蒸汽输出管路包括设有热电偶、压力表、蒸汽流量计、第四阀门的过热蒸汽管，其特征在于：增设PLC、过热器回路、循环水泵、流量计、电动调节阀、温控电动调节阀和设有加热管的预热器，其中循环水泵和流量计设置在进水管上，预热器和电动调节阀串接在补水泵的出口端与汽包之间的补水管上，加热管的出口端经冷凝水管接水箱，入口端经设有温控电动调节阀的预热蒸汽管接过热蒸汽管，过热器回路串接在汽包顶部与过热蒸汽管之间，包括设有第一阀门的饱和蒸汽管和设置在氧化床内的过热器，在第一阀门靠近过热器侧的饱和蒸汽管与进水管之间设有带第二阀门的第一连接管，在过热蒸汽管的始端与回水管之间设有带第三阀门的第二连接管；液位计、流量计、蒸汽流量计、热电偶通过数据线与PLC相连，电动调节阀和温控电动调节阀通过信号线与PLC相连。

所述的煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统，蒸发器和过热器均为两组，两组过热器对称的设置在氧化床高温区的上下侧，两组蒸发器对称布置在两组过热器的外侧。

该发明的工作过程是：

在煤矿乏风瓦斯氧化装置正常工作时，第一阀门和第四阀门处于开启状态，第二阀门和第三阀门处于关闭状态。汽包内的水在循环水泵的驱动下，经过流量计和进水管分别进入两个蒸发器，在蒸发器内被加热，一部分水蒸发变成蒸汽，从蒸发器流出来的汽水两相混合物经过回水管进入汽包进行汽水分离。汽包上部的蒸汽经过饱和蒸汽管和第一阀门分别进入两个过热器，在过热器内被加热成过热蒸汽，产生的过热蒸汽经过过热蒸汽管、第四阀门、蒸汽流量计送给外界。水箱内的水在补水泵的驱动下进入电动调节阀，经过水量调节后进入预热器内，在预热器内被过热蒸汽加热到一定的温度后通过补水管进入汽包。过热蒸汽管内的部分过热蒸汽经过预热蒸汽管、温控电动调节阀进入预热器，在加热管内与补水进行热交换而冷凝，冷凝水通过冷凝水管回到水箱内。温控电动调节阀对进入预热器的过热蒸汽量进行控制，从而保证补入到汽包的水温恒定。PLC根据液位计和蒸汽流量计的信号，控制电动调节阀的开度，从而实现连续稳定的补水，减小汽包内蒸汽参数的波动。

在煤矿乏风瓦斯氧化装置启动过程中，氧化床被电加热器或外部燃烧器提供的热量加热，温度逐渐升高，直至氧化床中部高温区温度达到近1000℃，并形成中部温度高、两侧温度逐渐降低的温度场，然后停掉电加热器或外部燃烧器。在开始启动时，将第一阀门和第四阀门关闭，将第二阀门和第三阀门开启，汽包内的水在循环水泵的驱动下分为两路，一路水进入两个蒸发器，从蒸发器出来进入回水管；另一路水经过第一连接管和第二阀门进入两个过热器，从过热器出来经过第三阀门和第二连接管进入回水管，与从蒸发器出来的水混合，一起进入汽包。这样可以防止过热器在加热启动过程中被干烧，有效保护过热器。

当汽包内的蒸汽压力达到额定值后，将第一阀门和第四阀门开启，将第二阀门和第三阀门关闭。循环水通过蒸发器进行蒸发，饱和蒸汽进入过热器被加热成过热蒸汽，汽水循环进入正常工作状态。

本发明与现有技术相比，主要优点和有益效果是：

(1)本发明的汽水循环系统有两组蒸发器和两组过热器，可以在煤矿乏风氧化装置氧化床高温区的上下两侧分别对称布置一组蒸发器和一组过热器，既提取了氧化床高温区两侧的部分热量，又有利于氧化床高温区保持在氧化床中心区域。蒸发器布置在过热器的外侧，有利于形成氧化床中心温度高、两测温度逐渐降低的温度场分布，提高氧化装置运行稳定性。

(2)大多数煤矿乏风氧化装置的氧化床为立式结构，蒸发器的蒸发管在氧化床内为水平布置，存在气堵和干烧的危险，增设循环水泵采用强制循环，可以实现高倍率循环，并且可以调节循环水量，工作可靠。

(3)在蒸发器之前的进水管与过热器之前的饱和蒸汽管之间设有第一连接管和第二阀门、蒸发器之后的回水管与过热器之后的过热蒸汽管之间分别设有第二连接管和第三阀门。在启动过程中，在汽包内还未形成稳定的蒸汽之前，可以通过开通第二和第三阀门、关闭第一和第四阀门，使循环水通过过热器，避免过热器干烧。在汽包内的蒸汽达到要求后，再通过关闭第二和第三阀门、开通第一和第四阀门，使饱和蒸汽进入过热器。

