煤矿瓦斯发电脱水方法优化设计

胡克涛

摘要：将低浓度瓦斯用于发电时，水环式真空泵出口瓦斯含水量较大，液态水进入发电机组内部会增加热耗，同时锈蚀设备，影响机组开机率和发电效率。针对这一问题，分析了目前常用的脱水方法的原理和工艺技术，综合考虑脱水效率和阻力因素，提出丝网脱水方案，并进行了相关设计，研究其脱水效果、阻力，以及对发电效率的影响。研究结果表明，丝网分离器可以有效脱除瓦斯气中的水分，经济效益较好。

关键词：低浓度瓦斯；发电；含水量；脱水方法；气液分离

引言

煤矿开采时矿井回风会排出大量低浓度瓦斯。将低浓度瓦斯用于发电，既可以变废为宝，满足矿区生产生活用电需求，又可以减少环境污染，减少温室气体排放量。低浓度瓦斯输送系统中含有大量水分，若水分被带入低浓度瓦斯发电机组，水分会蒸发吸收大量热量，增加发电机组热耗，降低瓦斯热值；水分蒸发后会膨胀占据气缸部分容积，减少气缸有效容积，增加无用功，降低发电机组出力，因此会影响机组发电效率；同时，在发电机组内，水会导致管道锈蚀、点火困难、火花塞积碳等问题，进而缩短停机及维护检修的周期，降低设备的可靠性，增加润滑油损耗等，增加运行维护成本，影响机组开机率。

1、常用脱水方法

目前常用的脱水方法有重力沉降分离、离心分离、过滤分离、惯性分离、溶液吸收脱水等。重力沉降分离是利用气体和水的密度差，发生相对运动从而实现脱水，达到分离效果。其具有设备结构简单、操作空间大等优点，缺点是分离时间较长，设备尺寸大、笨重，且只能分离100μm以上较大颗粒的液滴。离心分离是借助离心力作用（水滴与气体的密度不同所受到的离心力也不同），实现气水分离的目的，适用于处理气量大和含尘浓度高的气体，其分离效率高于重力沉降分离，常用的设备是旋风脱水器。过滤分离是采用过滤介质将气体中的水分脱除的方法，常用的过滤介质有金属丝网和玻璃纤维。丝网是由纤维状材料组成的床层，当含水气体经过丝网时，气流可以通过，而液滴撞击在纤维上，液滴结合后重量较大进而向下汇流。

2、脱水设备设计

2.1脱水设备设计

目前低浓度瓦斯发电项目常采用旋风脱水器来脱除液态水。旋风脱水器虽然价格较低，但其适用于脱除机械过程形成的直径大于50μm的液滴，而非机械过程如冷凝生成的液滴直径较小（小于10μm），仅仅采用旋风脱水器无法达到脱除直径较小液滴的目的。同时出于安全考虑，瓦斯流速一般控制在10～15m/s内，流速较低，因此旋风脱水器分离效果不理想，分离效率为50%～70%。丝网脱水器中的丝网除沫器是由丝网、挡圈、格栅，以及固定丝网块的支撑圈和封板组成，不仅能除去气体中直径较大的液滴，还能除去直径较小的液沫，可以有效除去直径3～5μm的雾滴。除沫器的规格有标准型（SP）、高效型（DP）、高穿透型（HR）、阻尼型（HP），选用DP型（每100mm厚的网垫为32层丝网），其脱水效率较高（高于98%），且压力损失较小（低于1kPa）。丝网除沫器结构如图1所示。因此拟采用丝网脱水器脱除瓦斯气体中含有的水分，同时还可以脱除瓦斯气体中含有的部分粉尘等杂质。

设计条件：瓦斯气体温度40℃，甲烷体积分数15%，压力10kPa，流量7200m3/h（标准状态下，下同），液态含水量110g/m3。通过模拟得到两相总流量Q为7407m3/h，真实气体密度ρG为1.139kg/m3，液体密度ρL为741.9kg/m3。

1）脱水器直径D的计算：

式中K为气液过滤网常数，DP网型取0.198。根據标准选取DN1000的下装式丝网除沫器X1000-100DP304/304，气速为2.62m/s。2）脱水器高度的计算：

式中：VL为单位时间的液体流量，m3/h；t为停留时间，t=8min。液体高度为0.2m，根据标准，脱水器气相空间高度取1.3m（1.3D），则直筒段高1.5m。根据计算的设备尺寸及选用的丝网除沫器，绘制的丝网脱水器设备。根据操作气速计算得到操作压降为0.127kPa，压降较小。

2.2含水量测定

瓦斯气体中的含水量由重量法湿度测定装置检测，是利用无水高氯酸镁吸收瓦斯气体中的水分，用分析天平测量吸收管吸水前后增加的质量得出水分的质量，由湿式气体流量计测量瓦斯气的体积，从而测量瓦斯气体中的含水量。

3、结语

脱水效果直接影响低浓度瓦斯发电机组的运行效果，在生产应用中需要对脱水方法进行优化设计和改进。通过分析常用脱水方法的优缺点，选择合适的脱水装置并进行设计，可以有效脱除瓦斯气中的大部分水分，提高瓦斯热值，减少管道腐蚀，增加发电机组使用寿命，经济效益较为可观。

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