高负压抽采瓦斯与低负压抽采瓦斯掺混利用技术研究_李江松.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月煤矿瓦斯抽采系统分为高负压抽采和低负压抽采两个系统，高负压抽采系统主要用于工作面预抽和掘进面瓦斯抽采，低负压抽采系统主要用于采空区瓦斯抽采，抽排系统主要用于工作面上隅角瓦斯抽采1-3。高负压抽采系统预抽瓦斯的甲烷（C H4）体积分数一般在3 0%以上，低负压抽采系统抽采瓦斯的C H4体积分数一般小于3 0%。以山西A 矿瓦斯抽放泵站为例，高负压预抽瓦斯的C H4体积分数为4 5%，低负压抽排瓦斯的C H4体积分数为1 5%。目前预抽瓦斯进入气柜后全部压缩外输利用，而抽排瓦斯因C H4体积分数低于3 0%无法进入气柜，且没有合适的、经济的利用方式而直接排空，不仅造成温室气体排放，还造成资源的浪费。那么将两种气体掺混，C H4体积分数控制在3 0%以上，压力控制为5k P a，进入气柜，再压缩外输利用，将大量减少瓦斯排空。1概述目前泵站的5 7%高体积分数瓦斯全部外输，2 0%低体积分数瓦斯全部排空。其中，高体积分数瓦斯主要用于瓦斯发电厂，日输气量4 5 43 2 0m3。为促进山西A 矿瓦斯抽放泵站排空低体积分数瓦斯合理高效利用，提高瓦斯资源利用率，贯彻“应抽尽抽、应用尽用、商品化、强利用”的矿井瓦斯利用的基本原则，提升山西A 矿瓦斯抽放泵站瓦斯的销售利润，工程拟以5 7%的高低体积分数瓦斯为基础，结合山西A矿瓦斯抽放泵站的外输能力，尽可能多地将纯量瓦斯输入泵站内已建的1 00 0 0m3低压湿式螺旋气柜。2工程方案2.1掺混模型混气流程按下游用气需求，根据两种气源的气质条件，将气源1和气源2接入混气系统进行混合，混合完成后，符合需求的气体送至下游用户。混气系统流程框图如图1所示。对于低体积分数瓦斯的输送问题，低体积分数瓦斯气源的输送严格执行A Q 1 0 7 6 2 0 0 9煤矿低浓度瓦斯收稿日期：2022-10-18作者简介：李江松，1982年生，男，河南林州人，工程师，主要从事煤层气、煤矿瓦斯开发与利用技术管理工作。高负压抽采瓦斯与低负压抽采瓦斯掺混利用技术研究李江松（山西铭石煤层气利用股份有限公司，山西 晋城0 4 8 0 0 6）摘要：为提高矿井瓦斯利用率，通过采用高负压抽采瓦斯与低负压抽采瓦斯掺混利用技术，实现资源高效节约利用。以山西A矿瓦斯抽放泵站为例，分析了高负压抽采瓦斯与低负压抽采瓦斯掺混利用对抽采系统、抽采设备及外输能力的影响。工程实现了供瓦斯发电厂的混量由2 70 0 0m3/h增加到3 08 0 0m3/h，提高了瓦斯利用率。关键词：瓦斯；高负压抽采；低负压抽采；掺混利用；外输能力中图分类号：T D 7 1 2+.6文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 4 9-0 3Mixing and Utilization Technology of High Negative Pressure Extraction Gas and Low NegativePressure Extraction GasLI Jiangsong(Shanxi Mingshi Coalbed Methane Utilization Co.,Ltd.,Jincheng 048006,Shanxi,China)Abstract:For improving the use ratio of mine gas,the technology of mixing and utilization of high negative pressure extraciongas and low negative pressure extraction gas was adopted to achieve efficient and economical