一种低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统及其安全低碳运行方法与流程

本发明属于煤矿低浓度瓦斯回收利用，具体涉及一种低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统及其安全低碳运行方法。

背景技术：

1、我国煤矿在生产过程中通常会产生不同瓦斯浓度的瓦斯气体，其中高浓度瓦斯气可以直接使用，而低浓度瓦斯气无法直接利用而通常直接排放至大气环境中，例如抽釆瓦斯气，主要为浓度低于8%的低浓度瓦斯气。如果将煤矿生产过程中无法直接利用的低浓度瓦斯气收集起来加以利用，既可有效地解决煤矿瓦斯事故，改善矿区生产生活条件，又有利于增加清洁能源供应、减少温室气体排放，达到保护生命、节约资源、保护环境的多重目标。

2、当前，煤矿一般采用蓄热氧化技术对煤矿生产过程中产生的低浓度瓦斯气进行回收利用，既解决了低浓度瓦斯气直接排放造成的温室效应问题，还能输出热能用于满足煤矿多种用能需求，节约能源消耗。然而，蓄热氧化的关键设备是蓄热式氧化装置，其对瓦斯浓度要求比较严格，煤矿抽采瓦斯气首先进入掺混装置与空气、低温烟气等气体进行混合后，形成蓄热式氧化装置所需瓦斯浓度的瓦斯混合气，然后进入蓄热式氧化装置进行氧化制热，用于满足煤矿生产生活用能需求。此时，为保证蓄热式氧化装置安全运行，需按照蓄热式氧化装置的实际工况需求，对掺混装置输出瓦斯混合气的流量、瓦斯浓度等参数进行调节控制，由此避免瓦斯混合气的参数超过蓄热式氧化装置规定的界限值，而对蓄热式氧化装置安全运行造成影响。

3、在实际运行中，低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统会遇到如刚启动、稳定运行、变负荷运行、设备维修保养停运、设备故障停运及瓦斯浓度超标停运等不同运行工况，使得整个系统运行工况变得十分复杂。因此，如何保证瓦斯掺混蓄热氧化系统在复杂运行工况下的安全性与低碳性，是当前煤矿瓦斯充分回收利用所面临的关键技术难题。现有专利技术包括cn113551152b、cn108514810a和cn107191946b等，主要从流量调节控制瓦斯浓度、多次掺混控制瓦斯浓度、增加吹扫辅助设备等角度实现瓦斯掺混氧化系统的安全运行，其不足之处则是未考虑调节控制过程的低碳性。特别是瓦斯气的温室效应等于同质量二氧化碳的21倍，因此，充分回收利用煤矿瓦斯，减少氧化运行过程的瓦斯气排放，对助力于国家“双碳”战略目标，具有至关重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理、性能可靠的低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统及其安全低碳运行方法。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统，其特征在于，包括：第一瓦斯掺混氧化系统、第二瓦斯掺混氧化系统和吹扫空气引风机，所述吹扫空气引风机设置在吹扫空气输送管上，所述吹扫空气输送管同时与第一瓦斯掺混氧化系统和第二瓦斯掺混氧化系统连接，所述第一瓦斯掺混氧化系统与第二瓦斯掺混氧化系统通过第一瓦斯气主动放散管与第二瓦斯气主动放散管相互连接；

3、所述第一瓦斯掺混氧化系统包括：第一瓦斯抽送泵、第一掺混装置、第一蓄热氧化装置和第一余热锅炉，所述第一瓦斯抽送泵的瓦斯气出口通过第一瓦斯气输送管与第一掺混装置的瓦斯气进口连接，且第一瓦斯抽送泵的瓦斯气出口还同时连接有第一瓦斯气被动放散管和第一瓦斯气主动放散管，所述第一掺混装置的空气进口同时连接有第一新鲜空气输送管和第一吹扫排放管，所述第一掺混装置的烟气进口通过第一烟气回收输送管与第一余热锅炉的烟气出口连接，所述第一掺混装置的混合气出口通过第一混合气输送管与第一蓄热氧化装置的混合气进口连接，且第一蓄热氧化装置的混合气进口还连接有第一空气吹扫支管，所述第一蓄热氧化装置的高温烟气出口与第一余热锅炉的烟气进口连接；

