乏風(fēng)氧化及余熱利用技術(shù)在東曲礦的應(yīng)用

劉向忠

(西山煤電(集團(tuán))公司 東曲礦，山西 古交 030200)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

乏風(fēng)氧化及余熱利用技術(shù)在東曲礦的應(yīng)用

劉向忠

(西山煤電(集團(tuán))公司 東曲礦，山西 古交 030200)

礦井風(fēng)排低濃度瓦斯在東曲礦具有穩(wěn)定的來源，圍繞低濃度瓦斯利用、降低風(fēng)排瓦斯所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，該礦采用乏風(fēng)氧化及余熱利用技術(shù)，通過在羊圈港回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，產(chǎn)生了節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效益。

乏風(fēng)氧化；余熱利用；節(jié)能環(huán)保

隨著全球氣候變暖及國內(nèi)環(huán)保呼聲增高，減少由煤礦排放瓦斯所帶來的溫室效應(yīng)越來越受重視。為此，在傳統(tǒng)礦井抽采瓦斯利用的基礎(chǔ)上，對(duì)礦井乏風(fēng)的利用逐漸興起。雖然乏風(fēng)中瓦斯(主要成分甲烷)濃度普遍偏低，但總量可觀，科學(xué)有效地利用將有利于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境改善。

1 乏風(fēng)氧化綜合技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 乏風(fēng)氧化技術(shù)

常溫常壓下甲烷與空氣的引燃溫度為650 ℃～750 ℃，且甲烷濃度在3%以下時(shí)不燃燒。由于《煤礦安全規(guī)程》要求礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷中甲烷濃度不得超過0.75%，因此乏風(fēng)中瓦斯?jié)舛绕?，無法直接燃燒，成為開發(fā)利用乏風(fēng)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。目前，乏風(fēng)氧化技術(shù)中瓦斯利用分主要、輔助燃料兩種，西山煤電集團(tuán)東曲礦采用主要燃料利用技術(shù)。

采用傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)，乏風(fēng)中的瓦斯不能持續(xù)進(jìn)行氧化反應(yīng)，需要營造一個(gè)持續(xù)供熱保證氧化反應(yīng)的環(huán)境。為此需要在兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破：

1) 尋找使乏風(fēng)中甲烷持續(xù)氧化的溫度范圍。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣溫度在750 ℃以上時(shí)，甲烷氧化反應(yīng)最劇烈。

2) 尋找維持乏風(fēng)中甲烷氧化反應(yīng)適宜溫度環(huán)境條件的方法。借助空氣燃燒，通過改變氣流進(jìn)、排方向，由蓄熱媒介吸收熱量保證氧化反應(yīng)所需環(huán)境條件。

總之，乏風(fēng)氧化過程受到足夠能量激發(fā)才能進(jìn)行，單純依靠自身的氧化熱無法維持反應(yīng)進(jìn)行，必須維持反應(yīng)所需適宜環(huán)境以確保氧化過程的持續(xù)。

1.2 余熱利用技術(shù)

目前，乏風(fēng)氧化過程中余熱利用有多種方式，如供暖、制冷及發(fā)電等。

1) 余熱供暖。乏風(fēng)氧化裝置除了維持自身系統(tǒng)運(yùn)行外，由乏風(fēng)氧化設(shè)備產(chǎn)生的多余熱量供應(yīng)到余熱鍋爐以產(chǎn)生蒸汽，并用于地面或井內(nèi)供熱。

2) 余熱制冷。乏風(fēng)氧化裝置產(chǎn)生的余熱可以通過余熱制冷機(jī)組，借助其產(chǎn)生冷量用于地面或礦井的降溫工程。

3) 余熱發(fā)電。乏風(fēng)風(fēng)量較大時(shí)，余熱通過熱煙氣供給余熱鍋爐進(jìn)行發(fā)電，降低生產(chǎn)成本。

東曲礦主要采取余熱供暖，提供羊圈港進(jìn)風(fēng)井暖風(fēng)，滿足礦井生產(chǎn)需求。

2 東曲礦乏風(fēng)氧化利用技術(shù)

2.1 乏風(fēng)來源

羊圈港回風(fēng)井風(fēng)量約11 000 m3/min，瓦斯?jié)舛?.4%左右，服務(wù)東曲礦+860 m水平八、九采區(qū)，新鮮風(fēng)流由羊圈港進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入采區(qū)，通過+860 m水平東翼軌道巷、八采區(qū)輔助運(yùn)輸巷、+860 m水平集中皮帶巷進(jìn)入各工作面，乏風(fēng)通過八采區(qū)邊界回風(fēng)巷由羊圈港回風(fēng)立井排出，見圖1.

