煤矿瓦斯发电脱硫技术研究与应用.pdf

摘要煤矿瓦斯发电时，瓦斯中的 H2S 气体会对瓦斯输送管道、设备及瓦斯发电机组造成酸性腐蚀，需在瓦斯发电前将其脱除。简介了常用的三种脱硫方法及瓦斯发电装置对脱硫系统的要求，分析确定了煤矿瓦斯发电选用湿法脱硫技术。介绍了络合铁湿式氧化法脱硫的原理和工艺流程，基于某煤矿瓦斯发电站开展了络合铁湿式氧化脱硫系统设计，现场运行结果表明：脱硫后瓦斯中 H2S 体积分数维持在 19010-6左右，达到设计要求；检验瓦斯发电机组，未发现因 H2S 造成的腐蚀，发电机组运行良好。关键词煤矿瓦斯发电；络合铁湿法脱硫；吸收；再生；氧化文章编号：1005-9598(2023)-03-0082-04中图分类号：X701.3文献标识码：B煤矿瓦斯发电脱硫技术研究与应用梁成文1，黄克海2,3（1.山西华阳集团新能股份有限公司煤层气开发利用分公司，山西阳泉 045008；2援瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037;3援中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）收稿日期：2023-02-27第一作者：梁成文（1972），男，汉族，山西寿阳人，工程师，学士，2022 年本科毕业于太原理工大学能源与动力工程专业，现从事煤层气生产运行及管理工作，E-mail：；通讯作者：黄克海（1979），男，汉族，湖北襄阳人，副研究员，硕士，2010 年研究生毕业于重庆大学，现从事煤矿瓦斯利用技术及装备研究，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.03.022引言煤矿瓦斯的主要成分是甲烷，甲烷是一种温室气体，其温室气体效应是二氧化碳的 21 倍之多，直接将煤矿瓦斯排空将造成极大的环境污染1。甲烷也是一种清洁能源，将煤矿瓦斯利用起来则可实现变害为宝。目前，我国煤矿瓦斯最主要的利用方式是内燃机发电，节能减排效果明显2-3。但在我国的新疆、内蒙、陕西、山西、四川等地很多煤矿抽放瓦斯中都含有 H2S气体，该气体对瓦斯抽放管道和设备有很强的腐蚀性4-6。为了避免 H2S 对抽放管道、设备，特别是对瓦斯发电机组造成损坏，在抽放瓦斯输送至发电机组之前需要脱掉瓦斯气中的 H2S，从而减少设备维护和延长发电机组的使用寿命。内蒙古某新建瓦斯发电站设计总装机容量为 8 MW，气源来自附近煤矿瓦斯抽放泵站。新建电站的瓦斯发电机组采用资阳厂生产的瓦斯发电机组，实际泵站抽采的瓦斯气体中 H2S 体积分数接近 80010-6，无法满足不大于 20010-6的设计要求，为了保护输送管路及发电机组，开展了瓦斯发电脱硫技术研究与应用。1瓦斯发电脱硫方法选择1.1常见脱硫方法脱硫方法分为干法脱硫、湿法脱硫和生物脱硫三种，其中湿法脱硫技术研究已有 100 多年历史7。干法脱硫是在圆形脱硫塔内装填颗粒状或粉末状吸附剂，气体自下而上通过吸附剂，达到脱硫目的。干法脱硫装置结构简单，使用方便，脱硫过程中无需人员值守，定期换料，设备一用一备，交替运行，适用于流量小、H2S 含量低的气体，但也存在操作不连续、更换脱硫剂劳动强度大、设备笨重等缺点8-9。湿法脱硫是利用特定的液体溶剂与气体逆流接触而脱除其中的 H2S，溶剂通过再生后可重新进行吸收。湿法脱硫设备可连续运行，适合处理量大、H2S 含量高的气体，缺点是需要专人值守、运行费用较高10-11。生物脱硫是利用微生物的代谢作用将气体中的H2S 转化为单质硫或硫酸盐。生物脱硫具有环境友好、消耗化学原料少、成本低、安全性高、维护简单等优点，是一项极具发展潜力的脱硫技术12-13。目前，国内对于生物脱硫的研究主要集中在实验室的模拟研究引用格式：梁成文，黄克海.煤矿瓦斯发电脱硫技术研究与应用J.煤化工，2023，51（3）：82-85.