礦井通風(fēng)瓦斯綜合利用

楊俊輝

(中煤邯鄲設(shè)計工程有限責(zé)任公司,河北 056031)

1 前言

礦井通風(fēng)瓦斯 (VAM)特點是排放量大、甲烷含量低。鑒于國內(nèi)煤炭地質(zhì)復(fù)雜狀況,目前大多數(shù)礦井瓦斯抽采率不足50%,煤層氣不可避免的大量的以VAM形式排放。

2 VAM綜合利用途徑

結(jié)合國內(nèi)礦井生產(chǎn)的實際情況,初步確定VAM綜合利用途徑兩個方向：VAM做為電站鍋爐燃燒空氣及VAM逆液氧化技術(shù)。

2.1 VAM做為電站鍋爐燃燒空氣

為了綜合利用礦井矸石、煤泥、中煤等劣質(zhì)燃料,大部分礦井均配套建設(shè)綜合利用電廠,可以將VAM輸送到電廠做為鍋爐燃燒用空氣,VAM中的CH4在爐膛內(nèi)高溫條件下燃燒。

2.2 VAM逆流氧化技術(shù)

VAM氧化技術(shù)主要研究方向是對礦井通風(fēng)瓦斯實現(xiàn)控制氧化,在瓦斯?jié)舛容^低的情況下,脫開外部電源實現(xiàn)自身氧化,并且收集多余熱量實現(xiàn)供熱、制冷、發(fā)電。

3 VAM應(yīng)用項目示例

3.1 VAM做為電站鍋爐燃燒空氣

3.1.1 概況

VAM做為電站鍋爐燃燒空氣在國內(nèi)還沒有應(yīng)用實例,我們選擇某一項目,針對該項目礦井VAM做為電站鍋爐燃燒空氣技術(shù)方案進(jìn)行了規(guī)劃。

該礦井是一個特大型高瓦斯礦井,配套建設(shè)的綜合利用電廠裝機(jī)容量為2×135MW,配套2臺480t/h超高壓循環(huán)流化床鍋爐。礦井目前通風(fēng)量為108～144萬m3/h,通風(fēng)瓦斯含量約0.5%,礦井瓦斯抽放站瓦斯抽采濃度約為14%,抽采量 (純瓦斯)約為1000m3/h,全部對空排放。

3.1.2 燃燒空氣量計算

根據(jù)鍋爐容量參數(shù)、給水溫度、排污率、熱效率、燃料工業(yè)分析等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)計算,每臺鍋爐耗煤量為76705kg/h,進(jìn)一步計算出2臺鍋爐需要的實際空氣約為903200m3/h。

3.1.3 VAM輸送

VAM輸送可以采用地面鋼制風(fēng)道輸送方式,也可采用地下巷道輸送方式。地面鋼制風(fēng)道輸送方式施工周期短、投資費用低,但風(fēng)道穿越工業(yè)場地有礙觀瞻;地下巷道輸送方式施工周期長、投資費用高、但不影響地面總體效果,乏風(fēng)輸送暫按地下巷道方式?？拷姀S主廠房側(cè)設(shè)施輸送風(fēng)機(jī),同時系統(tǒng)考慮各種情況下的閥門切換、調(diào)節(jié)、測量、計量等配套措施。

VAM輸送流速取15m/s,風(fēng)道截面積為16.72m2。風(fēng)道直管段長度約L=900m,經(jīng)計算風(fēng)道沿程阻力為681Pa,局部阻力為1077Pa,系統(tǒng)總阻力為1758Pa,VAM輸送起點通風(fēng)機(jī)出口為微正壓,終點為鍋爐風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口,風(fēng)壓均按0考慮。該工程抽放低濃度瓦斯量不大,可以將低濃度抽放瓦斯摻混到系統(tǒng)中,濃度控制在0.5%以下。

VAM輸送風(fēng)機(jī)參數(shù)為：流量為Q=540000m3/h,全壓為 P=2110Pa,配套電機(jī)功率為 N=450kW,離心風(fēng)機(jī)設(shè)置2臺。

