基于煤层气的多余热资源分布式能源系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，包括：低浓度煤层气联合循环发电系统、矿井废水余热供热系统、矿井乏风余热利用系统和冬季供暖夏季制冷系统。将矿井低浓度煤层气和空气通入内燃机做功发电；将矿井乏风引至热逆流催化氧化反应器产生一定温度的烟气；内燃机与氧化反应器的排气进入余热锅炉产生过热蒸汽去蒸汽轮机做功发电；采用吸收式热泵实现冬季供暖和夏季制冷，使系统排烟温度降至80℃以下；将生活废水和矿井排水送至废水处理装置净化后由水源热泵提供生活热水。本发明能够实现低浓度煤层气的开采和高效利用及矿井余热的高效利用，是为煤矿企业提供电、热、冷的高效分布式能源系统，显著减少煤矿企业的污染物排放。
【专利说明】基于煤层气的多余热资源分布式能源系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及分布式能源系统领域，尤其是一种基于煤层气的多余热资源分布式能源系统。
【背景技术】
[0002]分布式能源系统是相对于传统的集中式供电方式而言的，采用冷热电联产技术、同时提供电力、蒸汽、热水和空调冷水或冷风的能源服务系统，分布式能源系统的能源利用效率高达90%以上。目前研究的分布式能源系统中，主要是以风能和太阳能分布式能源系统为主，由于自然资源的特性，可再生能源用于发电时，其功率输出具有明显的间歇性和波动性，其变化甚至是随机的，容易对电网产生冲击，严重时会引发电网事故。
[0003]根据我国的能源资源结构特点和能源利用中存在的问题，开展相应的分布式能源技术研究，是我国分布式能源发展的必由之路。现阶段我国煤矿工业广场所使用的的井口防冻、洗浴热水和建筑采暖等用热需求一般是通过燃煤(燃油)锅炉提供，不仅消耗了大量的燃煤或燃油，而且也向周围环境排放了大量的污染物。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:根据煤矿企业的能源资源特点及电、热、冷需求，发明一种基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，有效利用资源，实现节能减排。
[0005]本发明解决技术问题所选用的技术方案是:提供一种基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其结构包括:由内燃机、余热锅炉、蒸汽轮机和凝汽器等装置组成的煤层气联合循环发电系统；由废水处理装置和水源热泵组成的矿井废水余热供热系统；由矿井乏风热逆流催化氧化反应器和余热锅炉组成的矿井乏风余热利用系统；由吸收式热泵2、烟气换热器和储热装置组成的冬季供暖夏季制冷系统；吸收式热泵I供热系统。
[0006]将矿井低浓度煤层气和空气通入内燃机做功发电；将矿井乏风引至热逆流催化氧化反应器利用乏风中的甲烷热量而产生一定温度的烟气；内燃机排气和热逆流催化氧化反应器排气一起进入余热锅炉产生过热蒸汽去蒸汽轮机做功发电，余热锅炉排气进入烟气换热器加热来自吸收式热泵2的低温水。吸收式热泵I以蒸汽轮机抽汽为驱动热源利用凝汽器循环水和内燃机冷却水的低温余热产生生活热水。吸收式热泵2以蒸汽轮机抽汽为驱动热源利用低温水热量冬季供暖。储热装置可将多余的烟气余热储存以备需要时调度。将生活废水和矿井排水送至废水处理装置净化后由水源热泵利用其低温热量产生生活热水。吸收式热泵2夏季制冷，热量通过凉水塔散失到环境中。
[0007]本发明的有益效果为:能够实现低浓度煤层气的就地开采和高效利用及矿井余热的高效利用，是为煤矿企业提供电、热、冷的高效分布式能源系统，显著减少煤矿企业的污染物排放。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为基于煤层气的多余热资源分布式能源系统示意图。
[0009]图1中，1.内燃机；2.余热锅炉；3.热逆流催化氧化反应器；4.蒸汽轮机；5.减温减压阀；6.发电机；7.发电机；8.凝汽器；9.吸收式热泵I ;10.废水处理装置；11.水源热泵；12.烟气换热器；13.储热装置；14.吸收式热泵2;15.凉水塔。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作出详细说明。
[0011]矿井低浓度煤层气和空气进入内燃机燃烧做功发电，电功率由发电机(6)输出。矿井乏风引至热逆流催化氧化反应器(3)将乏风中的甲烷氧化而产生一定温度的烟气，若乏风中甲烷含量太低不能够使反应器自热操作，则将低浓度煤层气补调入反应器；内燃机排气和热逆流催化氧化反应器排气一起进入余热锅炉(2)产生过热蒸汽去蒸汽轮机(4)做功发电，电功率由发电机(7)输出；余热锅炉排气进入烟气换热器(12)加热来自吸收式热泵2(14)的低温水；吸收式热泵I (9)以蒸汽轮机抽汽为驱动热源利用凝汽器(8)的循环水和内燃机(I)的缸套冷却水的低温余热产生生活热水；吸收式热泵2 (14)以蒸汽轮机抽汽为驱动热源利用低温水热量冬季供暖；储热装置(13)可将多余的烟气余热储存以备需要时调度；减温减压阀(5)可将余热锅炉(2)产生的蒸汽减温减压后作为吸收式热泵I (9)和吸收式热泵2 (14)的驱动热源；将生活废水和矿井排水送至废水处理装置(10)净化后由水源热泵(11)利用其低温热量产生生活热水；吸收式热泵2 (14)夏季制冷，热量通过凉水塔(15)散失到环境中。
[0012]具体实施情况如下所述。
[0013]a.由内燃机(I)、余热锅炉(2)、蒸汽轮机(4)和吸收式热泵I (9)组成燃气-蒸汽联合循环发电系统，发电用燃料为9%-30%低瓦斯含量煤层气，汽轮机乏汽余热和内燃机缸套冷却水余热通过溴化锂吸收式热泵I利用为用户提供一年四季的生活热水，热泵取代凉水塔。
