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Abstract

本发明公开了一种矿井抽排瓦斯及乏风综合利用的系统及方法。该系统包括一套VPSA提纯装置、一混气器、两套过滤除尘装置、一个以上的热氧化或催化氧化炉，一内燃发电机组以及一套蒸汽轮机发电装置。其工作过程为矿井抽采的瓦斯如果浓度高于10%且低于30%，则进入VPSA装置将其甲烷浓度提升至30%以上后送入内燃机发电，发电产生的高温尾气用来预热氧化炉，可以将蓄热器加热到约500°C，然后启动氧化炉，将其温度进一步提升到850℃以上，然后将抽采瓦斯浓度低于10%的部分与乏风瓦斯混合，随动混气器控制混合后的浓度保持在1.2%以上，经过滤除尘后送入预热好的氧化炉进行反应，产生的热量由水蒸气带走，从而获得高温高压的水蒸汽驱动蒸汽轮机发电。

Description

一种低浓瓦斯综合利用的系统及方法
技术领域
本发明属于可再生能源利用领域，具体涉及一种低浓瓦斯综合利用的系统及方法。
背景技术
瓦斯是煤矿开采过程中溢出气体的总称，其主要成分为甲烷及空气，由于溢出方式的不同，甲烷的浓度有较大幅度的变化。因为甲烷与空气混合体积比在5%-15%是爆炸极限，所以，瓦斯的抽采与利用和安全时时相关。
我国可探明的瓦斯储量（埋深2000米以上）约有36万亿立方，与常规天然气相当，而每年因为煤炭生产溢出的瓦斯折合纯量后也有约150亿立方。甲烷是种温室气体，其温室效应是二氧化碳的21倍。因此，瓦斯的无序排放不仅引发了安全隐患，而且造成了环境污染。随着人们对瓦斯认识的加深，其抽采利用的比例也逐年增加，目前我国利用率已经接近30%，但总体来看依然很低。这其中重要的原因就是大量瓦斯的甲烷浓度较低，考虑到安全及效率，尚没有很合适的利用方法。
通常瓦斯浓度越高，其排放总量越少。目前煤矿瓦斯有以下几种方式排出：
1、直接采掘：在未挖煤区域直接打井，将瓦斯采出，这样的瓦斯中甲烷浓度超过90%，与天然气无异，但总量占比不到5%；
2、矿井抽气：巷道内布管抽气，甲烷浓度从3%-50%不等，其中高于30%的称为“高浓瓦斯”，总量占比约10%，低于30%的称为“低浓瓦斯”，总量占比约为20%
3、乏风瓦斯：大量通风以确保环境安全的瓦斯，浓度低于0.75%，总量占比约50%以上。
目前，对于瓦斯的利用一般集中于瓦斯提纯，而对于可变瓦斯浓度的瓦斯的高效率的综合利用则鲜有报道。
发明内容
为了解决现有中没有一种可以综合利用瓦斯的空白，本发明公开了一种矿井抽排瓦斯及乏风综合利用的系统方法。该系统包括第一过滤除尘装置、一套低浓瓦斯真空变压吸附（VPSA）提纯装置、一套低浓瓦斯与乏风瓦斯的混气器、第二过滤除尘装置)、一个以上的热氧化或催化氧化炉以及内燃发电机组。
所述的甲烷浓度监测装置和矿井瓦斯气源相连，所述矿井瓦斯气源经甲烷浓度监测装置后分为3个管路，其中第一管路和第一过滤除尘装置相连，第二管路和VPSA提纯装置相连，第三管路和混气器的进气口相连，所述甲烷浓度监测装置根据甲烷浓度将瓦斯气源切换管路。
所述第一过滤除尘装置的出气口和内燃机发电机组相连，第一管路内气体经第一过滤除尘装置后进入内燃机发电。
所述VPSA提纯装置和内燃机发电机组及混气器相连，第二管路内气体经VPSA装置提纯后进入内燃机发电机组发电。
所述混气器的气体入口还和乏风瓦斯气源相连。
所述混气器内气体经第二过滤除尘装置过滤后进入氧化炉反应。
该系统中还可以包括一蒸汽轮机以及给水泵，氧化炉反应产生热量经给水泵泵入的水吸收后产生水蒸气，并推动蒸汽轮机用来发电或者用于其他用途。此外，内燃机发电机组的为其管道还可以和氧化炉连接，用于加热氧化炉，以减少其启动能耗。
利用该系统进行瓦斯综合利用的方法如下：
矿井瓦斯气源经甲烷浓度监测装置后分别进入三个管路，其中甲烷浓度大于30%的瓦斯气体进入第一管路，甲烷浓度在10～30%之间的进入第二管路，甲烷浓度在10%以下的进入第三管路。所述甲烷浓度装置根据气体浓度自动将瓦斯气体切换至相应管路。