4、所述第二瓦斯掺混氧化系统包括：第二瓦斯抽送泵、第二掺混装置、第二蓄热氧化装置和第二余热锅炉，所述第二瓦斯抽送泵的瓦斯气出口通过第二瓦斯气输送管与第二掺混装置的瓦斯气进口连接，且第二瓦斯抽送泵的瓦斯气出口还同时连接有第二瓦斯气被动放散管和第二瓦斯气主动放散管，所述第二掺混装置的空气进口同时连接有第二新鲜空气输送管和第二吹扫排放管，所述第二掺混装置的烟气进口通过第二烟气回收输送管与第二余热锅炉的烟气出口连接，所述第二掺混装置的混合气出口通过第二混合气输送管与第二蓄热氧化装置的混合气进口连接，且第二蓄热氧化装置（的混合气进口还连接有第二空气吹扫支管，所述第二蓄热氧化装置的高温烟气出口与第二余热锅炉的烟气进口连接；

5、所述吹扫空气输送管同时通过第一空气吹扫支管和第二空气吹扫支管分别与第一蓄热氧化装置和第二蓄热氧化装置连接；

6、所述第一瓦斯抽送泵的瓦斯气出口通过第一瓦斯气主动放散管与第二掺混装置连接，所述第二瓦斯抽送泵的瓦斯气出口通过第二瓦斯气主动放散管与第一掺混装置连接。

7、进一步地，所述第一瓦斯抽送泵的瓦斯气出口通过第一瓦斯气输送管与第一掺混装置的瓦斯气进口连接，且在第一瓦斯气输送管上设置有第一瓦斯气流量测量仪、第一瓦斯气调节阀和第一瓦斯气快关阀，所述第一瓦斯抽送泵的瓦斯气出口还通过第一瓦斯气被动放散管和第一瓦斯气主动放散管分别与第一水封放散装置和第二掺混装置的空气进口连接，且在第一瓦斯气主动放散管上设置有第一主动放散调节阀；

8、所述第二瓦斯抽送泵的瓦斯气出口通过第二瓦斯气输送管与第二掺混装置的瓦斯气进口连接，且在第二瓦斯气输送管上设置有第二瓦斯气流量测量仪、第二瓦斯气调节阀和第二瓦斯气快关阀，所述第二瓦斯抽送泵的瓦斯气出口还通过第二瓦斯气被动放散管和第二瓦斯气主动放散管分别与第二水封放散装置和第一掺混装置的空气进口连接，且在第二瓦斯气主动放散管上设置有第二主动放散调节阀。

9、进一步地，所述第一掺混装置的空气进口同时连接有第一新鲜空气输送管和第一吹扫排放管，且在第一新鲜空气输送管上设置有第一新鲜空气调节阀、第一空气流量测量仪和第一新鲜空气引风机，在第一吹扫排放管上设置有第一吹扫出气关断阀；

10、所述第二掺混装置的空气进口同时连接有第二新鲜空气输送管和第二吹扫排放管，且在第二新鲜空气输送管上设置有第二新鲜空气调节阀、第二空气流量测量仪和第二新鲜空气引风机，在第二吹扫排放管上设置有第二吹扫出气关断阀。

11、进一步地，所述第一掺混装置的烟气进口通过第一烟气回收输送管与第一余热锅炉的烟气出口连接，且在第一烟气回收输送管上设置有第一烟气回收调节阀、第一烟气温度测量仪、第一烟气流量测量仪和第一干式阻火器；

12、所述第二掺混装置的烟气进口通过第二烟气回收输送管与第二余热锅炉的烟气出口连接，且在第二烟气回收输送管上设置有第二烟气回收调节阀、第二烟气温度测量仪、第二烟气流量测量仪和第二干式阻火器。

13、进一步地，所述第一掺混装置的混合气出口通过第一混合气输送管与第一蓄热氧化装置的混合气进口连接，且在第一掺混装置的混合气出口设置有第一混合气流量测量仪、第一红外式瓦斯浓度测量仪和第一激光式瓦斯浓度测量仪，在第一蓄热氧化装置的混合气进口设置有第一混合气引风机和第一混合气快关阀；

14、所述第二掺混装置的混合气出口通过第二混合气输送管与第二蓄热氧化装置的混合气进口连接，且在第二掺混装置的混合气出口设置有第二混合气流量测量仪、第二红外式瓦斯浓度测量仪和第二激光式瓦斯浓度测量仪，在第二蓄热氧化装置的混合气进口设置有第二混合气引风机和第二混合气快关阀。

15、进一步地，所述吹扫空气输送管同时通过第一空气吹扫支管和第二空气吹扫支管分别与第一蓄热氧化装置的混合气进口和第二蓄热氧化装置的混合气进口连接，且在第一空气吹扫支管和第二空气吹扫支管上分别设置有第一吹扫进气关断阀和第二吹扫进气关断阀。

