高突礦井抽排瓦斯與油頁巖煉化尾氣綜合利用的應(yīng)用研究

田靖安 孫建新 唐志媛 陳國瑞

（1.窯街煤電集團(tuán)有限公司，甘肅省蘭州市，730084；2.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；3.煤炭工業(yè)出版社，北京市朝陽區(qū)，100029）

高突礦井抽排瓦斯與油頁巖煉化尾氣綜合利用的應(yīng)用研究

田靖安1孫建新1唐志媛2陳國瑞3

（1.窯街煤電集團(tuán)有限公司，甘肅省蘭州市，730084；2.北京礦大能源安全科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；3.煤炭工業(yè)出版社，北京市朝陽區(qū)，100029）

通過對(duì)低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)和油頁巖煉化尾氣發(fā)電技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)兩種氣體經(jīng)過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電，各自存在的主要技術(shù)問題。通過對(duì)兩種氣體發(fā)電工藝技術(shù)原理的分析研究，以及兩種氣體摻混后氣體成分的分析研究，發(fā)現(xiàn)將兩種氣體摻混利用，即利用了濃度較低的瓦斯，又將油頁巖煉化尾氣在氣缸燃燒時(shí)的氫氣含量降低，更有利于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)控制運(yùn)行。

煤礦低濃度瓦斯 油頁巖煉化尾氣 摻混 發(fā)電 資源綜合利用

瓦斯是賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣。全世界瓦斯資源十分豐富，據(jù)有關(guān)資料表明，總資源量達(dá)260萬億m3。中國瓦斯資源量為30～35萬億m3，居世界第三位。近十幾年來，許多國家瓦斯勘探開發(fā)活動(dòng)十分活躍。特別是在美國，瓦斯開發(fā)獲得重大突破，已發(fā)展成為一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)。在美國和其他一些國家瓦斯工業(yè)發(fā)展中，瓦斯經(jīng)濟(jì)鼓勵(lì)政策起了極大的推動(dòng)作用，其他配套法規(guī)也在逐步建立和完善。這些國家的瓦斯政策法規(guī)和經(jīng)驗(yàn)可供我國研究和借鑒。進(jìn)入21世紀(jì)，中國瓦斯資源抽采利用技術(shù)也取得重要突破。在高濃度瓦斯發(fā)電成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，低濃度瓦斯發(fā)電通過技術(shù)攻關(guān)取得突破，并產(chǎn)生了可觀的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

由于多種原因，現(xiàn)實(shí)中仍存在很大一部分井下抽采和煉化產(chǎn)生的可燃?xì)獗豢张呕蚩諢?，大量可燃?xì)赓Y源被白白浪費(fèi)。據(jù)中國工程院的項(xiàng)目報(bào)告統(tǒng)計(jì)：目前我國還有總量20%以上的冶煉尾氣被直接空排或空燒，約折合標(biāo)準(zhǔn)煤880萬t。此外，可燃?xì)饪张藕涂諢€會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。油頁巖煉化尾氣屬于二次能源，富含CO、H2及CH 4等可燃?xì)怏w成分。在節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展主流的新形勢(shì)下，急需探索一條有效的綜合利用低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣安全穩(wěn)定發(fā)電的途徑。

1 問題提出

窯街煤電集團(tuán)公司礦井地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，礦井瓦斯、二氧化碳突出災(zāi)害異常嚴(yán)重，是國家45戶安全重點(diǎn)監(jiān)控礦井之一。為保障礦井安全生產(chǎn)，集團(tuán)公司確定了“先保后采，先抽后采，保抽并舉，綜合治理”的瓦斯治理方針，目前海石灣煤礦瓦斯抽排量為5990 m3/h，濃度約為6.31%，此部分瓦斯均直接排空，未加以利用；而開采的油頁巖在煉油過程中采用干餾技術(shù)，產(chǎn)生了大量的伴生氣——油頁巖煉化尾氣，一部分在煉油過程中進(jìn)行回收利用，但還剩余約48000 m3/h煉化尾氣直接進(jìn)行火炬燃燒或排放，不僅造成了環(huán)境污染，而且浪費(fèi)了寶貴資源。為響應(yīng)國家新能源及節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)方面的政策要求，窯街煤電集團(tuán)公司遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的指導(dǎo)方針，特對(duì)礦井抽排瓦斯和油頁巖煉化尾氣進(jìn)行綜合利用發(fā)電，既減少環(huán)境污染，降低大氣溫室效應(yīng)，又產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣綜合利用現(xiàn)狀

