羊圈港風井采用乏風氧化方式供熱應(yīng)用與研究

喬志剛

（西山煤電（集團）公司計劃處，山西太原030053）

·技術(shù)經(jīng)驗·

羊圈港風井采用乏風氧化方式供熱應(yīng)用與研究

喬志剛

（西山煤電（集團）公司計劃處，山西太原030053）

根據(jù)現(xiàn)行環(huán)保政策，嚴禁使用20 t以下的燃煤鍋爐，為此針對新建的煤礦風井必須尋求適合的清潔能源供熱方式。本次研究主要是通過煤礦回風井乏風氧化裝置，利用低濃度瓦斯氧化放出的熱，為進風井供熱。在東曲礦羊圈港風井建設(shè)處理能力為5 000 Nm3/min的乏風氧化裝置，可滿足礦井安全生產(chǎn)需要。項目建成后，年利用純量瓦斯935萬m3，折合減排CO213萬t，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比年節(jié)煤3 500 t，每年可獲得瓦斯利用補貼233萬元，碳減排收益預(yù)計130萬元，經(jīng)濟、社會效果顯著。

東曲礦；風井；乏風氧化；供熱

西山煤電集團公司東曲礦始建于1985年9月25日，1991年12月16日建成投產(chǎn)，礦井生產(chǎn)能力5 Mt/a，井田走向長10 km，傾向長7 km，井田面積59.9 km2?？刹擅簩訛槎瞪轿鹘M2#、4#煤層和石炭系太原組8#、9#煤層，煤種為焦煤、瘦煤和貧煤，可采儲量4.7億t，服務(wù)年限84年。礦井采用斜井、平硐混合開拓，大巷條帶式開采，綜合機械化采煤。該礦井屬高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量81.4 m3/min，相對瓦斯涌出量13.8 m3/t，通風方式為分區(qū)抽出式通風，主要進風井7個：東平硐、西平硐、矸石斜井、黃臺風進風井、小沙巖進風井、皮帶明斜井、羊圈港進風井?；仫L井4個：黃臺峰回風井、長峪溝回風井、小沙巖回風井、羊圈港回風井，礦井總進風量28 753 m3/min；總回風量29 508 m3/min。黃臺峰回風井服務(wù)于一采區(qū)、三采區(qū)，長峪溝回風井服務(wù)于二采區(qū)，小沙巖回風井服務(wù)于四采區(qū)、五采區(qū)。根據(jù)礦井生產(chǎn)銜接，需建設(shè)羊圈港風井，服務(wù)于八、九、十、十一采區(qū)。

根據(jù)國家《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)［2013］37號）等文件，山西省人民政府下發(fā)的《山西省落實大氣污染防治行動計劃實施方案》（晉政發(fā)［2013］38號）規(guī)定，2015年年底前淘汰建成區(qū)10 t以下燃煤蒸汽爐、2016年市區(qū)淘汰20 t以下燃煤采暖鍋爐。預(yù)計到2017年全省空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，重污染天氣大幅減少，可吸入顆粒物濃度減少10%，細顆粒物濃度減少20%，全面改善空氣質(zhì)量。在這種大背景下，新建燃煤熱風爐已不具備可行性。因此，針對煤礦風井需研究一種新型、環(huán)保、高效的供熱熱源。

1 乏風氧化技術(shù)應(yīng)用的政策因素

《聯(lián)合國氣候變化公約京都議定書》于2005年2月16日正式生效，約定各締約方需要控制6種溫室氣體：二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫的排放。

國家發(fā)改委早在2011年10月就在全國范圍內(nèi)確定了7個減排試點，包括北京、上海、天津、深圳、重慶5個城市和廣東、湖北2個省份，強制減排市場參考歐盟碳交易體系，為每個企業(yè)設(shè)定排放上限并免費發(fā)放一定量的排放配額，如果企業(yè)的排放量超過配額就必須從碳交易市場購買配額，而排放量低于配額的企業(yè)則可出售配額而牟利。2012年10月廣東強制4家水泥企業(yè)以6 799萬元認購了130萬t二氧化碳排放權(quán)配額（單價高達52元），成為中國基于碳排放總量控制下的首宗配額交易。深圳市于2013年6月18日正式啟動交易，首批成交價格為每噸CO228~30元。

采用乏風氧化技術(shù)就是利用羊圈港回風井中低濃度瓦斯通過氧化裝置氧化放出熱量，并利用其為進風井供熱。這是一種典型的節(jié)能減排項目，完全符合國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，且具有較好的示范性。