utilization of resources.Taking thegas drainage pump station of Shanxi A Mine as an example,this paper analyzed the influence of the mixing and utilization of highnegative pressure extracion gas and low negative pressure extracion gas on the drainage system,drainage equipment and exportcapacity.The project realized that the mixing capacity of the gas supply power plant increased from 27 000 m3/h to 30 800 m3/h,improving the gas utilization rate.Key words:gas;high negative pressure extracion;low negative pressure extracion;blending and utilization;export capacity（总第2 1 0期）技术研究图 1 混气系统流程框图气源 1（高体积分数瓦斯）CH4：40%60%气源 2（低体积分数瓦斯）CH4：10%20%混合气（去气柜）CH4：40%60%混气系统1 4 9 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0472 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月管道输送安全保障系统设计规范等相关要求，在瓦斯抽放泵房接口后设置喷粉抑爆器水封阻火泄爆装置，防止本混气站出现火灾情况，影响瓦斯抽放泵站；低体积分数瓦斯安全放散利用泵站湿式放散阀，在非正常情况下及时放空；低体积分数瓦斯放散管上设置火焰传感器，将火灾时的信号及时传输给本项目低体积分数瓦斯输送管道后喷粉抑爆装置，阻止火焰向上下游传播。当放散口出现火灾时，自动阻火泄爆装置泄爆，同时放散管上的火焰探测器及压力传感器将信号传输至自动粉喷装置进行喷粉抑爆。另外，自动阻爆装置动作，将气源切断，最大程度上保障本项目低体积分数输送段安全。2.2工业试验将采空区7 2 0系统结合预抽掺混利用，同时分析抽放泵站掺混利用对抽采系统、抽采设备及外输能力的影响。通过分析该试验，得出以下结论。地面预抽采高体积分数瓦斯5 7%5 9%（取值5 7%）；采空区低瓦斯体积分数2 0%；试验用5 7%高体积分数瓦斯和2 0%低瓦斯体积分数掺混后，获得体积分数为4 7%的瓦斯4 18 0 0m3/h；低体积分数的混气比例约为3.1 11；高体积分数瓦斯混量3 16 3 2m3/h，低体积分数瓦斯混量1 01 6 8m3/h；采空区两趟D 5 0 0排空管路，一趟排空从9 0关闭至0，另一趟从9 0关闭至3 0。由此可见，采空区瓦斯未完全利用，其可用混气总量未知。根据阀门开度粗略估算，利用率为8 3.3%（1 5 0/1 8 0=8 3.3%）。根据测算，整个系统最大外输混量为4 38 0 0m3/h，而地面预抽采高体积分数瓦斯的可用混量为3 16 3 2m3/h。为了最大限度地输送纯量瓦斯，则考虑地面预抽采高体积分数瓦斯全部外输，剩余的1 21 6 8m3/h（4 38 0 0-3 16 3 2=1 21 6 8m3/h）均为采空区低体积分数瓦斯。试验期间采空区低体积分数瓦斯1 01 6 8m3/h，占测算的1 21 6 8m3/h采空区低体积分数瓦斯的比例为8 3.6%。经与阀门开度粗略估算的低体积分数瓦斯利用率8 3.3%相比差距不大，综合考虑放空阀门憋压等因素，认为低体积分数瓦斯能够满足本测算所需的1 21 6 8m3/h的需求。