圖1 乏風(fēng)的主要來源示意圖

2.2 乏風(fēng)氧化機(jī)理

東曲礦引進(jìn)4臺(tái)VAM60.00-Ⅲ型乏風(fēng)氧化裝置進(jìn)行氧化反應(yīng)來減少溫室氣體的排放。其基本原理為：通過外部電能對(duì)氧化床進(jìn)行加熱啟動(dòng)，通過加熱電阻絲給氧化裝置加熱，為甲烷的氧化反應(yīng)提供適宜溫度，氧化床內(nèi)部使用蓄熱陶瓷重填，維持氧化溫度。乏風(fēng)通過引風(fēng)機(jī)引入氧化床，氧化產(chǎn)生熱量，利用換向閥實(shí)現(xiàn)乏風(fēng)周期性逆流換向，一部分熱量輸出蓄熱，另一部分熱量由蓄熱陶瓷吸收，對(duì)進(jìn)入的乏風(fēng)進(jìn)行加熱。持續(xù)進(jìn)入氧化裝置的甲烷，氧化反應(yīng)所需的熱能由再生陶瓷提供。此時(shí)，外部電源停止加熱，氧化裝置自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，內(nèi)置熱交換器輸出多余熱量，如此進(jìn)行循環(huán)。

乏風(fēng)的氧化率隨甲烷濃度的升高而提高。當(dāng)甲烷濃度大于0.4%時(shí)，氧化率明顯提升，在95%以上；當(dāng)甲烷濃度小于0.25%時(shí)，氧化率則大大降低，在90%以下時(shí)，見圖2.

圖2 乏風(fēng)氧化率曲線圖

2.3 余熱利用機(jī)理

利用氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可制取0.62 MPa、156 ℃飽和蒸汽，通過熱風(fēng)機(jī)組和外界冷空氣進(jìn)行熱交換，所產(chǎn)生的熱空氣與羊圈港進(jìn)風(fēng)井井口冷空氣(冬季)混合，形成2 ℃以上的熱風(fēng)，防止進(jìn)風(fēng)井口結(jié)冰，為井下安全生產(chǎn)提供保障，見圖3.

圖3 余熱利用工作原理圖

2.4 羊圈港進(jìn)風(fēng)井熱負(fù)荷計(jì)算

羊圈港進(jìn)風(fēng)斜井進(jìn)風(fēng)量為7 000 m3/min左右，回風(fēng)立井回風(fēng)量為11 000 m3/min左右，安裝兩臺(tái)FBCDZ-8-NO30 2×500 kW防爆對(duì)旋式主要通風(fēng)機(jī)。按冬季室外溫度-25 ℃計(jì)算，通風(fēng)耗熱量為：

Q=V×r×C×△t=14 721 MJ/h

式中：

Q—通風(fēng)耗熱量，MJ/h；

V—進(jìn)風(fēng)量，m3/min，取7 000；

r—空氣密度，kg/m3，取1.293；

C—空氣比熱，kJ/(kg·℃)，取1.004；

△t—溫差，℃，取27.

實(shí)際運(yùn)行中，羊圈港回風(fēng)立井瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.4%，乏風(fēng)氧化率96%，氧化反應(yīng)消耗熱量約占0.1%，1臺(tái)氧化裝置可利用的余熱量約為4 200 MJ/h、飽和蒸汽量為1.57 t/h，4臺(tái)氧化裝置同時(shí)運(yùn)行提供的熱量為16 800 MJ/h(4×4 200 MJ/h)，超過了冬季通風(fēng)耗熱量14 721 MJ/h，滿足風(fēng)井防凍所需。

2.5 東曲礦乏風(fēng)氧化效益分析

2.5.1蒸汽收入

4臺(tái)乏風(fēng)氧化裝置共可產(chǎn)生0.62 MPa、156 ℃飽和蒸汽總量為6.28 t/h(4×1.57 t/h).

蒸汽價(jià)格按120元/t計(jì)算，產(chǎn)蒸汽時(shí)間按5個(gè)月(3 600 h)計(jì)算，所供蒸汽收入：6.28×3 600×120=271萬元。

2.5.2減排溫室氣體收入

遵循《京都議定書》清潔發(fā)展機(jī)制，通過出售溫室氣體減排目標(biāo)，可以獲得國際金融支持。東曲礦每年減排的溫室氣體折合二氧化碳約為4.31萬t(M).其中：

1) 瓦斯減排量折合二氧化碳量4.99萬t(M1).

該工程共安裝4臺(tái)乏風(fēng)氧化裝置，每臺(tái)設(shè)備(設(shè)計(jì)乏風(fēng)處理量6萬Nm3/h，年余熱回收熱能1.24×104GJ)按實(shí)際5個(gè)月(3 600 h)運(yùn)行計(jì)算，甲烷氧化率按96%計(jì)算。

該工程每年減排純瓦斯量為：

4×6萬Nm3/h×0.4%×96%×3 600 h=332萬Nm3

該工程每年減排二氧化碳量為：

M1=332萬Nm3×0.717 kg/Nm3×21÷1 000=4.99萬t

式中：

21—減排1 t的甲烷可折算成21 t的二氧化碳；

0.717—甲烷的比重，kg/Nm3.