16、进一步地，所述第一瓦斯掺混氧化系统还包括第一烟囱，所述第一烟囱与第一蓄热氧化装置的低温烟气进口连接，所述第一烟囱还通过第一烟气排放管与第一余热锅炉的烟气进口连接，且在第一烟气排放管设置有第一烟气排放调节阀；

17、所述第二瓦斯掺混氧化系统还包括第二烟囱，所述第二烟囱与第二蓄热氧化装置的低温烟气进口连接，所述第二烟囱还通过第二烟气排放管与第二余热锅炉的烟气进口连接，且在第二烟气排放管设置有第二烟气排放调节阀。

18、进一步地，所述第一瓦斯气输送管和第二瓦斯气输送管上分别设置有第一瓦斯气湿度测量仪和第二瓦斯气湿度测量仪，所述第一新鲜空气输送管和第二新鲜空气输送管上分别设置有第一空气湿度测量仪和第二空气湿度测量仪。

19、进一步地，所述低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统的安全低碳运行方法，其特征在于，所述安全低碳运行方法包括：

20、在低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统开始启动时：

21、启动第一瓦斯抽送泵，打开第一瓦斯气调节阀、第一瓦斯气快关阀、第一新鲜空气调节阀和第一混合气快关阀，首先利用第一瓦斯气流量测量仪测得的低浓度瓦斯气流量和第一蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度下限阀值，计算得出允许进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气最小流量与所需的新鲜空气流量，然后根据第一红外式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度，调节第一新鲜空气调节阀的开度，使得进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气瓦斯浓度等于或大于第一蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度下限阀值，且保持在第一蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度下限阀值附近波动，从而避免由于第一红外式瓦斯浓度测量仪测量过程的延迟时间过长而无法及时掌握进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气瓦斯浓度值，此时进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气的瓦斯浓度值超过第一蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度上限阀值时，就会影响第一蓄热氧化装置安全运行；

22、启动第二瓦斯抽送泵，打开第二瓦斯气调节阀、第二瓦斯气快关阀、第二新鲜空气调节阀和第二混合气快关阀，首先利用第二瓦斯气流量测量仪测得的低浓度瓦斯气流量和第二蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度下限阀值，计算得出允许进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气最小流量与所需的新鲜空气流量，然后根据第二红外式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度，调节第二新鲜空气调节阀的开度，使得进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气瓦斯浓度等于或大于第二蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度下限阀值，且保持在第二蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度下限阀值附近波动，从而避免由于第二红外式瓦斯浓度测量仪测量过程的延迟时间过长而无法及时掌握进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气瓦斯浓度值，此时进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气的瓦斯浓度值超过第二蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度上限阀值时，就会影响第二蓄热氧化装置安全运行。

23、在低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统稳定运行时：

24、还打开第一烟气回收调节阀，首先利用第一瓦斯气流量测量仪测得的低浓度瓦斯气流量和第一蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度范围限值，计算得出允许进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气流量范围限值，然后利用第一瓦斯气湿度测量仪测得的低浓度瓦斯气湿度、第一空气湿度测量仪测得的空气湿度和允许进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气流量范围限值，在保证瓦斯混合气不凝结的条件下，计算得出瓦斯混合气所需达到的最低温度取值范围，最后利用第一烟气温度测量仪测得的低温烟气温度、允许进入第一蓄热氧化装置的瓦斯混合气流量范围限值、瓦斯混合气所需达到的最低温度取值范围和测得的低浓度瓦斯气流量，计算得出所需的低温烟气最小流量取值范围和新鲜空气最大流量取值范围，此时，按照第一蓄热氧化装置实际稳定运行要求的瓦斯浓度值和瓦斯混合气流量，调节第一新鲜空气调节阀和第一烟气回收调节阀的开度，使得第一激光式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度和第一混合气流量测量仪测得的瓦斯混合气流量均满足第一蓄热氧化装置实际稳定运行要求，且进入第一掺混装置的低温烟气流量不低于计算得出的所需低温烟气最小流量，进入第一掺混装置的新鲜空气流量不高于计算得出的所需新鲜空气最大流量；