3低体积分数瓦斯安全工艺低体积分数瓦斯气源的输送严格执行A Q1 0 7 6 2 0 0 9煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范等相关要求。本项目在瓦斯抽放泵房的低负压系统瓦斯放空管道的三通处接口后设置水封阻火泄爆装置、喷粉抑爆器和自动阻爆阀，防止本混气站出现火灾情况时影响瓦斯安全输送；低体积分数瓦斯安全放散的阀门采用电动蝶阀（已建），在非正常情况下及时放空；在已建的低体积分数瓦斯放散管上增设火焰传感器，将火灾时的信号及时传输给本项目低体积分数瓦斯输送管道后段的喷粉抑爆装置，阻止火焰向下游传播。管道阻火器、水封阻火泄爆装置后，采用威力巴流量计对低体积分数瓦斯进行计量；计量数据现场显示的同时，需传给掺混装置，以便掺混装置对瓦斯流量进行控制。对于主要设备选型，安全保护系统主要由阻火泄爆装置、抑爆装置及自动阻爆装置三部分构成。根据规范要求及中国项目实际建设情况，本项目选用市面上应用较广、可靠性较高、适应性较强的水封式阻火泄爆装置。与水封式阻火泄爆装置类似，自动阻爆装置要求根据前端火源点火焰探测器及压力传感器信号，识别火灾危险，从而实现气源快速切断，进一步缩小事故影响范围。目前中国采用的自动阻爆装置全部为带泄爆功能的自动阻爆阀（组合件），基本无其他同类设备可选，因此本方案选用带泄爆功能的自动阻爆阀（气动式）。4掺混的方式4.1随动流量式随动流量混气机可实现两种及以上气源的掺混，其工作原理为通过掺混系统自带的监测仪表，分析气源的组分，并根据用户输入的出口气质需求，通过控制模块计算各组分的混合比例，通常以一种气源的流量为基准，动态调节阀门开度，控制另一气源的流量，从而使混合气气质达到用户设定值。系统还通过对出口混合气体的流量、组分监测计算，反馈给控制系统，从而实现对混合气体组分的实时动态调节、比例修正。这种混气装置对气源组分适应能力强、混合精度高。随动流量混气机混气精度高，更可将煤层气和瓦斯按任意比例均匀混合，以满足用户需求。常用随动流量比例混合装置一般包含进气压力、流量、气质监控仪表，出口压力、流量、气质监控仪表，进口调节阀门，集成控制系统以及相应的安全辅助设备。由于随动流量混气机采用静态混合器混合，通常将压力较高的气源通过压力控制阀降至压力较低气源的压力后混合，系统自身无提高混合器压力的构件；受系统阻力的影响，在不设置增压设备的条件下，混合完成的气体，压力比混合前的任意气源压力都低。4.2两种混气方式对比分析经过对文丘里引射式混气装置和随动流量混气装置两种混气方式的分析，发现两种混气装置结构差别较大、工作原理不尽相同，因此各自特点突出，优缺点明显。其中，文丘里式混气装置最终混合气体压力1 5 0 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月比低气源压力略高，结构简单；而随动流量式混气装置具有参数动态可调的特点。以下通过表格进行比较，两种混气方式的比较如表1所示。表 1 两种混气方式比较表通过对比可知，随动流量式混气装置在流量调节和混合比例适应性方面优于文丘里式，但是其结构较为复杂，且投资稍高。但是，文丘里式混气装置所需要的引射气体压力较高，鉴于本项目两个气源的压力相当，且无法增压，推荐选用随动流量式混气装置。5外输总量最大限度利用方案根据试验数据，5 7%的高体积分数瓦斯已经是抽放泵站高负压系统的最大抽采能力，其抽采混量最大可达到3 16 3 2m3/h。另外，根据预测抽放泵站最大外输能力4 38 0 0m3/h，则可以混入的低负压系统瓦斯量为1 21 6 8m3/h（4 38 0 0-3 16 3 2=1 21 6 8m3/h）。外输总量利用方案对比如下。