3.1.4 VAM輸送運(yùn)行控制

輸送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)門控制：輸送量以鍋爐需要總風(fēng)量為準(zhǔn),風(fēng)量調(diào)節(jié)通過輸送風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板控制,或通過變頻調(diào)節(jié)實現(xiàn),以匹配鍋爐一、二次風(fēng)機(jī)?？刂瓶梢岳缅仩t現(xiàn)有DCS系統(tǒng)進(jìn)行模塊擴(kuò)充,主要調(diào)節(jié)方式為通過鍋爐蒸汽壓力、流量信號、鍋爐含氧量信號、鍋爐總風(fēng)量信號、一、二次風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號等,在DCS內(nèi)編程完成對輸送風(fēng)機(jī)的控制,實現(xiàn)乏風(fēng)輸送風(fēng)量自動控制,保證鍋爐正常運(yùn)行。

VAM計量：乏風(fēng)輸送應(yīng)進(jìn)行流量測量和瓦斯?jié)舛葴y量,從而可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)核算,該部分功能可以在鍋爐DSC系統(tǒng)中集成。

VAM輸送風(fēng)機(jī)的控制：電源引自熱電廠高壓廠用母線段,鍋爐啟動時,一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)入口切換門開啟。鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)后,在乏風(fēng)輸送風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板關(guān)閉狀態(tài)下,啟動乏風(fēng)輸送風(fēng)機(jī),逐漸開啟入口調(diào)節(jié)擋板,逐個關(guān)閉一次、二次風(fēng)機(jī)入口切換風(fēng)門,設(shè)置合適的間隔時間,防治切換造成較大負(fù)荷波動,影響鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)鍋爐需要停爐,一次風(fēng)機(jī)停運(yùn)連鎖乏風(fēng)輸送風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

礦井通風(fēng)機(jī)房切換閥門控制：礦井通風(fēng)機(jī)為一用一備,VAM輸送系統(tǒng)需要從2臺礦井通風(fēng)機(jī)出口分別引接。乏風(fēng)輸送和礦井風(fēng)機(jī)要實現(xiàn)風(fēng)門切換同步聯(lián)動。VAM輸送量根據(jù)熱電廠需求而定,多余VAM通過原有設(shè)施排放,保證任何情況下,礦井通風(fēng)系統(tǒng)均能獨立可靠運(yùn)行。VAM輸送系統(tǒng)見圖1。

圖1 VAM輸送系統(tǒng)圖

3.1.5 安全措施

為了防止在生產(chǎn)過程中發(fā)生瓦斯超標(biāo)、泄露而發(fā)生火災(zāi)、爆炸等安全事故,針對乏風(fēng)輸配系統(tǒng)采取如下防范措施。

(1)任何情況乏風(fēng)對外輸送系統(tǒng)不能影響礦井通風(fēng)系統(tǒng),在礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)出口管路上不能設(shè)置任何閥門裝置,保證礦井正常生產(chǎn)。

(2)乏風(fēng)輸送系統(tǒng)不能影響發(fā)電廠正常生產(chǎn),除了必要的風(fēng)量調(diào)節(jié)措施外,需要配套乏風(fēng)瓦斯測量裝置,當(dāng)瓦斯突出事故引起乏風(fēng)瓦斯?jié)舛瘸^0.5%時,連鎖乏風(fēng)輸送風(fēng)機(jī)停機(jī),關(guān)閉礦井通風(fēng)機(jī)房出風(fēng)口切換閥門。

3.1.6 投資估算及經(jīng)濟(jì)分析

估算投資范圍為礦井通風(fēng)機(jī)房至發(fā)電廠鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口輸送系統(tǒng)所需建設(shè)的土建工程、設(shè)備及工器具購置、安裝工程和工程建設(shè)其它費用,概算投資為4000萬元。

