专利名称：一种煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统及方法，尤其适用 于对煤矿瓦斯进行氧化并对反应热进行高效热电的转换。
背景技术：
在我国常规能源构成中，煤炭资源总量约5.57万亿吨，地下2000m以内的瓦斯 (煤层气)资源量约30 35万亿m3，有效开采和利用煤炭及瓦斯资源在我国国民经济发 展中的重要地位日益凸显。瓦斯是一种与煤伴生的、不可再生的资源，同时瓦斯也是一 种清洁、高效的能源，其发热量可达33.5 36.8MJ/m3，Im3瓦斯相当于1.3kg标准煤的 发热量，并且其利用过程不会产生氮氧化合物及硫化物等有害物质。我国50%以上的煤层为高瓦斯煤层，2009年我国煤矿生产过程中释放的瓦斯总 量超过150亿m3，但将近2/3的瓦斯则以乏风的形式直接排入了大气，既浪费了大量宝 贵的能源资源，也污染了大气环境。更加重要的是，瓦斯(煤层气)的温室效应是二氧 化碳的21倍，对臭氧层的破坏是CO2的7倍。按照目前世贸组织中减排权购买价格，目 前在国际碳汇市场，每吨碳的减排量可以卖85元人民币，每年150亿m3瓦斯的减排和利 用，可获得170亿人民币的收益。随着《应对气候变换国家方案》的实施，我国的节能 减排问题已成为现阶段的重要战略任务。因此，煤矿瓦斯特别是乏风瓦斯的综合利用， 不仅可以在瓦斯利用方面获得直接的经济收益，又可在节能减排方面获得丰厚的回报。煤矿瓦斯的利用主要包括民用、发电、工业及化工燃料、燃气车辆等，其中煤 矿瓦斯发电是煤矿瓦斯利用的主流发展方向。目前，对于中高浓度(> 30% )的煤矿瓦 斯发电技术，已比较成熟；对于10% 30%的低浓度煤矿瓦斯发电技术，山东胜动集团 采用内燃式发电机组开展了一定的工作，在部分矿区进行了试点研究，尽管如此，目前 大多矿区对该浓度范围的瓦斯仍以排空为主；而对于浓度在 10%的煤矿低浓度瓦 斯在甚至浓度小于的煤矿乏风瓦斯发电技术，目前尚属空白。由于煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯的特点(风量大、瓦斯浓度低且波动范围大)， 使得传统的燃烧技术特别是如何产生高品位电能方面存在较大困难。所以，煤矿低浓度 瓦斯(530%)及乏风瓦斯(5 1%)用于发电至今尚未实现大范围的应用。
发明内容
技术问题本发明的目的在于克服已有技术中的不足，提供一种系统结构简 单、单机容量匹配合理、操作方便、效果好的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系 统及方法。技术方案本发明的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统，包括瓦斯氧 化装置、分别与瓦斯氧化装置相连接的进、排气装置、循环水处理系统和与发电机相连 的螺杆式膨胀机；其中瓦斯氧化装置包括多孔陶瓷氧化床、间隔平行排列在多孔陶 瓷氧化床上下部的多个内置式换热器，多孔陶瓷氧化床的中部设有至少一个氧化床启动加热器，多个内置式换热器的端口分别经管线与循环水处理系统锅筒和螺杆式膨胀机相 连接；进、排气装置包括分别与多孔陶瓷氧化床上下风室相连通的进、排气管，进、排 气管上分别连接送、引气风机，送、引气风机经四通换向阀与乏风瓦斯氧化装置相连； 所述的水处理循环系统包括锅筒、与锅筒给水泵管线相连的储水箱，储水箱上分别连接 有与螺杆式膨胀机相连的冷凝器、与给水泵相连的水处理器，储水箱与锅筒相连的管线 上连有锅筒给水泵，锅筒出口通向一个内置式换热器的管线上连有内置式换热器循环水 泵。所述的螺杆式膨胀机为单螺杆式膨胀机或双螺杆式膨胀机；所述的冷凝器为风 冷式或水冷式冷凝器。本发明的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电方法先开启加热器启动多孔 陶瓷氧化床，将抽采的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯由进风管经送风机加压后送入多孔陶 瓷氧化床内，通过控制四通换向阀，使煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯气体在多孔陶瓷氧化 床内周期性往复流动并发生过焓氧化反应，从而维持瓦斯氧化装置自稳定连续运行；氧 化产生的高温气体经内置式换热器提取热量后由引风机从排气管排出；经给水泵加压后 的工质水先经水处理装置处理后引入储水箱内，再经水泵加压后进入多孔陶瓷氧化床的 锅筒，给水在内置式换热器循环水泵的作用下进入内置式换热器内，所产生的蒸汽经管 线进入锅筒内，经锅筒汽水分离后进一步过热再进入螺杆式膨胀机膨胀做功，将热能转 换为机械能，带动发电机进行发电，做功后的工质水经冷凝器冷凝后返回至储水箱以循 环利用。