2 乏風氧化技術(shù)原理

借鑒蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)（HTAC技術(shù)），讓燃料在高溫低氧環(huán)境下燃燒。乏風氧化技術(shù)原理示意圖見圖1。

圖1 乏風氧化技術(shù)原理示意圖

當常溫空氣由換向閥切換進入蓄熱室1后，經(jīng)過蜂窩陶瓷蓄熱室時被加熱，在極短的時間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度（一般比爐膛溫度低50～100℃），高溫熱空氣進入爐膛后，抽引周圍爐內(nèi)的氣體形成一股含氧量低于21%的稀薄貧氧高溫氣流，同時往稀薄高溫空氣附近注入燃料，這樣燃料在貧氧（2%～20%）狀態(tài)下實現(xiàn)燃燒；與此同時爐膛內(nèi)燃燒后的煙氣經(jīng)過另一個蓄熱室2排入大氣，爐膛內(nèi)高溫熱煙氣通過蓄熱體時將顯熱儲存在蓄熱體內(nèi)，然后以150～200℃的低溫煙氣經(jīng)過換向閥排出。工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進行切換，使蓄熱與放熱交替工作，常用的切換周期為30～200 s。

參照以上理論，將其燃燒室做為氧化室。蓄熱陶瓷預(yù)熱的是空氣，但對煤礦乏風來說，內(nèi)部含有甲烷，是一種燃料，圖1中噴出燃料與熱空氣混合后相當于乏風中的甲烷與空氣的混合物。為此，煤礦乏風氧化也采用這種逆流換熱、預(yù)熱技術(shù)，將乏風中的甲烷與其中的氧進行氧化反應(yīng)。氧化裝置由氧化床和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，氧化床先用外部能源（如電能）加熱啟動。通電加熱的熱量被氧化床中的蓄熱陶瓷吸收，陶瓷溫度逐漸上升，并形成一個拋物線形的溫度梯度場。當溫度達到CH4與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的溫度后停止電源加熱。乏風進入氧化床后蓄熱陶瓷放熱逐步預(yù)熱乏風，當達到一定溫度后CH4與氧發(fā)生氧化反應(yīng)釋放熱量，一部分熱量被蓄熱陶瓷吸收，維持氧化床內(nèi)部溫度，使下一循環(huán)進入的CH4繼續(xù)氧化反應(yīng)，氧化裝置即可自動穩(wěn)定運行。多余的熱量由內(nèi)置換熱器取出。

3 羊圈港風井熱負荷計算

羊圈港進風斜井斷面18.8 m2、風量8 000 m3/min，回風立井斷面19.6 m2、最大風量15 000 m3/min，安裝2臺FBCDZ-8-No30B防爆對旋風機。根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定，進風井口以下的空氣溫度必須在2℃以上，才能保證礦井正常生產(chǎn)。按照進風井風量8 000 m3/min、室外溫度-25℃計算，通風耗熱量計算如下：

Q=V×r×C×△t=16 824 MJ/h

式中：

Q—通風耗熱量，MJ/h；

V—進風量，m3/h；

r—空氣密度，kg/m3；

C—空氣比熱，kJ/（kg·℃）；

△t—溫差，℃。

因此，應(yīng)按照上述熱負荷配置供熱設(shè)施。

4 羊圈港風井乏風氧化裝置實施方案

羊圈港回風井風排瓦斯的濃度為0.4%，滿足乏風氧化裝置的濃度要求。按照初期回風量10 000 m3/min、進風量8 000 m3/min進行計算選型。

乏風氧化裝置熱力計算按照甲烷熱值：35.8 MJ/m3，乏風濃度按摻混至0.4%，乏風氧化率按97%，氧化反應(yīng)本身所需熱量百分比：0.1%，空氣的比重：1.293 kg/m3，空氣的比熱：1.004 kJ/（kg·℃），進出風口溫差：40℃，乏風氧化裝置自身散失的熱量百分比：5%；單臺氧化裝置產(chǎn)生熱量如下：