2.1 低濃度瓦斯利用現(xiàn)狀

煤礦瓦斯發(fā)電是瓦斯利用的最好辦法。但是，國外煤層氣（煤礦瓦斯）發(fā)電主要側(cè)重于濃度30%以上的瓦斯發(fā)電技術(shù)，對(duì)于濃度在6%～25%之間的低濃度瓦斯，由于跨越5%～16%的瓦斯爆炸范圍，目前還沒有有效的利用方式。我國在低濃度瓦斯發(fā)電方面已取得突破。低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)是低濃度瓦斯發(fā)電的重要工藝環(huán)節(jié)，關(guān)系到發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，并影響到瓦斯抽采系統(tǒng)的安全。目前，比較成熟的低濃度瓦斯輸送技術(shù)有兩種：一種是由山東勝動(dòng)集團(tuán)研發(fā)的細(xì)水霧低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)，另一種是由設(shè)在淮南礦業(yè)集團(tuán)的煤礦瓦斯治理國家工程研究中心研發(fā)的氣水二相流低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)。其中，山東勝動(dòng)集團(tuán)研發(fā)的煤礦瓦斯細(xì)水霧輸送系統(tǒng)及瓦斯發(fā)電機(jī)組解決了低濃度瓦斯長距離地面安全輸送問題，可將濃度高于6%的低濃度瓦斯轉(zhuǎn)換成電能。今后，低濃度瓦斯發(fā)電利用將成為瓦斯綜合利用的重點(diǎn)。

2.2 油頁巖煉化尾氣利用現(xiàn)狀

油頁巖煉化尾氣作為油頁巖煉油過程中的伴生氣體，為高含氫氣體，燃燒控制難度很大，通常采取的利用方式就是作為燃料直接燃燒，目前尚無理想的應(yīng)用方法。

3 低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣摻混綜合利用發(fā)電可行性和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 技術(shù)可行性分析和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1.1 氣體摻混熱值及燃燒控制分析

該技術(shù)主要是采用低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣作為燃料進(jìn)行發(fā)電。根據(jù)瓦斯抽排情況和油頁巖煉化尾氣相關(guān)參數(shù)，將抽排低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣在燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組內(nèi)摻混后進(jìn)行發(fā)電，建立燃?xì)獍l(fā)電站。以抽排的低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣摻混后混合氣體熱值不小于4.0 MJ/Nm3為原則，將低濃度瓦斯與油頁巖煉化尾氣進(jìn)行摻混綜合利用發(fā)電。

以完全利用窯街煤電集團(tuán)公司海石灣煤礦抽排的低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣情況為原則，低濃度瓦斯氣體與油頁巖煉化尾氣氣體按照5990∶48000≈1∶8比例進(jìn)行摻混試驗(yàn)，摻混后的氣體成分及其主要參數(shù)如下：

低濃度瓦斯氣體體積比：0.1

油頁巖氣體體積比：0.8

摻混比：11∶8

摻混氣體含量：

CH4：3.5%

H2：11%

CO：9.4%

N2：58.3%

CO2：16%

烷烯：1%

其他：0.8%

理論空燃體積比：1.0

低濃度瓦斯、油頁巖煉化尾氣按照理論空燃比與空氣進(jìn)行混合，混合氣及其機(jī)組預(yù)計(jì)功率如下：

摻混比例：空氣∶低濃度瓦斯∶油母頁巖≈9∶1∶8

摻混氣與空氣混合后氣體理論含量：

CH4：1.75%

H2：5.5%

CO：4.7%

N2：68.3%

CO2：7.8%

烷烯：0.5%

其他：0.95%

O2：10.5%

熱耗率：12 MJ/k Wh

預(yù)計(jì)機(jī)組功率：320 k W

低濃度瓦斯在低于8%濃度的情況下，無法使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電運(yùn)行，目前尚無理想的應(yīng)用方法。同時(shí)，油頁巖煉化尾氣為高含氫氣體，燃燒控制難度加大。而二者摻混利用，既利用了濃度較大的瓦斯，又將油頁巖煉化尾氣在氣缸燃燒時(shí)的氫氣含量降低，更有利于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)控制運(yùn)行，因此，摻混后的氣體無論在熱值還是在燃燒控制方面都是理想的發(fā)電氣體。