有益效果1、采用多孔陶瓷氧化床作为氧化反应器，不仅可以有效实现煤矿低浓度瓦斯及 乏风瓦斯的过焓氧化，还有效拓展了煤矿瓦斯自维持稳定氧化反应的浓度极限；2、以单机容量较小的螺杆式膨胀机作为热能与机械能转换的装置，可实现能量 转换装置与瓦斯氧化床的有效合理匹配，避免了传统蒸汽透平机单机容量过大、系统结 构复杂而与低浓度煤矿瓦斯氧化装置的不匹配。3、系统冷凝器既可采用水冷式，也可采用风冷式，可因地制宜的选择；作为工 质介质的水可采用循环利用的方式，有效的节约利用水资源。
附图是本发明的系统结构图；图中1-进气管，2-排气管，3-送风机，4.-引风机，5-四通换向阀，6_多孔 陶瓷氧化床，7.-内置式换热器，8.-锅筒，9-螺杆式膨胀机，10-发电机，11-冷凝器， 12-给水泵，13-水处理器，14-储水箱，15-锅筒给水泵，16-内置式换热器循环水泵， 17-氧化床启动加热器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述附图所示，煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统主要由瓦斯氧化装置、 分别与瓦斯氧化装置相连接的进、排气装置、循环水处理系统和与发电机10相连的螺杆式膨胀机9构成，其中瓦斯氧化装置包括多孔陶瓷氧化床6、间隔平行排列在多孔陶瓷 氧化床6上下部的多个内置式换热器7，多孔陶瓷氧化床6的中部设有至少一个氧化床启 动加热器17，多个内置式换热器7的端口分别经管线与循环水处理系统锅筒8和螺杆式 膨胀机9相连接，螺杆式膨胀机9采用单螺杆式膨胀机或双螺杆式膨胀机。多孔陶瓷氧 化床6用于煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯的氧化及氧化热量的提取，螺杆式膨胀机9用于热 能与机械能的转换并带动发电机10进行发电。进、排气装置包括分别与多孔陶瓷氧化床 6上下风室相连通的进、排气管1、2，进、排气管1、2上分别连接送、引气风机3、4， 送、引气风机3、4经四通换向阀5与乏风瓦斯氧化装置相连；所述的水处理循环系统包 括锅筒8、与锅筒给水泵管线相连的储水箱14，储水箱14上分别连接有与螺杆式膨胀机9 相连的冷凝器11、与给水泵12相连的水处理器13，冷凝器11采用风冷式或水冷式冷凝 器。储水箱14与锅筒8相连的管线上连有锅筒给水泵15，锅筒8出口通向一个内置式换 热器7的管线上连有内置式换热器循环水泵16。水处理器13及给水泵12、锅筒给水泵 15和内置式换热器循环水泵16用于工作介质水的净化并实现在系统内的循环。
煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电方法采用煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯 在多孔陶瓷氧化床6内进行周期性往复流动式的过焓氧化反应，反应热由工作介质水经 内置式换热器7进行提取，所产生的过热蒸汽进入螺杆式膨胀机9进行做功，将热能转 换为机械能并带动发电机进行发电。工作时，先开启加热器17启动多孔陶瓷氧化床6， 将抽采的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯由进风管1经送风机3加压后送入多孔陶瓷氧化床6 内，通过控制四通换向阀5，使煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯气体在多孔陶瓷氧化床6内周 期性往复流动并发生过焓氧化反应，从而维持瓦斯氧化装置自稳定连续运行；氧化产生 的高温气体经内置式换热器7提取热量后由引风机4从排气管2排出；作为工质的给水由 给水泵12先经水处理装置13处理后进入储水箱14，再由锅筒给水泵15加压进入多孔陶 瓷氧化床6的锅筒8，在内置式换热器循环水泵16的作用下工质水进入多孔陶瓷氧化床6 的内置式换热器7，所产生的蒸汽由锅筒8内的汽水分离器分离后经进一步过热再进入螺 杆式膨胀机9膨胀做功，将热能转换为机械能，从而带动发电机10进行发电，做功后的 蒸汽经冷凝器11冷凝后返回至储水箱14以循环利用。