(4)向汽包内补水时，利用过热蒸汽在预热器内将补充的水加热到一定温度后再进入汽包，降低了新补充的水对汽包的温度冲击；通过温控电动调节阀调节进入预热器的过热蒸汽量，实现预热后的补水水温恒定；PLC根据液位计和蒸汽流量计的信号，控制电动调节阀的开度，可以实现连续稳定的补水。这些技术方案有利于减小汽包内的蒸汽参数波动。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

图中：1、PLC  2、水箱  3、冷凝水管  4、补水泵  5、电动调节阀  6、加热管  7、预热器  8、温控电动调节阀  9、热电偶  10、压力表  11、补水管  12、流量计  13、循环水泵  14、进水管  15、氧化床  16、排污管  17、液位计  18、汽包  19、安全阀  20、预热蒸汽管  21、第一连接管  22、第一阀门  23、第二阀门  24、饱和蒸汽管  25、回水管  26、蒸发器  27、过热器  28、第二连接管  29、第三阀门  30、第四阀门  31、蒸汽流量计  32、控制阀门  33、过热蒸汽管

具体实施方式

在图1所示的实施例中：蒸发器26和过热器27均为两组，两组过热器27对称的设置在氧化床15高温区的上下侧，两组蒸发器26对称布置在两组过热器27的外侧。液位计17设置在汽包18内，汽包18上设有压力表10和安全阀19，排污管16连通汽包18的底部。蒸发器回路包括设有循环水泵13和流量计12的进水管14、回水管25、两组蒸发器26，两组蒸发器26的入口端均经进水管14连通汽包18的底部，出口端均经回水管25连通汽包18的顶部，补水回路包括设有电动调节阀5的补水管11、水箱2、设有加热管6的预热器7和补水泵4，其中补水泵4的入口端通过补水管11与水箱2连通，出口端通过依次经电动调节阀5、预热器7与汽包18的底部连通，蒸汽输出管路包括设有热电偶9、压力表10、蒸汽流量计31、第四阀门30的过热蒸汽管33，加热管6的出口端经冷凝水管3接水箱2，入口端经设有温控电动调节阀8的预热蒸汽管20接过热蒸汽管33，过热器回路串接在汽包18顶部与过热蒸汽管33之间，包括设有第一阀门22的饱和蒸汽管24和两组过热器27，在第一阀门22靠近过热器27侧的饱和蒸汽管24与进水管14之间设有带第二阀门23的第一连接管21，在过热蒸汽管33的始端与回水管25之间设有带第三阀门29的第二连接管28，液位计17、流量计12、蒸汽流量计31、热电偶9通过数据线与PLC1相连，电动调节阀5和温控电动调节阀8通过信号线与PLC 1相连。

Claims (2)

1.一种煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统，包括设有液位计(17)、压力表(10)与安全阀(19)的汽包(18)、蒸发器回路、补水回路、蒸汽输出管路和连通汽包(18)底部的排污管(16)，其中蒸发器回路包括进水管(14)、回水管(25)和设置在氧化床(15)内的蒸发器(26)，蒸发器(26)的入口端经进水管(14)连通汽包(18)的底部，出口端经回水管(25)连通汽包(18)的顶部，补水回路包括补水管(11)、水箱(2)与补水泵(4)，其中补水泵(4)的入口端通过补水管(11)与水箱(2)连通，出口端通过补水管(11)与汽包(18)的底部连通，蒸汽输出管路包括设有热电偶(9)、压力表(10)、蒸汽流量计(31)、第四阀门(30)的过热蒸汽管(33)，其特征在于：增设PLC(1)、过热器回路、循环水泵(13)、流量计(12)、电动调节阀(5)、温控电动调节阀(8)和设有加热管(6)的预热器(7)，其中循环水泵(13)和流量计(12)设置在进水管(14)上，预热器(7)和电动调节阀(5)串接在补水泵(4)的出口端与汽包(18)之间的补水管(11)上，加热管(6)的出口端经冷凝水管(3)接水箱(2)，入口端经设有温控电动调节阀(8)的预热蒸汽管(20)接过热蒸汽管(33)，过热器回路串接在汽包(18)顶部与过热蒸汽管(33)之间，包括设有第一阀门(22)的饱和蒸汽管(24)和设置在氧化床(15)内的过热器(27)，在第一阀门(22)靠近过热器(27)侧的饱和蒸汽管(24)与进水管(14)之间设有带第二阀门(23)的第一连接管(21)，在过热蒸汽管(33)的始端与回水管(25)之间设有带第三阀门(29)的第二连接管(28)；液位计(17)、流量计(12)、蒸汽流量计(31)、热电偶(9)通过数据线与PLC(1)相连，电动调节阀(5)和温控电动调节阀(8)通过信号线与PLC(1)相连。

2.根据权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯氧化装置汽水循环系统，其特征在于：蒸发器(26)和过热器(27)均为两组，两组过热器(27)对称的设置在氧化床(15)高温区的上下侧，两组蒸发器(26)对称布置在两组过热器(27)的外侧。