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30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能研究黄克海1，2（1援瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2援中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）我国通过煤矿乏风瓦斯排放的甲烷占煤矿排放甲烷总量的 60%左右，是甲烷的最大工业排放源1。乏风瓦斯中甲烷体积分数低（0.75%），无法燃烧利用，如果进行分离提纯，耗能远远超过获取甲烷的能量，不具有经济性，所以长期以来乏风瓦斯只能排空，造成了不可再生能源的极大浪费2。另外，甲烷温室效应约为二氧化碳的 21 倍，直接排空对生态环境也造成了极大破坏3。因此，为了合理利用煤矿乏风、实现变“害”为“宝”，中煤科工集团重庆研究院有限公司探索了将乏风瓦斯催化氧化后发电的利用方式，并研制了 30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置，开展了相关性能试验，现介绍如下。130 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置1.1试验装置构成及工作原理乏风瓦斯催化氧化发电试验装置包括配气装置、压气机、回热器、催化燃烧室、透平、齿轮箱和发电机等4-5，试验装置示意图见图 1。配气装置提供甲烷体积分数约为 1%的乏风瓦斯；压气机将配好的乏风瓦斯加压送入回热器；回热器利用透平排出的 500 左右尾气余热将乏风瓦斯加热到 450 左右；升温后的乏风瓦斯进入催化燃烧室，在催化剂表面发生催化氧化燃烧反应，产生 700 800 高温高压烟气；高温高压烟气在透平内膨胀做功，推动发电机发电，进而完成了乏风瓦斯催化燃烧由化学能向电能的转化。1.2试验装置主要设备技术参数配气装置采用动态连续掺混器，可实现乏风瓦斯甲烷含量宽域调节6。30 kW 发电机组需要甲烷体积分数为 1%的乏风瓦斯量为 0.946 m3/s，考虑一定的冗余量，配气装置设计最大配气量为 4 000 m3/h。压气机、透平为高速运转设备，两者采用同轴结构。压气机将乏风瓦斯加压后送入回热器，压气机进摘要针对乏风瓦斯中甲烷含量低、无法直接燃烧利用，提纯后利用则经济性差的问题，进行了乏风瓦斯催化氧化发电利用的探索。研制了 30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置，开展了透平转速与气量、回热器及催化氧化燃烧室阻力损失、催化氧化发电试验研究。结果表明：30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置运行稳定、控制可靠；设计工况条件下，装置发电量达到了 30.8 kW；逆流回热装置、催化氧化燃烧室、低温低压透平机等装备主要性能指标均达到了设计要求。关键词乏风瓦斯；催化氧化；发电；透平转速；回热器；催化氧化燃烧室；阻力损失文章编号：1005-9598(2023)-04-0110-03中图分类号：TD712+.67文献标识码：A收稿日期：2023-03-11第一作者：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机械电子工程专业，现从事煤矿瓦斯利用技术及装备研究，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.04.025引用格式：黄克海.30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能研究J.煤化工，2023，51（4）：110-112.第 51 卷第 4 期2023 年 8 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.4Aug.2023配气装置空气瓦斯乏风瓦斯（原料气）压气机催化燃烧室回热器透平高温高压烟气齿轮箱发电机图 1乏风瓦斯催化氧化发电试验装置示意图第 51 卷第 4 期口压力为 0.982 85105Pa，出口压力为 2.260 56105Pa，压缩比为 2.3，转速为 36 000 r/min。透平由催化氧化燃烧室生成的高温高压烟气驱动发生旋转，并带动压气机及发电机一起旋转，将乏风瓦斯的化学能转化为电能，透平进口压力 2.017 32105Pa，输出功率 151 kW，转速为 36 000 r/min,膨胀比为 1.9。回热器选用主表面式回热器，相对于管壳式、板翅式换热器，主表面式回热器在热效率、紧凑度、热流密度上具有较大优势7。回热器换热面积为 83.9 m3，乏风瓦斯进回热器管径为 DN200，出回热器管径为DN250。透平排出的尾气进回热器管径为 DN400，出回热器管径为 DN300。催化氧化燃烧室设计为催化剂多级装填燃烧室，催化剂为贵金属载体催化剂8。催化剂的体积为 0.109 m3、尺寸为 椎330 mm1 300 mm。燃烧器采用电阻丝加热的方式起燃，电加热功率为 45 kW。齿轮箱将透平轴输出的 36 000 r/min 转速安全可靠地降到低速永磁发电机正常运行所需的 3 000 r/min。齿轮箱减速比为 12，两级传动。发电机选择额定功率为 55 kW 的永磁发电机。230 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能试验2.1透平转速与气量的试验通过调节电机转速、乏风瓦斯甲烷含量、外接负载功耗等参数，调节透平转速，考察透平转速与乏风瓦斯流量的关系，结果见表 1。由表 1 可以看出：随着透平转速的提高，瓦斯流量逐渐增加；在透平转速 36 300 r/min 的工况条件下，实测压气机吸气侧乏风瓦斯流量为 2 980 m3/h，与该转速下出厂检验流量 3 024 m3/h 相比，偏小约 1.5%，考虑系统存在阻力，偏小量可接受。2.2回热器及催化氧化燃烧室阻力损失试验透平不同转速下，分别测量压气机出口、回热器乏风瓦斯出口、催化氧化燃烧室出气口及透平排气口压力，结果见表 2。从表 2 可以看出：随着透平转速的提高,压气机出口压力、回热器出口压力、燃烧室出口压力均逐渐升高。透平转速 36 300 r/min 时，压气机出口压力为220.3 kPa，回热器压力损失为 5.6 kPa，压损率为0.026，小于回热器设计的原料气侧压损率 0.03 的要求。燃烧室压力损失为 7.2 kPa，压损率为 0.035，小于燃烧室设计的压损率 0.05 的要求。燃烧室、回热器阻力损失小于设备设计值，有利于乏风瓦斯催化氧化燃气轮机发电装置的高效正常运行。2.3催化氧化发电试验试验时系统先由电动机模式带动压气机和透平旋转，调节电动机转速、乏风瓦斯流量及甲烷含量，使乏风瓦斯催化氧化发电系统达到自平衡，当系统达到自平衡时，将电动机模式切换至发电模式，然后再手动逐步调节乏风瓦斯量、外接负载负荷，考察乏风瓦斯甲烷含量与发电机组发电功率的关系。