权利要求
1.一种煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统，其特征在于它包括瓦斯氧化 装置、分别与瓦斯氧化装置相连接的进、排气装置、循环水处理系统和与发电机相连的 螺杆式膨胀机(9)；其中瓦斯氧化装置包括多孔陶瓷氧化床(6)、间隔平行排列在多孔 陶瓷氧化床(6)上下部的多个内置式换热器(7)，多孔陶瓷氧化床(6)的中部设有至少一 个氧化床启动加热器(17)，多个内置式换热器(7)的端口分别经管线与循环水处理系统 锅筒(8)和螺杆式膨胀机(9)相连接；进、排气装置包括分别与多孔陶瓷氧化床(6)上下 风室相连通的进、排气管(1、2)，进、排气管(1、2)上分别连接送、引气风机(3、4)， 送、引气风机(3、4)经四通换向阀(5)与乏风瓦斯氧化装置相连；所述的水处理循环系 统包括锅筒(8)、与锅筒给水泵管线相连的储水箱(14)，储水箱(14)上分别连接有与螺 杆式膨胀机(9)相连的冷凝器(11)、与给水泵(12)相连的水处理器(13)，储水箱(14) 与锅筒(8)相连的管线上连有锅筒给水泵(15)，锅筒(8)出口通向一个内置式换热器(7) 的管线上连有内置式换热器循环水泵(16)。
2.根据权利要求1所述的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统，其特征在于 所述的螺杆式膨胀机(9)为单螺杆式膨胀机或双螺杆式膨胀机。
3.根据权利要求1所述的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统，其特征在于 所述的冷凝器(11)为风冷式或水冷式冷凝器。
4.一种如权利要求1所述系统的煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电方法，其特 征在于先开启加热器(17)启动多孔陶瓷氧化床(6)，将抽采的煤矿低浓度瓦斯及乏风 瓦斯由进风管⑴经送风机⑶加压后送入多孔陶瓷氧化床(6)内，通过控制四通换向阀 (5)，使煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯气体在多孔陶瓷氧化床(6)内周期性往复流动并发生 过焓氧化反应，从而维持瓦斯氧化装置自稳定连续运行；氧化产生的高温气体经内置式 换热器(7)提取热量后由引风机(4)从排气管(2)排出；经给水泵(12)加压后的工质水 先经水处理装置(13)处理后引入储水箱(14)内，再经水泵(15)加压后进入多孔陶瓷氧 化床(6)的锅筒(8)，给水在内置式换热器循环水泵(16)的作用下进入内置式换热器(7) 内，所产生的蒸汽经管线进入锅筒(8)内，经锅筒(8)汽水分离后进一步过热再进入螺杆 式膨胀机(9)膨胀做功，将热能转换为机械能，带动发电机(10)进行发电，做功后的工 质水经冷凝器(11)冷凝后返回至储水箱(14)以循环利用。
全文摘要
一种煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯热氧化发电系统及方法，系统主要由多瓦斯氧化装置、水处理装置、螺杆式膨胀机、发电机、冷凝器等设备组成。采用煤矿低浓度瓦斯及乏风瓦斯在多孔陶瓷氧化床内进行周期性往复流动式的过焓氧化反应，反应热由工作介质水经内置式换热器进行提取，所产生的过热蒸汽进入螺杆式膨胀机进行做功，将热能转换为机械能并带动发电机进行发电。该系统及方法简单、单机容量匹配合理、操作方便、使用效果好。
文档编号F01D15/10GK102011605SQ20101050185
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者李庆钊, 林柏泉 申请人:中国矿业大学