1）每小時氧化反應(yīng)產(chǎn)生的總熱量：

35.8 ×60 000×0.4%×97%=8 334.24 MJ/h

2）氧化反應(yīng)本身所需熱量：

35.8 ×60 000×0.1%=2 148 MJ/h

3）出風口排掉的熱量：

60 000×1.293×1.004×20÷1 000=1 557.81 MJ/h

4）乏風氧化裝置自身散失的熱量：

35.8 ×60 000×0.4%×97%×5%=416.71 MJ/h

5）可利用的余熱量：

8 334.24-2 148-1 557.81-416.71=4 211.72 MJ/h

1臺乏風氧化裝置可產(chǎn)生0.6 MPa、158℃飽和蒸汽量為1.57 t/h，5臺乏風氧化裝置可產(chǎn)生0.6 MPa、158℃飽和蒸汽量為7.85 t/h（溫度158℃、壓力0.6 MPa的飽和蒸汽比焓為2 752 kJ/kg；冷凝水按80℃計算，比焓為335 kJ/kg；乏風氧化裝置內(nèi)置換熱器換熱效率按90%計算）。將流量為8 000 m3/mim、溫度為-25℃的進風井井口冷空氣溫度提升至2℃，所需熱量為16 824 MJ/h。管道損失按5%考慮，空氣—蒸汽換熱器換熱效率按95%考慮，目前技術(shù)成熟的乏風氧化裝置處理量為60 000 m3/h，應(yīng)配置的數(shù)量為4.4臺，項目根據(jù)風排瓦斯量及風井防凍所需熱量，確定安裝5臺飽和蒸汽的乏風氧化裝置。

5 結(jié)論分析

目前，煤礦可采用的清潔供熱方式主要包括：電鍋爐、空氣源或水源熱泵、燃油鍋爐、天然氣或瓦斯鍋爐等。電鍋爐采暖方式直接投資最低，但運行成本較高，且根據(jù)礦井電網(wǎng)負荷能力，不具備實施條件。空氣源熱泵直接投資費用高，運行費用高，且受場地條件限制，不具備實施條件。燃油鍋爐直接投資適中，運行費用高，但風井地處偏僻山地，冬季運輸車輛無法到達現(xiàn)場，且在煤礦風井使用燃油鍋爐，對安全生產(chǎn)也構(gòu)成新的危險源。新建風井周邊的地面瓦斯抽放站一般是后期才建設(shè)實施，因此燃氣鍋爐也不具備實施條件。

東曲礦羊圈港風井乏風氧化項目正常運行后，經(jīng)測算，年消耗電量622萬kWh，年利用純量瓦斯935萬m3，折合減排CO213萬t，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比年節(jié)煤3 500 t。由此每年可獲得瓦斯利用補貼233萬元、碳減排收益預(yù)計130萬元。按照電費0.5元/kWh計算，項目年收益52萬元。

該項目固定投資費用較高，如果國家進一步加大瓦斯利用補貼、健全完善國內(nèi)碳減排市場，在當前煤炭市場下行、環(huán)保要求日益嚴格的情況下，乏風氧化技術(shù)的應(yīng)用將是解決煤礦新建風井供熱的有效途徑。

［1］李冬梅，任偉娜，李圣強，等，立式乏風氧化裝置的開發(fā)與應(yīng)用［J］.能源與節(jié)能，2013（10）：5-6.

［2］周厚全，藍波.礦井乏風氧化裝置內(nèi)蜂窩蓄熱體換熱過程的數(shù)值模擬［J］.煤礦安全，2010（11）：11-12.

［3］馬曉鐘.煤礦乏風氧化裝置的研制［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2011（1）：17-20.

Research and Application on Exhaust Oxidation Heating in Yangjuangang Air Shaft of Dongqu Coal Mine

Qiao Zhi-gang

According to the current environmental protection policy，prohibits the use of coal-fired boilers below 20 t.In view of new coal mine air shaft,must seek clean energy heating methods.This research mainly uses the low concentration gas oxidation exothermic to heat the inlet air of air intake by using the air shaft exhaust oxidation device.The capacity of exhaust oxidation equipment which was build in Dongqu coal mine Yangjuangang air shaft is 5 000 Nm3/min,it can meet the need of mine safety production.After the project is completed,annual utilization of scalar gas is 9 350 000 cubic meters,equivalent to emission reduction of 130 000 tons CO2.Compared with traditional coal-fired boiler can save coal 3 500 tons each year.A year can get gas using subsidy of 2 330 000 yuan.Carbon emission reduction benefits are expected to 1.3 Million yuan.Economic and social effect is remarkable.

Dongqu coal mine；Ventilation shaft；Air oxidation；Heat addition

TD98

B

1672-0652（2014）11-0004-03

2014-09-29

喬志剛（1982—），男，山西定襄人，2005年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事專用資金計劃管理及重大項目方案設(shè)計審查工作（E-mail）jhczjk@163.com