方案一：采用混气工艺，在抽放泵站南侧空地新建混气站一座，将抽放泵站现有的2 0%低体积分数瓦斯经安全输送、过滤、计量后，与5 7%高体积分数瓦斯掺混成3 5.0%体积分数的瓦斯，送至1 00 0 0m3的低压湿式螺旋气柜储存。同时建设配套的相关水、电、控制等设施。方案二：也采用混气工艺，在抽放泵站南侧空地新建混气站一座，将抽放泵站现有的2 0%低体积分数瓦斯经安全输送、过滤、计量后，与5 7%高体积分数瓦斯掺混成4 6.7%体积分数的瓦斯，送至1 00 0 0m3的低压湿式螺旋气柜储存。同时建设配套的相关水、电、控制等设施。两个方案最本质的区别在于掺混后输送给气柜的瓦斯体积分数和流量不同，如表2所示。其中，由于方案一考虑的是低体积分数瓦斯气量无限制，方案所需的低体积分数瓦斯混量为4 63 9 4m3/h，该值远远大于建设单位的实验数据1 01 6 8m3/h；与此同时，外输的总气量达到7 80 2 6m3/h，这也远远大于预估的抽放泵站外输系统的总能力4 38 0 0m3/h，也大于通过气柜进口D N 10 0 0瓦斯管道测算的4 23 9 0m3/h，甚至大于低负压系统水环式真空泵的能力9 9 0m3/m in（折合为5 94 0 0m3/h）。表 2 不同方案各项参数对比表而方案二而则考虑的是外输系统对混气的总量控制，因此方案所需的低体积分数瓦斯混量为1 21 6 8m3/h，该值与建设单位的实验数据1 01 6 8m3/h相差不大，且与根据阀门开度估算的数据1 22 0 6m3/h接近；与此同时，外输的总气量为4 38 0 0m3/h，这也与气柜进口D N 10 0 0瓦斯管道测算的4 23 9 0m3/h数据相差无几。综上，根据抽放泵站的总体规模，方案二的配备更适合本项目。本项目按照方案二实施后，外输瓦斯混量由原来的3 30 0 0m3/h增加为4 38 0 0m3/h，净增外输混量1 08 0 0m3/h；外输纯量由原来的1 89 3 0m3/h增加到2 04 5 5m3/h，净增外输纯量15 2 5m3/h。6结语为提高矿井瓦斯利用率，结合抽放泵站抽采参数，采用新建混气设备，混气体积分数无明显波动，供气稳定，掺混模式可行。经试验，泵站在现有抽采量前提下，掺混可增加利用量为2 76 0 0m3/d；外输增压泵站满负荷运行后，按历史数据计算可增加利用量2 92 0 0m3/d。参考文献：1 徐云飞.李阳煤业瓦斯综合利用的实践与探索 J.能源与节能，2021(3)：180-181.2 范文利，杨伟峰.煤矿瓦斯创新利用与实践 J.煤炭加工与综合利用，2022(4)：99-103.3 祝彦.低浓度瓦斯利用技术现状综述与展望 J.能源技术与管理，2022，47(4)：32-34.（编辑：刘晓芳）序号参数名称方案一数据方案二数据1高负压体积分数/%57572高负压系统瓦斯混量/（m3 h-1）31 63231 6323低负压系统体积分数/%20204混合后瓦斯体积分数/%35.046.75低负压系统混量需求/（m3 h-1）46 39412 1686低负压系统纯量需求/（m3 h-1）9 2792 4347混合后瓦斯总混量/（m3 h-1）78 02643 8008混合后瓦斯总纯量/（m3 h-1）27 30920 455项目文丘里式随动流量式关键设施 文丘里混气管，引射混合气质、压力、流量仪表，静态混合器主要原理 高压气体引射低压气体根据一种气体流量，按设置参数控制另外气体的流量混合比例按照设定比例制作混气管，生产完成后只能细微调整根据现场设定参数调整各气源进口阀，现场任意设定混气精度 在设定范围内比较准确在任意范围都准确混合气体压力采用高压气体高速引射瓦斯，通过不同的比例混合，混合气压力可根据用户需求设定混气系统为静态混合，在系统阻力的影响下，最终混合气压力比瓦斯压力低2 3 kPa流量调节通过多只混气管，结合缓冲设备实现流量连续可调通过调节进口控制阀口开度，实现混气规模的调整李江松：高负压抽采瓦斯与低负压抽采瓦斯掺混利用技术研究1 5 1