第 51 卷第 3 期2023 年 6 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.3Jun.2023第 51 卷第 3 期阶段，进行中试现场研究和示范工程的案例较少，系统的应用研究和有效成型设备的研制也尚少。1.2瓦斯发电脱硫装置要求根据我国煤矿瓦斯抽采及利用的特点，瓦斯发电脱硫装置应满足以下要求：（1）煤矿瓦斯抽采系统、瓦斯发电机组 24 h 连续运行，脱硫装置需要连续作业。（2）不同地区煤矿瓦斯气体中 H2S 的含量不尽相同，部分矿区抽采瓦斯中 H2S 体积分数达到 1 50010-6以上，严重影响瓦斯发电机组正常运行，而瓦斯利用输送管路直径较大，单条管路流量达到 8 000 m3/h左右，要求脱硫装置处理气量大。（3）应选择技术先进、经济合理的脱硫装置，尽量减少维修、维护时间，提高瓦斯发电系统运行效率，降低脱硫装置运行成本。（4）脱硫装置应具有可靠的检测控制系统，保证脱硫系统安全可靠及高效运行。通过对不同脱硫方法技术特点及适用范围分析比较，结合煤矿抽采瓦斯特点和瓦斯发电对脱硫装置的要求，煤矿瓦斯发电选用湿法脱硫方法。2络合铁湿式氧化法脱硫原理及流程2.1络合铁湿式氧化法脱硫原理湿法脱硫法是利用化学溶液吸收 H2S 的方法。根据脱硫原理又可分为氧化还原法和吸收法14。其中氧化还原法具有反应速度快且可回收硫磺的特点，是业界研究的重点和热点。煤矿瓦斯发电脱硫技术采用络合铁湿式氧化法脱硫技术，它是一种以铁为催化剂的湿式氧化还原脱除硫化物的方法。该方法工艺流程简单、脱硫效率高、脱硫液硫容高，可广泛应用于废气、炼厂气和天然气中 H2S 的处理15。其基本原理为：H2S气体首先被碱液(Na2CO3)吸收，并与碱发生反应生成HS-，在此过程中气体中大量的 H2S 被吸收，实现对气态中 H2S 的净化过程，在该过程中洗涤液碱性下降；在含有 HS-与络合态 Fe3+的液态体系中，由于 Fe3+具有较强的氧化性，将 HS-氧化成单质硫磺，与此同时络合态 Fe3+被还原成络合态 Fe2+，这个过程就是析硫过程或氧化过程；在再生过程中，络合态 Fe2+溶液与空气接触被氧化成络合态 Fe3+，恢复络合铁溶液的氧化能力，同时溶液的碱性提高，恢复对 H2S 的碱吸收能力。其主要反应见式（1）式（5）：碱性水溶液吸收 H2S、CO2：Na2CO3+H2SNaHCO3+NaHS（1）Na2CO3+CO2+H2O 2NaHCO3（2）析硫过程：2Fe3+(络合态)+HS-2Fe2+(络合态)+S+H+（3）再生反应：2Fe2+(络合态)+1/2O2+H+2Fe3+(络合态)+OH-（4）2NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O（5）2.2络合铁湿式氧化法脱硫工艺流程络合铁湿式氧化法脱硫工艺流程如图 1 所示。煤矿瓦斯进入填料吸收塔的下部与自上而下的脱硫贫液逆流接触，脱除了 H2S 的瓦斯气经气液分离器分离夹带的脱硫液后去瓦斯发电下一单元。吸收了H2S 的络合铁溶液从填料吸收塔底部出来汇集在富液槽，经富液泵加压打入再生塔中，通过再生塔顶部喷射器吸入的空气氧化络合铁溶液中的低价态络合铁离子，使络合铁溶液和吸收液碱性再生。再生后的脱硫液从再生塔上部溢流进入贫液槽，再由贫液泵升压送入填料吸收塔中进行循环吸收。再生塔内析出的硫单质悬浮于再生塔顶部的环形槽内，并溢流进入硫泡沫槽中，然后经离心机分离回收硫磺，离心后的溶液再通过回流泵返回系统循环使用16。3络合铁湿式氧化脱硫技术在瓦斯发电站的应用3.1脱硫系统设计依据络合铁湿式氧化法脱硫在内蒙古某煤矿瓦斯发电站进行了应用。发电站气源为附近的煤矿抽放瓦斯，由 DN500 管道输送至发电站。管道瓦斯参数见表 1。结合管道瓦斯参数以及国内瓦斯发电机组应用情况，得到脱硫系统基本设计参数，见表 2。