所述第一管路内气体经过滤除尘处理后进入内燃机发电，所述第二管路内气体经VPSA提纯后浓度大于30%后进入内燃机发电，所述第三管路内气体和矿井通风处气体经混气器混合后经过滤除尘后进入氧化炉反应。
所述VPSA提纯第二管路内气体时的废气接入混气器，所述混气器出口的甲烷浓度为1%-1.5%。
所述混气器中低浓瓦斯及VPSA废气均可采用喷射方式混入。
所述内燃机的高温烟气可用来加热氧化炉，以减少氧化炉启动能耗；所述氧化炉产生的热量可由水吸收，并且推动蒸汽轮机发电。内燃尾气加热氧化炉可使其蓄热器使其温升到500℃，并启动器启动装置，将其温度进一步提升到850℃以上，然后将抽采瓦斯浓度低于10%的部分与乏风瓦斯混合，随动混气器控制混合后的浓度保持在1.2%以上，经过滤除尘后送入预热好的氧化炉进行反应，产生的热量由水蒸气带走，从而获得高温高压的水蒸汽，水蒸气驱动蒸汽轮机发电。
本发明通过对不同甲烷浓度的瓦斯气体的综合利用，提高了瓦斯的利用率和经济效益。
附图说明
图1为低浓瓦斯综合利用的系统的示意图，其中
1、矿井瓦斯气源；2、乏气瓦斯；3、第一过滤除尘装置；4、VPSA装置；5、混气器；6、第二过滤除尘装置；7、氧化炉或者催化氧化炉；8、内燃机发电机组；9、蒸汽轮机；10、给水泵。
具体实施方式
以下为本发明的最优选实施例，其仅用作对本发明的解释而不是限制。
一种低浓瓦斯综合利用的系统，该系统包括一甲烷浓度监测装置、第一过滤除尘装置3、一套低浓瓦斯真空变压吸附（VPSA）提纯装置4、一混气器5、第二过滤除尘装置6、两个热氧化或催化氧化炉7，一内燃发电机组8以及一套蒸汽轮机9。
其中，矿井瓦斯气源1经甲烷浓度监测装置后分为3个管路，其中第一管路和第一过滤除尘装置3相连，第二管路和VPSA提纯装置4相连，第三管路和混气器5相连；其中甲烷浓度监测装置根据甲烷浓度将瓦斯气源切换管路。
第一过滤除尘理装置3的出气口和内燃机发电机组8相连，第一管路内气体经第一过滤除尘装置3后进入内燃机发电机组8发电。
VPSA提纯装置和内燃机发电机组8及混气器相连，其中第二管路内气体经VPSA装置4提纯后进入内燃机发电机组8发电，提纯时产生的乏气则进入混气器5。
混气器接入3个气源，分别为第三管路，VPSA提纯产生的乏气以及乏气瓦斯。混气器5和第二过滤除尘装置6链接，第二过滤除尘装置6和氧化炉7连接。系统中还包括一给水泵10，氧化炉7进行反应后产生的热量可以由水泵泵出的水带走，产生高温高压的水蒸气，并驱动蒸汽轮机9发电。
此外，内燃机发电机组的尾气管路与氧化炉的蓄热器链接，可以用来加热蓄热器。
利用该系统进行瓦斯综合利用的方法如下：
矿井瓦斯气源1经甲烷浓度监测装置后分别进入三个管路，其中甲烷浓度大于30%的瓦斯气体进入第一管路，甲烷浓度在10～30%之间的进入第二管路，甲烷浓度在10%以下的的进入第三管路。甲烷浓度装置根据气体浓度自动将瓦斯气体切换至相应管路。
第一管路内气体经第一过滤除尘装置3处理后进入内燃机发电机组8发电；第二管路内气体经VPSA提纯浓度到达30%后进入内燃机发电机组8发电，此过程中产生的乏气则接入混气器5；所述第三管路内气体和乏气瓦斯经混气器混合后经过滤除尘后进入氧化炉7反应。
混气器5将乏气瓦斯、第三管路内气体和VPSA提纯得到的乏气混合，并混合得到浓度为1～1.5%左右的瓦斯气体，经过滤除尘后进入氧化炉7。混气器中低浓瓦斯及VPSA废气均采用喷射方式混入。
内燃机发电机组发电产生的高温尾气用来预热氧化炉的蓄热器，其可以将蓄热器加热到约500°C，然后启动氧化炉7的启动装置，将其温度进一步提升到850℃以上，然后将抽采瓦斯浓度低于10%的部分与乏风瓦斯混合，随动混气器控制混合后的浓度保持在1.2%以上，经过滤除尘后送入预热好的氧化炉进行反应，产生的热量由水蒸气带走，从而获得高温高压的水蒸汽，水蒸气驱动蒸汽轮机发电。