(1)直接經(jīng)濟(jì)效益

發(fā)電廠鍋爐額定工況下,需要VAM為903200m3/h,濃度按平均0.5%計算,則每小時消耗純瓦斯4516m3/h,折合標(biāo)煤5282kg/h,相當(dāng)于綜合發(fā)電效率提高了5.6%,節(jié)能效益非常明顯。年節(jié)約標(biāo)煤31692t,標(biāo)煤價格按500元/t考慮。VAM輸送風(fēng)機(jī)年耗電量為2×400×6000=480萬kWh,上網(wǎng)電價按 0.36元/kWh,則熱電廠年收益為3.1692×500-480×0.36=1412萬元,經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

(2)電價補(bǔ)貼

利用礦井通風(fēng)瓦斯發(fā)電還可享受電價補(bǔ)貼,通風(fēng)瓦斯發(fā)電量31692000÷0.36(發(fā)電標(biāo)煤耗)=8803萬kWh,扣除綜合廠用電10%,年供電量為7922萬kWh,政府補(bǔ)貼收益為7922×0.25=1980萬元。

(3)環(huán)境效益

圖2 VAM氧化項目工藝圖

CH4是造成環(huán)境溫室效應(yīng)的主要氣體之一,其溫室效應(yīng)相當(dāng)于CO2的21倍,發(fā)電廠年運(yùn)行小時數(shù)為按6000小時考慮,2臺鍋爐年消耗純瓦斯2540萬Nm3,本項目每年可減少溫室氣體排放折算為CO2為40.816萬t,環(huán)境效益非常明顯。

3.2 礦井通風(fēng)逆流氧化技術(shù)應(yīng)用示例

以上述礦井為例,VAM處理量為100萬m3/h,瓦斯?jié)舛燃s為0.5%。規(guī)劃VAM氧化裝置富裕熱量用來生產(chǎn)蒸汽,驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

目前VAM逆流氧化技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)取得突破,并成功地進(jìn)行了工業(yè)性實驗,效果驗證理想,單臺處理規(guī)?？梢赃_(dá)到100萬m3/h,為市場推廣創(chuàng)造了條件。

3.2.1 規(guī)劃方案

經(jīng)過理論計算和工業(yè)性試驗可知,當(dāng)VAM甲烷氧化率為95%時,排風(fēng)溫度溫升為 70℃時,VAM甲烷濃度為0.25%即可維持自身氧化而不需要外界提供熱量。VAM濃度為0.5%。可以對外輸出熱量為 8676MJ,生產(chǎn) 2.5MPa/390℃的蒸汽2.886t/h。當(dāng)VAM濃度較低時,運(yùn)行時可以將低濃度瓦斯摻混到系統(tǒng)中。

3.2.2 規(guī)劃方案主要設(shè)備

(1)VAM氧化裝置

單套VAM處理標(biāo)定流量：10萬m3/h,共計10套,進(jìn)口VAM溫度為 20℃,設(shè)計工作濃度為0.25%～1%,引風(fēng)機(jī)功率為75kW/套,VAM氧化率＞95%,排風(fēng)溫升為70℃,2.5MPa/390℃的蒸汽產(chǎn)量為2.886t/h。

(2)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組

額定功率：5000kW,進(jìn)汽參數(shù)進(jìn)為2.5MPa/370℃。

3.2.3 工藝系統(tǒng)

10套VAM氧化裝置。產(chǎn)生約28t/h蒸汽,配套1臺汽輪發(fā)電機(jī)組,系統(tǒng)工藝見圖2。

3.2.4 投資估算及經(jīng)濟(jì)分析

估算投資范圍為礦井通風(fēng)機(jī)房至蒸汽輪機(jī)發(fā)電所需建設(shè)的土建工程、設(shè)備及工器具購置、安裝工程和工程建設(shè)其它費用。本項目估算投資為8600萬元。

(1)直接經(jīng)濟(jì)效益

規(guī)劃VAM氧化發(fā)電系統(tǒng)處理VAM規(guī)模為100萬Nm3/h,乏風(fēng)瓦斯含量按平均0.5%計算,則每小時消耗純瓦斯5000Nm3/h,系統(tǒng)生產(chǎn)28t/h蒸汽(2.5MPa/390℃),發(fā)電量為5000kW,年處理瓦斯純量3600萬Nm3,年發(fā)電量為3600萬kWh,年供電量為2700萬kWh,上網(wǎng)電價按0.59元kWh,供電成本約為0.20元/kWh,則熱電廠年收益為2700×0.39=1053萬元。項目靜態(tài)投資回收期約10年。經(jīng)濟(jì)效益一般。