25、还打开第二烟气回收调节阀，首先利用第二瓦斯气流量测量仪测得的低浓度瓦斯气流量和第二蓄热氧化装置要求的瓦斯浓度范围限值，计算得出允许进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气流量范围限值，然后利用第二瓦斯气湿度测量仪测得的低浓度瓦斯气湿度、第二空气湿度测量仪测得的空气湿度和允许进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气流量范围限值，在保证瓦斯混合气不凝结的条件下，计算得出瓦斯混合气所需达到的最低温度取值范围，最后利用第二烟气温度测量仪测得的低温烟气温度、允许进入第二蓄热氧化装置的瓦斯混合气流量范围限值、瓦斯混合气所需达到的最低温度取值范围和测得的低浓度瓦斯气流量，计算得出所需的低温烟气最小流量取值范围和新鲜空气最大流量取值范围，此时，按照第二蓄热氧化装置实际稳定运行要求的瓦斯浓度值和瓦斯混合气流量，调节第二新鲜空气调节阀和第二烟气回收调节阀的开度，使得第二激光式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度和第二混合气流量测量仪测得的瓦斯混合气流量均满足第二蓄热氧化装置实际稳定运行要求，且进入第二掺混装置的低温烟气流量不低于计算得出的所需低温烟气最小流量，进入第二掺混装置的新鲜空气流量不高于计算得出的所需新鲜空气最大流量。

26、在低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统变负荷运行，且第一瓦斯掺混氧化系统升负荷运行与第二瓦斯掺混氧化系统降负荷运行时：

27、还打开第二主动放散调节阀与关闭第一主动放散调节阀，通过调节第二主动放散调节阀和第二瓦斯气调节阀的开度，第二瓦斯抽送泵输出的低浓度瓦斯气，一部分进入第二掺混装置，另一部分通过第二瓦斯气主动放散管进入第一掺混装置，此时，关小并调节第二新鲜空气调节阀和第二烟气回收调节阀的开度，使得第二激光式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度和第二混合气流量测量仪测得的瓦斯混合气流量均满足第二蓄热氧化装置实际变负荷运行要求，同时增大并调节第一新鲜空气调节阀和第一烟气回收调节阀的开度，使得第一激光式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度和第一混合气流量测量仪测得的瓦斯混合气流量均满足第一蓄热氧化装置实际变负荷运行要求。

28、在低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统变负荷运行，且第二瓦斯掺混氧化系统升负荷运行与第一瓦斯掺混氧化系统降负荷运行时：

29、还打开第一主动放散调节阀与关闭第二主动放散调节阀，通过调节第一主动放散调节阀和第一瓦斯气调节阀的开度，第一瓦斯抽送泵输出的低浓度瓦斯气，一部分进入第一掺混装置，另一部分通过第一瓦斯气主动放散管进入第二掺混装置，此时，关小并调节第一新鲜空气调节阀和第一烟气回收调节阀的开度，使得第一激光式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度和第一混合气流量测量仪测得的瓦斯混合气流量均满足第一蓄热氧化装置实际变负荷运行要求，同时增大并调节第二新鲜空气调节阀和第二烟气回收调节阀的开度，使得第二激光式瓦斯浓度测量仪测得的瓦斯混合气瓦斯浓度和第二混合气流量测量仪测得的瓦斯混合气流量均满足第二蓄热氧化装置实际变负荷运行要求。

30、在低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统因检修或故障而暂停运行时：

31、关闭第一瓦斯气调节阀、第一瓦斯气快关阀、第一新鲜空气调节阀、第一烟气回收调节阀、第一混合气快关阀和第二主动放散调节阀，打开第一吹扫进气关断阀和第一吹扫出气关断阀，利用吹扫空气引风机对第一掺混装置及其连接的第一混合气输送管进行空气吹扫，清除所残留的瓦斯混合气，此时，首先选择关闭第一瓦斯抽送泵来停止经过第一瓦斯气输送管输送低浓度瓦斯气，若不能关闭第一瓦斯抽送泵时，则通过第一瓦斯气被动放散管来利用第一水封放散装置对外释放低浓度瓦斯气，由此，避免影响第一瓦斯掺混氧化系统的再次安全启动；

32、关闭第二瓦斯气调节阀、第二瓦斯气快关阀、第二新鲜空气调节阀、第二烟气回收调节阀、第二混合气快关阀和第一主动放散调节阀，打开第二吹扫进气关断阀和第二吹扫出气关断阀，利用吹扫空气引风机对第二掺混装置及其连接的第二混合气输送管进行空气吹扫，清除所残留的瓦斯混合气，此时，首先选择关闭第二瓦斯抽送泵来停止经过第二瓦斯气输送管输送低浓度瓦斯气，若不能关闭第二瓦斯抽送泵时，则通过第二瓦斯气被动放散管来利用第二水封放散装置对外释放低浓度瓦斯气，由此，避免影响第二瓦斯掺混氧化系统的再次安全启动；

