煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统

本发明涉及煤矿瓦斯利用，具体涉及一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统。

背景技术：

1、煤矿开采过程中伴生大量煤矿瓦斯，截止2020年，全国煤矿瓦斯抽采量高达128亿m3，但其利用率仅为44.8％。煤矿瓦斯利用低的原因主要包括两个方面：一是煤矿抽采瓦斯浓度普遍较低，现有技术对于ch4浓度介于3％～9％之间的瓦斯一直没有好的利用解决办法，通常直接排空，每年排空的瓦斯量达到2313万m3，相当于11.57万t标煤，一方面造成大量优质能源的浪费，另一方面也带来了严重的温室效应(ch4的温室效应约为co2的21倍)；二是煤矿瓦斯因抽采方式、位置和时间不同而存在较大差异和波动，波动范围在0.1％～6％，已有的瓦斯利用技术难以对其直接利用而形成规模化应用。此外，我国39％的ch4排放主要来源于煤炭开采，ch4排放控制也已首次纳入我国规划。因此，解决煤矿低浓度瓦斯的问题，在增加清洁能源和降低温室气体排放等方面都具有重要的现实意义。

2、中国专利cn110985202a公开了基于低浓度瓦斯的冷、热、电三联供系统，包括：瓦斯泵房、低浓度瓦斯输送保障单元、混配器、瓦斯蓄热氧化装置、制冷单元、供暖单元和燃气发电机组，低浓度瓦斯输送保障单元与瓦斯泵房相连；混配器与低浓度瓦斯输送保障单元相连，且适于将瓦斯的一部分与空气混合；瓦斯蓄热氧化装置与混配器相连，且适于对混合瓦斯进行氧化处理，以便得到高温烟气和氧化尾气；制冷单元与瓦斯蓄热氧化装置相连，且适于利用高温烟气的一部分制备得到低温水和制冷尾气；供暖单元与瓦斯蓄热氧化装置相连，且适于利用高温烟气的再一部分与冷水进行换热；燃气发电机组与低浓度瓦斯输送保障单元相连，且适于燃烧瓦斯的再一部分进行发电，并且产生燃烧烟气。上述专利主要存在以下不足：第一，其没有具体解决在煤矿低浓度抽采瓦斯浓度和流量波动下的稳定运行问题；第二，现有技术方案利用的瓦斯浓度范围主要为<3％，<3％的低浓度瓦斯燃烧产生低品质热量的烟气(温度低于250℃)，热损失大，耗电量大，难以实现发电、供热、制冷一体化利用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统，既实现了低浓度瓦斯的高效清洁利用，又能够保证低浓度瓦斯燃烧运行的稳定性，提高低浓度瓦斯的综合利用率。

2、为实现上述目的，本发明的一种煤矿低浓度瓦斯催化燃烧发电、供热、制冷一体化系统，包括低浓度瓦斯抽采泵站、低浓度瓦斯管道输送保障单元、空气供给单元、汽轮机发电机组、供热单元和制冷单元；还包括智能配气单元、瓦斯浓度补偿单元、多孔介质催化燃烧装置、余热锅炉，所述低浓度瓦斯抽采泵站与低浓度瓦斯管道输送保障单元相连；所述低浓度瓦斯管道输送保障单元与所述智能配气单元相连，所述空气供给单元与所述智能配气单元相连；所述瓦斯浓度补偿单元连接于所述低浓度瓦斯管道输送保障单元与所述智能配气单元的通路上；所述智能配气单元与所述多孔介质催化燃烧装置的入口相连，所述多孔介质催化燃烧装置的出口与所述余热锅炉相连，所述余热锅炉的热量分三路通向所述汽轮发电机组、所述供热单元和制冷单元；

3、所述智能配气单元包括空气-ch4流量控制器、空气-ch4浓度调节器和混气室，所述空气-ch4流量控制器用于控制所述空气供给单元输入的空气的流量及所述瓦斯浓度补偿单元输入的ch4的流量；所述空气-ch4浓度调节器用于监测混气室的瓦斯浓度并反馈给所述空气-ch4流量控制器，使混气室达到预设浓度；

