彬長礦區(qū)煤層氣 “零”排放技術(shù)研究與實踐

田振林

(陜西彬長礦業(yè)集團有限公司，陜西 712000)

陜西彬長礦業(yè)集團有限公司 (以下簡稱彬長集團)煤炭資源儲量達50.3億t，根據(jù)《彬長礦區(qū)煤層氣抽采總體規(guī)劃》測算，彬長集團所屬礦井煤層氣資源量為72.90億m3。針對彬長礦區(qū)的實際情況，彬長集團以建設(shè)全國煤礦區(qū)煤層氣綜合治理與利用示范基地為目標，按照以利用促抽采、以抽采保安全、以安全增效益的思路，大力實施礦區(qū)煤層氣綜合開發(fā)利用工作，取得了很好的效果。

1 低濃度煤層氣發(fā)電

對濃度在8%～25%的瓦斯進行利用，要解決有爆炸危險的低濃度煤層氣的安全輸送問題、煤層氣管道的阻火技術(shù)、煤層氣濃度低、濕度較大的條件下燃氣發(fā)電機能否穩(wěn)定運行的問題。

彬長集團在大佛寺煤礦風(fēng)井廣場投資8000多萬元建成了裝機容量12000KW的低濃度煤層氣發(fā)電廠，安裝24臺500KW燃氣發(fā)電機組，年發(fā)電能力8000萬kWh，每年可消耗濃度8%以上的煤層氣折成純度為100%的煤層氣2400多萬m3，減排二氧化碳37.8萬t。截止2012年9月共發(fā)電1億多kWh，使大佛寺井田濃度在8%以上的煤層氣全部得到利用。該項目已被國家發(fā)改委確定為CDM(清潔發(fā)展機制)項目，于2009年10月28日在聯(lián)合國CDM項目執(zhí)行理事會成功注冊，減排的二氧化碳已獲得聯(lián)合國相關(guān)機構(gòu)的審核確認。

根據(jù)礦區(qū)開發(fā)建設(shè)情況，彬長集團將陸續(xù)在其它四對礦井配套建設(shè)低濃度煤層氣電廠，礦區(qū)低濃度煤層氣發(fā)電裝機容量將達到5萬kWh以上，年減排二氧化碳160萬t以上，形成低濃度瓦斯發(fā)電產(chǎn)業(yè)集群，使整個彬長礦區(qū)濃度在8%以上的煤層氣將全部用于發(fā)電。

2 礦井通風(fēng)瓦斯發(fā)電項目

煤礦煤層氣總排放量的83%都是通風(fēng)瓦斯，如何能夠利用好這部分資源對煤炭清潔生產(chǎn)生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展，實施節(jié)能減排具有相當重要的意義。2009年開始，彬長集團和勝動集團共同在彬長大佛寺煤礦風(fēng)井廣場進行了“通風(fēng)瓦斯氧化裝置”的研制和試驗，氧化裝置每小時處理通風(fēng)瓦斯能力6萬Nm3并制取可用于發(fā)電的過熱蒸汽。該項目已經(jīng)通過了國家能源局的技術(shù)鑒定。2012年彬長集團建成全國第一座通風(fēng)瓦斯發(fā)電廠。

通風(fēng)瓦斯氧化裝置工作時，先用外部電能對氧化床加熱，創(chuàng)造一個能夠讓通風(fēng)瓦斯中的甲烷快速進行氧化反應(yīng)的高溫環(huán)境 (800℃ ～1000℃)，引風(fēng)機將礦井通風(fēng)瓦斯與低濃度煤層氣混合氣體送入反應(yīng)器，在高溫下環(huán)境下混合氣體中的甲烷氧化釋放熱量，氧化裝置排氣端固體蓄熱陶瓷蓄熱，進氣端氣體進入高溫固體蓄熱陶瓷空隙內(nèi)受熱快速氧化放熱，由換向閥實現(xiàn)通風(fēng)瓦斯在反應(yīng)器內(nèi)不斷交替改變氣體的運動方向，使進氣中的甲烷在蓄熱器中央迅速氧化并產(chǎn)生大量熱量，通風(fēng)瓦斯進排氣不斷的周期換向，實現(xiàn)通風(fēng)瓦斯周期性氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)熱量達到自動維持后，停掉外加熱電源。通風(fēng)瓦斯中的甲烷在氧化床氧化后，一部熱量維持氧化反應(yīng)的環(huán)境，多余部分的熱量通過換熱器生產(chǎn)過熱蒸汽推動蒸汽輪機發(fā)電。每臺通風(fēng)瓦斯氧化裝置每小時可產(chǎn)生2.5MPa、400℃過熱蒸汽4.14t。

彬長集團投資9800多萬元，設(shè)計安裝10臺6萬m3/h的通風(fēng)瓦斯 (乏風(fēng))氧化裝置，利用大佛寺礦井8套抽排泵站中濃度小于8%的抽排瓦斯及主通風(fēng)機中的通風(fēng)瓦斯產(chǎn)生2.5MPa、400℃的過熱蒸汽，推動裝機容量4500KW的蒸汽輪機發(fā)電，年供電3000多萬kWh，每年可減排二氧化碳56萬t。一期安裝5臺氧化裝置，已于2012年7月6日建成發(fā)電。二期5臺安裝完成后，大佛寺礦井濃度小于8%的抽排瓦斯及通風(fēng)瓦斯將全部被利用，在大佛寺礦井實現(xiàn)礦井生產(chǎn)過程中瓦斯零排放的煤礦瓦斯利用模式。該項目的建設(shè)將使大佛寺煤礦成為全國第一個煤層氣“零”排放的礦井。通風(fēng)瓦斯發(fā)電項目已被國家發(fā)改委確定為CDM項目，正向聯(lián)合國申請CDM項目注冊。

3 礦井“零”排放煤層氣利用模式

煤礦生產(chǎn)過程中煤層氣通過兩個渠道排出，一是通過抽排泵站排出，二是通過礦井主通風(fēng)機排出。將抽排系統(tǒng)中濃度在8%及以上的抽排瓦斯用于發(fā)電，將抽排系統(tǒng)中濃度小于于8%的煤層氣摻混到通風(fēng)瓦斯中和主通風(fēng)機排出的通風(fēng)煤層氣全部氧化發(fā)電利用，就使礦井生產(chǎn)過程中排出煤層氣全部進行發(fā)電利用，不直接向大氣中排放，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)過程中煤層氣零排放。大佛寺礦井已經(jīng)實現(xiàn)了礦井生產(chǎn)過程中煤層氣“零‘排放的煤礦煤層氣利用模式，使大佛寺煤礦成為全國第一個煤層氣“零”排放的礦井 (見圖1)。

圖1 礦井生產(chǎn)過程煤層氣零排放示意圖

在此基礎(chǔ)上彬長集團編制了《陜西彬長礦區(qū)礦井瓦斯零排放項目可行性研究報告》。規(guī)劃陸續(xù)在其它四對礦井建設(shè)低濃度瓦斯發(fā)電廠和通風(fēng)瓦斯發(fā)電廠，項目全部建成后彬長礦區(qū)的抽排瓦斯及通風(fēng)瓦斯將全部被利用，實現(xiàn)彬長礦區(qū)煤炭生產(chǎn)過程中煤層氣零排放目標。

1 陜西省煤層氣十二五開發(fā)利用規(guī)劃［R］．北京:國家發(fā)展和改革委員會國家能源局．2011．

2 段立強等．零排放動力循環(huán)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2011．

3 高增麗，高振強，劉文啟，等．礦井乏風(fēng)瓦斯治理利用現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．冶金能源，2010，29(5):43－45．