含硫煤矿瓦斯（）填料吸收塔再生后脱硫贫液脱硫后煤矿瓦斯净化后煤矿瓦斯去下单元接地下槽气液分离器再生塔硫泡沫槽离心机富液泵富液槽富液贫液槽贫液泵回流泵地下槽脱硫液储槽图 1络合铁湿式氧化法脱硫工艺流程示意图梁成文等：煤矿瓦斯发电脱硫技术研究与应用83-2023 年煤 化 工3.2脱硫系统主要设备及技术参数脱硫系统主要由吸收塔、再生塔、贫液槽、富液槽、富液泵、贫液泵等组成。其中吸收塔是整个脱硫系统的核心设备，根据表 2 可知：瓦斯气体最大流量达到 8 000 m3/h，为减小吸收塔单塔尺寸，设计两台吸收塔并联运行。吸收塔结构设计为填料塔；填料采用通量大、阻力小的鲍尔环；单台设备尺寸为 DN2 20010 770 mm。再生塔顶部设计喷射器和环形槽，尺寸为 DN3 0003 800 mm。贫液槽及富液槽设计为卧式，大小一致，尺寸为 椎2 000 mm4 200 mm；均设计为两用一备，泵的技术参数相同：单泵技术参数为流量 50 m3/h，扬程 20 m，功率 5.5 kW。3.3脱硫系统运行效果络合铁湿式氧化法脱硫系统的贫液泵和富液泵配置了变频调节装置，可以根据瓦斯气体实际的流量和 H2S 含量调节脱硫贫液的流量，从而在保证脱硫效果的同时，尽量减少脱硫贫液的消耗以及电能损耗。经过一段时间的运行，在气源波动下脱硫系统连续运行参数及脱硫效果见表 3（表 3 依据瓦斯气流量由小到大顺序列出了部分运行数据）。根据表 3 数据，绘制瓦斯气流量与脱硫前 H2S 含量、贫液流量及脱硫后 H2S 含量的关系图，见图 2图 4。从图 2 可以看出：瓦斯流量增大，则 H2S 含量有缓慢变小的趋势，结合现场瓦斯流量变大时抽放瓦斯浓度变低分析：瓦斯流量变大时抽放管道中进入空气变多，造成 H2S 含量略微变低。从图 3 可以看出：瓦斯流量增大，则进入吸收塔的贫液流量增加，经分析：虽然瓦斯流量增大时 H2S含量稍微变低，但进入吸收塔的 H2S 总量依然增加，为了达到脱硫效果，需要较多的吸收剂进入吸收塔。从图 4 可以看出：瓦斯流量增大时，通过调节贫液流量实现脱硫后 H2S 体积分数维持在 19010-6附近，满足脱硫后 H2S 体积分数不大于 20010-6的要求。脱硫装置运行一段时间后的数据表明：在输送至发电站的瓦斯流量发生波动时，瓦斯中 H2S 浓度稍微减小，但瓦斯中 H2S 总量仍与瓦斯流量成正比关系；络合铁湿式氧化法脱硫系统在瓦斯流量发生变化（即瓦斯中 H2S 总量改变）时，通过正比例调节贫液流量可使脱硫后瓦斯中 H2S 体积分数保持在 19010-6附近，符合设计要求；对瓦斯发电机组进行检验，未发现任何因 H2S 造成的腐蚀现象，发电机组运行良好。4结语（1）根据煤矿瓦斯发电要求以及不同脱硫方法特表 1管道瓦斯参数压力/kPa20流量/（m3 h-1）8000温度/050渍(CH4)/%9渍(H2S)/10-6800表 2脱硫系统基本设计参数瓦斯流量/（m3 h-1）8000渍(CH4)/%13.3温度/540输送压力/kPa20渍(H2S)/10-6脱硫前800脱硫后200表 3脱硫系统运行参数及脱硫效果瓦斯气流量/（m3 h-1）595263666527675670817295749376697894贫液流量/（m3 h-1）647170737577787880脱硫前651648645644642640637635635脱硫后185189187190189193192193193渍(H2S)/10-67006806606406206005500 6000 6500 7000 7500 8000 8500瓦斯流量/(m3 h-1)荫荫荫荫荫荫荫荫荫图 2瓦斯流量与脱硫前 H2S 含量关系9085807570656055505500 6000 6500 7000 7500 8000 8500荫荫荫荫荫荫荫荫荫图 3瓦斯流量与贫液流量关系2001951901851805500 6000 6500 7000 7500 8000 8500荫荫荫荫荫荫荫荫荫图 4瓦斯流量与脱硫后 H2S 含量关系注：瓦斯含液态水，其他成分同当地空气比例。