3.1.2 燃?xì)廨斔桶踩夹g(shù)工藝

具體摻混進(jìn)氣工藝為：低濃度瓦斯經(jīng)過細(xì)水霧輸送系統(tǒng)，送入機(jī)組前經(jīng)DN50電磁閥、DN50阻火器、DN50手動(dòng)蝶閥、DN50調(diào)壓閥，低濃度瓦斯再分為兩路，各自以DN25管路進(jìn)入機(jī)組左右摻混器，然后與空氣一同進(jìn)入雙管混合器，低濃度瓦斯的進(jìn)氣量可由手動(dòng)蝶閥以及調(diào)壓閥進(jìn)行控制，低濃度瓦斯氣和油頁巖煉化尾氣及空氣一同經(jīng)雙管混合器混合進(jìn)入進(jìn)氣管及缸內(nèi)燃燒，進(jìn)行發(fā)電。具體摻混進(jìn)氣工藝見圖1。

低濃度瓦斯經(jīng)過細(xì)水霧輸送工藝流程如下：

抽放站放散口→閘閥→水位自控式水封阻火器→絲網(wǎng)過濾器→瓦斯管道專用阻火器→低溫濕式放散閥→防爆電動(dòng)蝶閥→水霧輸送系統(tǒng)→溢流水封阻火器→自動(dòng)放散閥→進(jìn)氣支管→電磁閥→阻火器→手柄蝶閥→調(diào)壓器→發(fā)電機(jī)組。

低濃度瓦斯經(jīng)過細(xì)水霧輸送安全機(jī)理：

（1）主動(dòng)阻火。

冷卻：細(xì)水霧顆粒直徑越小，相對(duì)表面積越大，受熱后更容易汽化，在汽化的過程中，從燃燒物表面或火災(zāi)區(qū)域吸收大量的熱量，從而使燃燒物表面溫度迅速降低，當(dāng)溫度降至燃燒臨界值以下時(shí)，熱分解中斷，燃燒隨即終止。

稀釋：火焰進(jìn)入細(xì)水霧后，細(xì)水霧迅速蒸發(fā)形成蒸汽，由液相變?yōu)闅庀啵瑲怏w急劇膨脹，最大限度地使燃燒反應(yīng)分子在空間距離上拉大，抑制火焰。

圖1 摻混進(jìn)氣工藝

（2）被動(dòng)阻火。

水位自控式水封阻火器。水位自控式水封阻火器的基本原理主要是當(dāng)火焰通過水氣混合層時(shí)，火焰與水接觸，能量被水蒸發(fā)吸收，化學(xué)反應(yīng)的自由基減少并消除，同時(shí)，水的瞬間汽化也降低了瓦斯中的甲烷濃度，使火焰熄滅。自控式水封阻火器采用雷達(dá)水位監(jiān)測（雷達(dá)液位計(jì)是德國E＋H公司生產(chǎn)）和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，當(dāng)水位低于設(shè)定下限水位時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水，當(dāng)水位高于設(shè)定上限水位時(shí)自動(dòng)放水，從而維持水位的恒定，保證阻火器可靠工作。此套系統(tǒng)同時(shí)帶有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳和無限傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

