霍爾辛赫煤礦低濃度瓦斯蓄熱氧化供熱設(shè)計(jì)

羅申國(guó)

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

0 引言

為了積極響應(yīng)國(guó)家和山西省大氣污染行動(dòng)計(jì)劃，霍爾辛赫煤礦2017年將燃煤鍋爐改造為天然氣鍋爐，鍋爐總?cè)萘繛?5 t/h，安裝有2臺(tái)10 t/h和1臺(tái)15 t/h天然氣鍋爐，燃料來源為城市管網(wǎng)天然氣，運(yùn)行方式為采暖季3臺(tái)鍋爐全部運(yùn)行，非采暖季只運(yùn)行1臺(tái)10 t/h鍋爐，用于為煤礦洗浴熱水提供加熱蒸汽。天然氣鍋爐于2017年10月底投入運(yùn)行，2017年采暖季5個(gè)月燃用天然氣514萬(wàn)m3，共支付天然氣燃料費(fèi)用1 997萬(wàn)元。為了節(jié)省鍋爐的運(yùn)行燃料成本，擬將煤礦瓦斯抽采泵站目前排空的低濃度瓦斯回收廢物利用，通過安裝蓄熱氧化機(jī)組將低濃度瓦斯氧化，尾部配置余熱鍋爐回收氧化機(jī)組排放的煙氣余熱，產(chǎn)生飽和蒸汽替代現(xiàn)有部分天然氣鍋爐為煤礦供熱，從而減少天然氣鍋爐運(yùn)行時(shí)間，減少天然氣使用量。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦開采3#煤層，井田面積71.394 6 km2，3#煤層資源量共計(jì)545.30 Mt，可采儲(chǔ)量為240.01 Mt，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3 Mt/a，服務(wù)年限61.5 a。礦井瓦斯平均含量6.87 m3，礦井瓦斯儲(chǔ)量41.20億m3，可抽放瓦斯總量19.57億m3，瓦斯資源較豐富。地面固定瓦斯抽采泵站已建成投產(chǎn)，安裝有4臺(tái)水環(huán)真空泵，2運(yùn)2備；根據(jù)霍爾辛赫瓦斯抽采泵站近3年抽采報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年抽采瓦斯量941萬(wàn)m3、2017年抽采瓦斯量880萬(wàn)m3、2018年1月—8月19日抽采瓦斯量475.24萬(wàn)m3，抽采濃度在1%～30%(其中1%～5%濃度區(qū)間瓦斯抽采量)，抽采純量6～22 m3/min，平均抽采純量20.4 m3/min。利用煤礦固定地面瓦斯抽采泵站抽采系統(tǒng)抽放的瓦斯，燃料來源有保證。

2 氧化機(jī)組選型

從霍爾辛赫煤礦瓦斯抽放泵站抽放記錄表的瓦斯參數(shù)可知，瓦斯抽采泵站抽采瓦斯平均純量20.4 m3/min，平均瓦斯?jié)舛?%，按混合空氣后甲烷濃度1%計(jì)算，混合后的混合氣量為122 400 m3/h。目前，國(guó)內(nèi)外低濃瓦斯的利用主要有熱氧化、催化氧化和作為輔助燃料3種利用方式[1-3]。采用熱氧化方式利用低濃瓦斯的技術(shù)主要有重慶研究院和中國(guó)勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱勝動(dòng)集團(tuán))的熱氧化技術(shù)、美國(guó)Megtec公司的Vocsidizer技術(shù)、德國(guó)EISENMANN的熱氧化技術(shù)、英國(guó)Harworth公司的熱氧化技術(shù)、加拿大Biothermica公司的VAMOXTM技術(shù)；采用催化氧化方式利用低濃瓦斯的技術(shù)主要有澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)的CAT技術(shù)、加拿大礦物與能源技術(shù)中心的CH4Min技術(shù)。熱回流氧化器(TFRR)或再生熱氧化器(RTO)由在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的VOC氧化器發(fā)展而來，其核心溫度達(dá)1000℃，適用瓦斯?jié)舛确秶鸀?.2%至1.2%之間；是經(jīng)過檢驗(yàn)的切實(shí)可靠的技術(shù)，應(yīng)用也已經(jīng)得到證明，可以處理煤礦通風(fēng)排出的所有低濃瓦斯[4-7]；但溫度高，體積大，成本高昂。再生催化氧化器(RCO)工業(yè)應(yīng)用已被證實(shí)，專用催化劑的技術(shù)已經(jīng)獲得很多國(guó)家認(rèn)可，工作溫度600～800 ℃，適用瓦斯?jié)舛确秶鸀?.2%～1.0%之間；相對(duì)前者來說其工作溫度更低，因此很可能是成本最低的低濃瓦斯減排方案?？梢蕴幚砻旱V通風(fēng)排出的所有低濃瓦斯[8-10]；但體積較大，暫時(shí)無(wú)商業(yè)應(yīng)用。將低濃瓦斯用做助燃空氣使用適用于燃煤燃?xì)忮仩t，瓦斯發(fā)電機(jī)組，適用于任何濃度的瓦斯氣體，無(wú)需特殊技術(shù)，煤礦排風(fēng)井和瓦斯抽采泵站距離瓦斯電站較近時(shí)，其相對(duì)成本較低，可以利用部分低濃瓦斯；如果煤礦排風(fēng)井和瓦斯抽采泵站距離瓦斯電站較遠(yuǎn)，通過管道輸送大量低濃瓦斯供瓦斯電站用作燃燒空氣投資費(fèi)用大，經(jīng)濟(jì)性較差。