4、所述瓦斯浓度补偿单元包括甲烷气罐、减压阀和单向阀，用于在瓦斯浓度产生波动时，通过所述智能配气单元的自动扰动补偿控制提供一定量的ch4，保证瓦斯浓度始终维持在一定浓度范围；

5、所述多孔介质催化燃烧装置包括阻火器、均流装置、多孔介质、集气罩、燃烧器本体、保温层、支撑底座，所述燃烧器本体安装于所述支撑底座上，其底端入口通过所述阻火器与所述智能配气单元相连，其顶端出口设置所述集气罩；在入口与出口之间的燃烧室内设置所述多孔介质，所述多孔介质为多层，其孔隙率均不相同；所述均流装置设置于燃烧室的底部；所述燃烧器本体外部设所述保温层。

6、进一步地，在所述多孔介质燃烧装置中，所述多孔介质为四层，四层多孔介质的孔隙率由燃烧器本体入口到出口方向依次为40ppi、30ppi、20ppi和10ppi。

7、进一步地，所述多孔介质燃烧装置还包括热电偶、烟气分析仪、高能点火器，所述热电偶设置所述保温层内，所述烟气分析仪用于对燃烧后燃气进行分析，所述高能点火器用于为燃烧室内的低浓度瓦斯点火。

8、进一步地，所述低浓度瓦斯输送保障单元包括依次管路相连的防逆流装置、阻爆装置、抑爆装置、水封阻火泄爆装置、火焰传感器、脱硫装置，所述防逆流装置与所述低浓度瓦斯泵站相连，所述火焰传感器连接于所述水封阻火泄爆装置与所述脱硫装置之间，所述防逆流装置、所述阻爆装置、所述抑爆装置、所述水封阻火泄爆装置、所述火焰传感器均与监控系统相连。

9、进一步地，所述空气供给单元包括空气压缩机、储气罐、过滤器和干燥机，所述过滤器为油水分离器。

10、进一步地，所述余热锅炉包括过热器、蒸发器、省煤器和汽包,所述过热器、蒸发器、省煤器分别与所述汽包相连。

11、进一步地，所述汽轮机发电机组由汽轮机和发电机组成，所述汽轮机为凝汽式汽轮机。

12、进一步地，所述供热单元包括热网加热器和供热回水装置，所述热网加热器和供热回水装置通过管路相连，所述热网加热器用于获取所述汽轮机中的一部分高温蒸汽进行供热，所述供热回水装置用于将供热回水输送至所述热网加热器完成热水循环。

13、进一步地，所述制冷单元包括吸收式制冷机和制冷回水装置，所述吸收式制冷机用于获取所述汽轮机中的一部分高温蒸汽，然后制作成低温水进行制冷，所述制冷回水装置用于将制冷回水输送至所述吸收式制冷机完成冷水循环。

14、进一步地，所述吸收式制冷机为溴化锂制冷机组。

15、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的优点如下：

16、(1)本发明利用煤矿抽采低浓度瓦斯在多孔介质燃烧装置中催化燃烧可产生温度大于600℃的高品质烟气进行冷、热、电三联供，实现了ch4浓度为4％～5％，优选的ch4浓度为4.5％～4.7％的低浓度瓦斯的高效清洁利用；

17、(2)本发明通过增设瓦斯浓度补偿单元，可以在煤矿抽采瓦斯浓度产生波动时利用智能配气单元的反馈调节作用自动补给一定量的ch4气体，从而保证了煤矿抽采瓦斯燃烧运行的稳定性；

18、(3)与蓄热氧化和催化氧化装置相比，本发明采用多孔介质催化燃烧装置，以多孔介质为催化燃烧载体，低浓度瓦斯在多孔介质中进行燃烧，充分提高了低浓度瓦斯燃烧效率；此外，多孔介质采用四层布置，每层多孔介质具有不同的孔隙率，从燃烧器入口开始每层多孔介质的孔隙率分别为40ppi、30ppi、20ppi和10ppi，有效保证了低浓度瓦斯在多孔介质燃烧区域火焰的稳定传递，避免了脱火和回火现象的发生。