瓦斯管道專用阻火器。瓦斯管道專用阻火器的原理主要是基于火焰通過狹窄通道時(shí)的熄滅現(xiàn)象研究?；鹧嬖讵M縫中淬熄主要是由于火焰表面的化學(xué)反應(yīng)放熱與散熱條件不匹配引起的?；鹧嬉砸欢ㄋ俣冗M(jìn)入狹縫時(shí)，火焰面內(nèi)靠近狹縫冷壁處，作為化學(xué)反應(yīng)活化中心的自由基和自由原子與冷壁相碰撞放出其能量，這相當(dāng)于反應(yīng)區(qū)的熱量流向冷壁邊界，從而當(dāng)火焰面達(dá)到一定距離時(shí)，開始形成熄火層，隨著火焰面的運(yùn)動(dòng)，熄火層厚度不斷增大，以至由于自由基進(jìn)入熄火層內(nèi)就復(fù)合成分子并放出能量，自由基越來越少，直到?jīng)]有，火焰熄滅。

3.1.3 燃?xì)獍l(fā)電冷卻工藝

為保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須給其配備相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)分高溫冷卻系統(tǒng)和低溫冷卻系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)組參數(shù)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組高溫外循環(huán)水進(jìn)水水溫45℃，冷卻水量30 m3/h，通過換熱器后溫度升高10℃左右；單臺(tái)發(fā)電機(jī)組低溫外循環(huán)水進(jìn)水水溫35℃，冷卻水量25 m3/h，通過換熱器后溫度升高10℃左右。

通過如下冷卻工藝，可保證燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行：

冷卻水池→Y形過濾器→閘閥→循環(huán)水泵→止回閥→閘閥→循環(huán)水進(jìn)水匯總管→循環(huán)水進(jìn)水總管→智能除垢型電子水處理儀→進(jìn)水支管→換熱器→回水支管→回水總管→回水匯總管→冷卻塔→冷卻水池。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

通過對(duì)該類項(xiàng)目中各類成本進(jìn)行分析，發(fā)電成本約為0.27元/k Wh，目前根據(jù)國家的相關(guān)政策，新能源節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)不低于市電的價(jià)格（0.5元/k Wh左右）；國家對(duì)該類項(xiàng)目還有一定的補(bǔ)貼；燃?xì)庵蠧H4經(jīng)發(fā)電機(jī)組燃燒后以二氧化碳的形式排放到大氣中，從而降低溫室氣體排放量，可以向國際組織出售CERS（CO2減排指標(biāo)），因此，該類項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

經(jīng)過煤礦抽排低濃度瓦斯和油頁巖煉化尾氣摻混進(jìn)行發(fā)電技術(shù)的研究，認(rèn)為該研究在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上是合理的。項(xiàng)目建成后，使煤礦抽排瓦斯和排空的油頁巖煉化尾氣變害為利、變廢為寶，減少了對(duì)大氣的污染，降低了地球表面的溫室效應(yīng)，保護(hù)了地球的生態(tài)環(huán)境，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性，具有良好的安全效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

Research and application of comprehensive utilization of exhausted gas from high gas outburst coal mine and exhausted emission from oil shale refining

Tian Jing＇an1，Sun Jianxin1，Tang Zhiyuan2，Chen Guorui3
（1.Yaojie Coal Electricity Group Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu 730084，China；2.Energy and Safety Science and Technology Co.，Ltd.，China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China；3.Cina Coal Industry Publishing House，Chaoyang，Beijing 100029，China）

By comparison of two techniques for power generation from low-content gas and exhausted emission of oil shale refining，it was found that there exist respective technical problems during two gases passing internal-combustion engine.The analysis of two power generation technical principles and the composition of two gases after mixing showed that the mixture of two gases，not only utilizing the low-content gas but also decreasing the amount of hydrogen when the exhausted emission from oil shale refining burned in the cylinder，is beneficial to the control of internal-combustion engine running，achieving an aim of energy reduction，circular economy，comprehensive utilization，safe and stable power generation，and the increase of enterprise benefit.

low-content gas from coal mine，exhausted emission of oil shale refining，mixing，power generation，comprehensive utilization of resources

TD712.67 TQ54

A

田靖安（1956－），男，研究生學(xué)歷，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向循環(huán)經(jīng)濟(jì)綜合利用，現(xiàn)任甘肅窯街煤電集團(tuán)有限公司副董事長。

（責(zé)任編輯 張艷華）