2) 余熱回收利用減排量折合二氧化碳量0.47萬t(M2).

4臺(tái)乏風(fēng)氧化裝置年余熱回收熱能總和為4.96×104GJ(4×1.24×104GJ).

燃煤鍋爐系數(shù)0.095 t/GJ，折合成二氧化碳：

M2=0.095 t/GJ×4.96×104GJ=0.47萬t CO2

3) 工程相應(yīng)產(chǎn)生排放量折合二氧化碳量0.65萬t(M3).

乏風(fēng)中的瓦斯氣體在氧化后生成的二氧化碳?xì)怏w，相應(yīng)產(chǎn)生排放量：

M3=332萬Nm3×0.717 kg/ Nm3×44/16=0.65萬t

式中：

44/16—二氧化碳與甲烷的相對(duì)分子量比。

4) 項(xiàng)目用電量產(chǎn)生排放量折合二氧化碳量0.5萬t(M4).

廠區(qū)的年自耗電量為6 221.44 MWh，按華北區(qū)域電網(wǎng)排放因子為0.811 45 t/MWh計(jì)算，折合成二氧化碳：

M4=0.811 45 t/MWh×6 221.44 MWh=0.5萬t

合計(jì)減排二氧化碳量：

M=4.99+0.47-0.65-0.5=4.31萬t

碳減排收益：減排二氧化碳量×單價(jià)=4.31萬t×69.6元/t=301萬元/a

2.5.3財(cái)政補(bǔ)貼

1) 年瓦斯利用補(bǔ)貼計(jì)算。

332萬Nm3×0.2元/Nm3=66.4萬元

式中：

0.2—每利用1 m3標(biāo)況瓦斯國家補(bǔ)貼。

2) 余熱利用節(jié)約標(biāo)煤計(jì)算。

余熱回收利用代替燃煤鍋爐年節(jié)煤量=年余熱回收熱能總和×1 000÷標(biāo)煤熱值÷燃煤鍋爐熱效率=4.96×104GJ×1 000÷29 308 KJ/kg÷60%=2 820 t

式中，標(biāo)煤熱值取29 308 KJ/kg；燃煤鍋爐熱效率取60%.

年節(jié)煤財(cái)政補(bǔ)貼：中央財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)為240元/t標(biāo)煤，省級(jí)財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)不低于60元/t標(biāo)準(zhǔn)煤。

(240+60)元/t×2 820 t=84.6萬元

3) 總的經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算。

財(cái)政補(bǔ)貼=年瓦斯利用國家補(bǔ)助+年節(jié)煤財(cái)政補(bǔ)貼=66.4+84.6=151萬元

年總收入為：蒸汽收入+減排溫室氣體收入+財(cái)政補(bǔ)貼=271+301+151=723萬元

項(xiàng)目年經(jīng)營成本：電費(fèi)+人員工資+設(shè)備維護(hù)+水消耗=196+24+20+32=272萬元

年收益=年總收入-年經(jīng)營成本=723-272=451萬元

通過以上計(jì)算表明，乏風(fēng)氧化可以增加煤礦企業(yè)的收入，尤其在近年煤炭效益不好、國內(nèi)外都在致力于減排溫室氣體的大環(huán)境下，乏風(fēng)氧化體現(xiàn)出更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，符合國家政策。

3 結(jié) 語

羊圈港乏風(fēng)氧化裝置年利用瓦斯332萬Nm3，折合減排二氧化碳量4.31萬t，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比節(jié)煤2 820 t，每年可獲得瓦斯利用補(bǔ)貼151萬元，年收益451萬元。該項(xiàng)目的實(shí)施，不僅為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了額外收入，同時(shí)減少了溫室氣體的排放，真正做到了變廢為利，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益，對(duì)于推動(dòng)煤礦綠色循環(huán)低碳發(fā)展、提高煤炭企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力極為有利。

[1] 馬曉鐘.煤礦乏風(fēng)氧化裝置的研制[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011(1)：2-3.

[2] 李宇紅，祁海鷹.預(yù)熱溫度影響甲烷高溫空氣燃燒特性的數(shù)值分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2010(2)：257-260.

ApplicationofTechnologiesonVentilationAirMethaneandWasteHeatUtilizationinDongquCoalMine

LIUXiangzhong

Dongqu coal mine is rich in low concentration coal mine gas with its steady ventilation system. Aimed at the utilization of low concentration VMM and the mitigation of Greenhouse effect, technologies on VMM oxidation and waste heat utilization are introduced in the ventilation system of Yangjuangang station, the practice harvests good result both economically and environmentally.

Ventilation air methane oxidation; Waste heat utilization; Saving energy and protecting environment

2017-08-02

劉向忠(1982—)，男，山西文水人，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事煤礦一通三防瓦斯治理工作

(E-mail)61854937@qq.com

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1672-0652(2017)11-0018-04