瓦斯流量/(m3 h-1)瓦斯流量/(m3 h-1)84-第 51 卷第 3 期点、适用范围，确定煤矿瓦斯发电前脱硫采用湿式脱硫方法。（2）煤矿瓦斯发电前脱硫采用流程简单、脱硫效率高、脱硫液硫容高的络合铁湿式氧化法工艺。（3）络合铁湿式氧化法脱硫应用于内蒙古某煤矿瓦斯发电站的运行表明：随着瓦斯流量变化，脱硫系统能够及时调节贫液流量，保证脱硫后瓦斯气体 H2S体积分数始终维持在 19010-6附近，达到不大于20010-6的设计要求，检验瓦斯发电机组，未发现任何因 H2S 造成的腐蚀现象，发电机组运行良好。参考文献：1 康建东，兰波，严政，等.乏风瓦斯蓄热氧化试验研究J.矿业安全与环保，2013，40(1）：1-3，7.2 许慧娟.低浓度瓦斯气源品质对瓦斯发电机组的影响研究J.矿业安全与环保，2019，46（4）：59-633 张群.低浓度瓦斯发电站关键技术分析J.能源与环保，2019，41（8）：100-104.4 刘明举，李国旗，MITRI H，等.煤矿硫化氢气体成因类型探讨J.煤炭学报，2011，36（6）：978-983.5 金永飞，闫浩，许亚奇，等.矿井硫化氢危险性分源分级评估方法研究及应用J.矿业安全与环保，2021，48（1）：97-100，107.6 魏俊杰，邓奇根，刘明举.煤矿硫化氢的危害与防治J.煤炭技术，2014，33（10）：269-272.7 张云飞，范晶俊，钱燕君，等.沼气湿法脱硫技术研究进展J.能源环境保护，2014，28（1）：19-21，29.8 李金洋，敖永华，刘庆玉.沼气脱硫方法的研究J.农机化研究，2008（8）：228-230.9 文娟.煤层气脱硫氧化再生槽的设计J.矿业安全与环保，2013，40（6）：26-28.10 刘卫国.沼气生物脱硫的关键技术及应用研究D.湖北：武汉理工大学，2015.11 张丽雯.沼气单机湿式氧化脱硫装置设计J.科技创新导报，2012（4）：110.12 伍亚琴，雷军，王先厚.生物脱硫技术研究进展J.天然气化工（C1 化学与化工），2021，46（1）：6-10，45.13 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system wereintroduced,and the wet desulfurization technology selected for coal mine gas power generation was determined by the analysis.The principle and process flow of chelated iron wet oxidation desulfurization were introduced.A chelated iron wet oxidationdesulfurization system was designed based on a coal mine gas power station.The on-site operation results showed that thevolume fraction of H2S in the gas was kept at about 190伊10-6after the desulfurization,meeting the design requirements.Duringthe inspection of the gas generator set,no corrosion caused by H2S was found,and the generator set was operating well.Key wordscoal mine gas power generation;wet desulfurization of chelated iron;absorption;regeneration;oxidation梁成文等：煤矿瓦斯发电脱硫技术研究与应用85-