33、进一步地，在低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统变负荷运行时，首先，通过打开并调节第一主动放散调节阀和第二主动放散调节阀的开度，来分别调节第一瓦斯掺混氧化系统和第二瓦斯掺混氧化系统的掺混氧化运行负荷；其次，通过调节第一瓦斯抽送泵和第二瓦斯抽送泵的低浓度瓦斯气的抽送功率，来分别调节第一瓦斯掺混氧化系统和第二瓦斯掺混氧化系统的掺混氧化运行负荷；最后，通过调节第一瓦斯气调节阀改变第一瓦斯气输送管内压力来利用第一水封放散装置的低浓度瓦斯气释放功能与调节第二瓦斯气调节阀改变第二瓦斯气输送管内压力来利用第二水封放散装置的低浓度瓦斯气释放功能，来分别调节第一瓦斯掺混氧化系统和第二瓦斯掺混氧化系统的掺混氧化运行负荷。

34、在保证第一掺混装置输出瓦斯混合气的氧气浓度满足第一蓄热氧化装置的氧气浓度下限阀值要求时，调节第一新鲜空气调节阀和第一烟气回收调节阀的开度，使得进入第一掺混装置的低温烟气流量取最大值以及进入第一掺混装置的新鲜空气流量取最小值，从而有效回收利用第一瓦斯掺混氧化系统的低温烟气余热；

35、在保证第二掺混装置输出瓦斯混合气的氧气浓度满足第二蓄热氧化装置的氧气浓度下限阀值要求时，调节第二新鲜空气调节阀和第二烟气回收调节阀的开度，使得进入第二掺混装置的低温烟气流量取最大值以及进入第二掺混装置的新鲜空气流量取最小值，从而有效回收利用第二瓦斯掺混氧化系统的低温烟气余热。

36、当第一瓦斯掺混氧化系统和第二瓦斯掺混氧化系统只有其中一套瓦斯掺混氧化系统停运时，则优先采用停运系统的瓦斯气主动放散管和主动放散调节阀，来通过另一套运行中的瓦斯掺混氧化系统回收利用停运系统的瓦斯抽送泵对外输出的低浓度瓦斯气；其次选择关闭停运系统的瓦斯抽送泵来终止对外输出低浓度瓦斯气；最后在不能关闭停运系统的瓦斯抽送泵情况下，则选择停运系统的瓦斯气被动放散管和水封放散装置来向环境中排放低浓度瓦斯气，由此既保证了低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统的安全可靠性，又提升了低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统的低碳性。

37、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过设置两套瓦斯掺混氧化系统并进行相互连接，利用两者运行负荷的相互耦合作用以实现瓦斯气的充分回收，以及利用低温烟气掺混以实现混合气升温除湿，既增加了系统安全可靠性，又回收了低温烟气余热及减少了温室气体排放，实现了系统低碳运行，主要技术措施及优势包括：（1）针对刚启动运行工况，通过设置红外式瓦斯浓度测量装置以及控制瓦斯混合气达到所需瓦斯浓度下限值的安全运行方法，解决了红外式瓦斯浓度测量装置响应延迟时间过长而致使瓦斯浓度超标的瓦斯混合气进入蓄热氧化装置影响安全的难题；（2）针对稳定运行工况，最大程度上利用低温烟气对低浓度瓦斯气进行掺混，既通过提升瓦斯混合气温度以实现对瓦斯混合气进行除湿的功能，解决了系统在运行过程中无热源对瓦斯混合气除湿而不能利用激光式瓦斯浓度测量装置进行快速精准测量瓦斯浓度的难题；（3）针对变负荷运行工况，通过主动放散低浓度瓦斯气来调节系统运行负荷，并利用两套系统相互消纳主动放散的低浓度瓦斯气，既增加了运行安全可靠性，又减少了温室气体排放，还节约了能源资源；（4）针对故障或检修停运情况，首先考虑两套系统的运行耦合作用，通过运行系统消纳吸收停运系统排放的瓦斯气，然后再考虑关闭瓦斯抽送泵或被动排放至环境中，由此及时排出瓦斯气以保证煤矿井生产的安全可靠性，还减少了瓦斯气的温室气体排放，增加了能源资源的回收利用。由此可见，本发明应用前景十分广阔，综合效益非常显著。

38、本发明通过设置两套瓦斯掺混氧化系统，每套系统均增加主动放散口和被动放散口，且通过主动放散口进行相互连接，由此利用两套瓦斯掺混氧化系统的相互作用，既增加了低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统的安全可靠性，又提升了低浓度瓦斯掺混蓄热氧化系统的低碳性。