(2)環(huán)境效益

3600萬Nm3CH4燃燒后減排量折算成為CO2約為47萬t,環(huán)境效益明顯。

4 結(jié)論

4.1 VAM作為電站鍋爐燃燒空氣

通過VAM綜合利用兩個典型方案分析可知,VAM作為電站鍋爐燃燒空氣方案優(yōu)點體現(xiàn)在：

(1)投資較低,處理90萬Nm3/h的VAM投資約4000萬元;

(2)不受VAM濃度限制,VAM濃度范圍為0～0.5%;

(3)瓦斯利用率高,發(fā)電效率約35%;瓦斯氧化率高,接近100%;

(4)經(jīng)濟(jì)效益好,VAM濃度為0.5%時,直接收益就能有效收回投資。

(5)運(yùn)行管理簡單,VAM輸送到鍋爐做為助燃空氣,系統(tǒng)配置簡單、運(yùn)行維護(hù)要求較低。

同時VAM作為電站鍋爐燃燒空氣方案也有不可回避的缺點,主要體現(xiàn)在：

(1)需要風(fēng)井場地附近建有較大坑口電站,輸送距離不宜太遠(yuǎn);

(2)坑口電站所需風(fēng)量往往和礦井通風(fēng)量不匹配,節(jié)能減排不徹底。

當(dāng)條件具備時應(yīng)優(yōu)先考慮采用此種方案,礦井通風(fēng)量采用此方案富裕量較大時,可以結(jié)合VAM逆流氧化技術(shù)同時實施。

4.2 逆流氧化技術(shù)

VAM逆流氧化技術(shù)缺點主要體現(xiàn)在：

(1)投資較高,處理100萬Nm3/h的VAM配套發(fā)電系統(tǒng),投資約8600萬元;

(2)受VAM濃度限制較大,VAM濃度小于0.25%時;系統(tǒng)不能維持自身氧化,需要消耗大量電力,VAM濃度小于0.5%時,配套蒸汽發(fā)電系統(tǒng)收益不高;

(3)場地占用大,系統(tǒng)較為復(fù)雜;

(4)單純依靠發(fā)電、供熱收益不高;

VAM逆流氧化技術(shù)優(yōu)點主要體現(xiàn)在：可根據(jù)礦井通風(fēng)量規(guī)劃VAM逆流氧化規(guī)模,節(jié)能減排較為徹底。

4.3 積極推廣

VAM綜合利用技術(shù)已經(jīng)成熟,市場潛力巨大,應(yīng)根據(jù)礦井自身特點制定合適的綜合利用方案。在礦井配套建設(shè)坑口電站時,應(yīng)優(yōu)先考慮VAM作為電站鍋爐燃燒空氣,該方案系統(tǒng)簡單、投資小、回報率高,當(dāng)VAM遠(yuǎn)高于坑口電站消耗量時,可以考慮同時配置兩種VAM綜合利用技術(shù),最大限度的利用VAM。在礦井沒有配套坑口電站時,應(yīng)根據(jù)VAM流量、礦井工業(yè)場地實際情況、當(dāng)?shù)刈匀粭l件,綜合考慮設(shè)置VAM逆流氧化裝置,或單純進(jìn)行通風(fēng)氧化、或供熱制冷、或進(jìn)行發(fā)電。

我國VAM數(shù)量可觀,分布廣泛,綜合利用技術(shù)市場潛力巨大,該技術(shù)成功應(yīng)用和推廣將使我國的節(jié)能減排工作達(dá)到一個新的高度,為國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供充足空間。

[1] 中煤國際工程集團(tuán)南京設(shè)計院.G B50215-2005煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范.北京：中國計劃出版社,2005.

[2] 馬曉鐘.煤礦通風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)及氧化熱利用方式[J].中國煤層氣,2007,4(4).