Claims (10)

1.一种低浓瓦斯综合利用的系统，其特征在于，所述的系统包括一甲烷浓度监测装置、一混气器、第一过滤除尘装置、一VPSA提纯装置、不少于一个的氧化炉或催化氧化炉、一套内燃机发电机组和第二过滤除尘装置；
所述的甲烷浓度监测装置和矿井瓦斯气源相连，所述矿井瓦斯气源经甲烷浓度监测装置后分为3个管路，其中第一管路和第一过滤除尘装置相连，第二管路和VPSA提纯装置相连，第三管路和混气器的进气口相连，所述甲烷浓度监测装置根据甲烷浓度将瓦斯气源切换管路；
所述第一过滤除尘装置的出气口和内燃机发电机组相连，第一管路内气体经第一过滤除尘装置后进入内燃机发电；
所述VPSA提纯装置的出气口和内燃机发电机组及混气器相连，第二管路内气体经VPSA装置提纯后进入内燃机发电；
所述混气器的进气口还和乏气瓦斯气源相连，所述混气器的气体出口和第二过滤除尘装置相连，所述第二过滤除尘装置的气体出口和氧化炉或催化氧化炉连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的VPSA装置的废气管路和混气器的进气口相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第二过滤除尘装置为布袋除尘器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括一给水泵和蒸汽轮机发电装置，其中所述氧化炉产生的热量由给水泵泵入的水吸收产生水蒸气，并推动蒸汽轮机发电装置发电。
5.基于权利要求1～4任一系统的低浓瓦斯综合利用的方法，该方法包括：
矿井瓦斯气源经甲烷浓度监测装置后分别进入三个管路，其中甲烷浓度大于30%的瓦斯气体进入第一管路，甲烷浓度在10～30%之间的进入第二管路，甲烷浓度在10%以下的进入第三管路；所述甲烷浓度装置根据气体浓度自动将瓦斯气体切换至相应管路或排放瓦斯气体；
所述第一管路内气体经过滤除尘除湿后进入内燃机发电机组发电，所述第二管路内气体经VPSA提纯到30%以上后进入内燃机发电机组发电，所述第三管路内气体和乏气瓦斯混合后经过滤除尘后进入氧化炉反应。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氧化炉启动时，所述内燃机的高温烟气用来加热氧化炉，以减少氧化炉启动能耗。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述VPSA的废气接入混气器，与第三管路内气体和乏气瓦斯混合后经过滤除尘后进入氧化炉反应。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述混气器中第三管路内气体和VPSA废气均采用喷射方式混入。
9.根据权利要求5、7、8任一所述的方法，其特征在于，所述混气器出口的甲烷浓度为1%-1.5%。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述氧化炉产生的热量由水吸收后产生水蒸气，并推动蒸汽轮机发电。
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