试验时乏风瓦斯甲烷体积分数分别控制在 0.9%、1.0%、1.1%左右。乏风瓦斯催化氧化发电的代表性试验数据见表 3。表 1透平转速与乏风瓦斯流量试验数据透平转速/(r min-1)96001260015800205202520028800313203350036300瓦斯流量/(m3 h-1)4356801050145019502280251027502980表 2回热器及燃烧室压力损失试验数据透平转速/(r min-1)96001580020520252003132036300压气机出口压力/kPa106.1127.1136.5154.6184.7220.3回热器出口压力/kPa105.1125.5134.3151.1180.3214.7回热器压力损失/kPa1.01.62.23.54.45.6燃烧室出口压力/kPa103.8123.4131.5146.6174.6207.5燃烧室压力损失/kPa1.32.12.84.55.77.2表 3催化氧化发电代表性试验数据透平转速/(r min-1)264002640026400313203132031320363003630036300原料气流量/(m3 h-1)201020102010251025102510298029802980甲烷体积分数/%0.981.041.130.941.061.150.941.081.12发电机功率/kW3.96.812.813.617.421.522.530.833.1黄克海：30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能研究111-2023 年煤 化 工同享低碳生活，共建绿色家园由表 3 可以看出：在透平转速相同的情况下，发电机输出功率随着乏风瓦斯甲烷体积分数的提高而增大。相同甲烷体积分数情况下，发电机功率随着透平转速的提高而增大。当透平转速达到 36 300 r/min，甲烷体积分数达到 1.08%时，发电机输出功率为30.8 kW；甲烷体积分数为 1.12%时，发电机输出功率达到 33.1 kW。乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能满足设计要求，其功率与乏风瓦斯的甲烷体积分数呈正相关。3结论针对研制的功率为 30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置，开展了性能试验，运行试验表明：30 kW 乏风瓦斯催化氧化发电试验装置运行稳定、控制可靠；设计工况条件下，装置发电功率达到了 30.8 kW；逆流回热装置、催化氧化燃烧室、低温低压透平机等装备主要性能指标均达到了设计要求，为今后中试及工业化应用提供了基础数据。参考文献：1 刘文革，韩甲业，赵国泉.我国矿井通风瓦斯利用潜力及经济性分析J.中国煤层气，2009，6（6）：3-8.2 陈宜亮，马晓钟，魏化兴.煤矿通风瓦斯氧化技术及氧化热利用方式J.中国煤层气，2007，4（4）：27-30.3 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）：1-3，7.4 兰波，康建东，张荻.一种新型乏风瓦斯催化氧化发电系统的开发J.矿业安全与环保，2016，43（3）：33-36.5 李强，霍春秀，龙伍见.乏风瓦斯催化氧化燃烧燃气轮机发电技术研究进展J.中州煤炭，2012（8）：43-45.6 黄克海.乏风瓦斯混配装置调控系统设计研究J.矿业安全与环保，2017，44（3）：33-36.7 马虎根，张莉红.紧凑式回热器传热及流动特性J.工程热物理学报，2006，27（6）：1032-1034.8 王珂.整体催化剂用于低浓度甲烷的催化燃烧D.上海：上海交通大学，2009.Study on performance of a 30 kW ventilation air methane catalytic oxidation power generation test unitHuang Kehai1,2(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China;2.Chongqing Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group,Chongqing 400037,China)AbstractThe volume fraction of methane in ventilation air methane was low and could not be directly burned forutilization.Also,if used after purification,its economy was poor.Therefore,the catalytic oxidation of ventilation air methanefor power generation was explored and a 30 kW ventilation air methane catalytic oxidation power generation test unit wasdeveloped.The experimental study was carried out on turbine speed and gas flow,resistance loss on regenerator and catalyticoxidation combustion chamber,and catalytic oxidation power generation.The results showed that the 30 kW ventilation airmethane catalytic oxidation power generation test unit had stable operation and reliable control.Under the design operatingconditions,the power generation of the unit reached 30.8 kW,and the main performance indicators of equipment such as thecountercurrent heat recovery device,catalytic oxidation combustion chamber,and low-temperature and low-pressure turbinehad all met the design requirements.Key wordsventilation air methane;catalytic oxidation;electric power generation;turbine speed;regenerator;catalyticoxidation combustion chamber;resistance loss112-