[0014]b.采用热逆流催化氧化反应器(3)回收矿井乏风中的低浓度甲烷热量，反应器自热氧化(初始热量由内置的电加热器提供)，甲烷氧化反应物为CO2、H2O, N2和O2。本系统设计了乏风-煤层气补给环节，当乏风中的甲烷浓度低于极限值而不足以使反应器自热氧化时，通过补入适量煤层气以提高乏风中的甲烷浓度，保障反应器自热操作，氧化反应器排气温度为 400-500°C。
[0015]c.氧化反应器排气同内燃机排气一起进入余热锅炉(2)(两者温度相当)，增加余热锅炉做功蒸汽量的产出，保障发电机组在低浓度煤层气时的正常工作。
[0016]d.双压余热锅炉排气温度为120°C左右，系统设置烟气换热器(12)，加热水作为吸收式热泵2 (14)的低温热源，为用户提供冬季所需的供暖负荷，排烟温度可降至80°C以下，系统的能源利用效率显著提高。采用吸收式热泵2 (14)用于冬季供暖，夏季制冷，热量通过凉水塔散发到大气中。e.采用高效水源热泵(11)利用矿井排水和生活废水的余热，为厂区提供生活热水，矿井排水和生活废水余热利用之前先经废水处理装置净化。
[0017]f.设置了相变储热装置，将系统中的多余热量储存，当低温热源的热量不足时释放热量，保障供热供暖需求。废水处理器可看作具有储热能力的装置。
[0018]g.设置过热蒸汽旁路系统，过热蒸汽通过减温减压阀(5)后作为热泵的驱动蒸汽。当发电系统故障或检修停机时，矿井乏风自热氧化反应器的反应物进入余热锅炉产生过热蒸汽，过热蒸汽经过旁路系统进入热泵，可保障用户的热负荷和冷负荷需求。
[0019]h.形成电一吸收式热泵I (9)生活热水一7jC源热泵(11)生活热水一吸收式热泵
2(14)供暖水和冷冻水一储热水的能源总线系统。
[0020]1.基于煤层气的分布式能源系统可实现孤网运行和并网运行。当孤网出现故障时，可从大电网取电，使水源热泵(11)和热逆流催化氧化反应器(3)工作，为用户提供冷暖热负荷。
【权利要求】
1.基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:该系统由低浓度煤层气联合循环发电系统、矿井乏风余热利用系统、矿井废水余热供热系统和冬季供暖夏季制冷及全年供热水系统组成。
2.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述低浓度煤层气联合循环发电系统由内燃机、热逆流催化氧化反应器、余热锅炉、蒸汽轮机和凝汽器装置组成，发电用燃料为9%-30%低瓦斯浓度煤层气。
3.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述低浓度煤层气联合循环发电系统中，热逆流氧化反应器排气同内燃机排气一起进入余热锅炉(两者温度相当)，保障余热锅炉的产汽量，保障汽轮机发电机组在低负荷下的正常工作。
4.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述矿井乏风余热利用系统由矿井乏风热逆流催化氧化反应器和余热锅炉组成；热逆流催化氧化反应器回收矿井乏风中的低浓度甲烷热量，反应器自热氧化，其初始热量由内置的电加热器提供；系统设计了煤层气补调，当乏风中的甲烷浓度低于极限值而不足以使反应器自热氧化时，通过补入适量煤层气以提高乏风中的甲烷浓度，保障反应器自热操作，反应器排气温度为400-500°C。
5.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述冬季供暖夏季制冷及全年供热水系统由吸收式热泵2、烟气换热器和储热装置组成；吸收式热泵2冬季以来自烟气换热器的热水为低温热源，通过汽轮机抽汽驱动，为用户提供冬季所需的供暖负荷；吸收式热泵2夏季用于制冷，热量通过凉水塔散发到大气中。
6.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述冬季供暖夏季制冷及全年供热水系统是由汽轮机乏汽余热和内燃机缸套冷却水余热通过溴化锂吸收式热泵I利用，为用户提供一年四季的生活热水，热泵取代凉水塔。
7.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述冬季供暖夏季制冷及全年供热水系统中设置了烟气-水换热器，被加热水作为吸收式热泵2的低温热源，排烟温度可降至80°C以下，系统的能源利用效率显著提高。
8.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述冬季供暖夏季制冷及全年供热水系统设置了相变储热装置，将烟气的多余热量储存，当低温热源的热量不足时释放热量，保障供热供暖需求，废水处理器可看作具有储热能力的装置。
9.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:所述矿井废水余热供热系统由废水处理装置和水源热泵组成，为厂区提供生活热水。
10.如权利要求1所述的基于煤层气的多余热资源分布式能源系统，其特征在于:设置过热蒸汽旁路系统，过热蒸汽通过减温减压阀后作为热泵的驱动蒸汽，当发电系统故障或检修停机时，矿井乏风自热氧化反应器的反应物进入余热锅炉产生过热蒸汽，过热蒸汽经过旁路系统进入热泵，可保障用户的热负荷和冷负荷需求。
【文档编号】F01D15/10GK104295364SQ201410541368
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】马素霞, 马红和, 杨燕霞, 李红格, 张建春, 刘爱成 申请人:太原理工大学