綜上所述，雖然已經(jīng)有一系列被開發(fā)出的低濃瓦斯利用技術(shù)，但只有熱氧化技術(shù)(包括使用催化劑的技術(shù)和不使用催化劑的技術(shù))是已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)行、較為成熟的技術(shù)；加拿大礦物與能源技術(shù)中心的CH4Min技術(shù)是研發(fā)比較早的一種低濃瓦斯催化氧化技術(shù)，但其商業(yè)化推廣進(jìn)展較慢。故本項(xiàng)目擬采用熱氧化技術(shù)。根據(jù)瓦斯抽采氣量，考慮到瓦斯抽采濃度波動(dòng)和夏季供洗澡水用熱負(fù)荷小的問題，擬配置2臺(tái)6萬(wàn)m3蓄熱氧化機(jī)組，每臺(tái)蓄熱氧化機(jī)組配套一臺(tái)6 t/h余熱蒸汽鍋爐，產(chǎn)生飽和蒸汽(0.5 MPa)送至煤礦鍋爐房現(xiàn)有分汽缸供熱。

3 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3.1 低濃瓦斯安全輸送系統(tǒng)

低濃度瓦斯輸送安全保障系統(tǒng)執(zhí)行《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(AQ 1076—2009)中內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)采用由水封阻火泄爆裝置、自動(dòng)噴粉抑爆裝置和自動(dòng)阻爆裝置為主組成的低濃度瓦斯的輸送安全保障系統(tǒng)，包括設(shè)備閥門和監(jiān)控系統(tǒng)2部分。設(shè)備閥門主要包括水封阻火泄爆裝置、自動(dòng)抑爆裝置抑爆器、自動(dòng)阻爆閥門、濕式放散罐、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等；監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源、爆炸信號(hào)控制器、電氣轉(zhuǎn)換控制箱、傳感器、聲光報(bào)警器等組成。

低濃度瓦斯氣源從泵站高低負(fù)壓抽采系統(tǒng)放空管后預(yù)留接口接入，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)和低負(fù)壓抽采系統(tǒng)預(yù)留接口管徑均為DN600，接口后干管分別依次安裝手動(dòng)關(guān)斷閥、橡膠軟連接、濕式放散管、調(diào)節(jié)放散管、緊急放散管、快速切斷閥、水封阻火器和手動(dòng)關(guān)斷閥，然后匯入總管DN600，再分兩趟DN500低濃度瓦斯安全輸送管路輸送至摻混裝置。兩趟DN500低濃安全輸送管路上依次安裝自動(dòng)阻爆閥門及干式泄爆器、自動(dòng)抑爆裝置抑爆器和水封阻火泄爆裝置三級(jí)安全防護(hù)，然后兩趟DN500管道合并為DN700母管進(jìn)入摻混裝置。水封阻火泄爆裝置安設(shè)位置應(yīng)盡可能靠近摻混裝置入口；自動(dòng)噴粉抑爆器的安設(shè)位置應(yīng)距離相關(guān)輸送管路上安裝的最近的火焰?zhèn)鞲衅鬏S向距離40～50 m；自動(dòng)阻爆閥門及配接的干式泄爆器距自動(dòng)噴粉抑爆裝置末端距離不大于10 m?；鹧?zhèn)鞲衅骱蛪毫鞲衅髟O(shè)置在DN500管路上水封阻火泄爆裝置后2 m處。

濕式放散管上安裝有濕式放散閥，可設(shè)定放散瓦斯壓力，當(dāng)?shù)蜐舛韧咚箟毫Τ鲈O(shè)定值時(shí)，水封被擊穿，自動(dòng)通過濕式放散閥放空，可保護(hù)瓦斯抽采泵站超壓，并阻止放散管火焰?zhèn)鞑?。調(diào)節(jié)放散管上安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)放散閥，可通過控制閥門開度調(diào)節(jié)排空瓦斯量，以控制進(jìn)入輸送系統(tǒng)管路的瓦斯量，防止進(jìn)入氧化機(jī)組的瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)。緊急放散管安裝快速放散閥門，當(dāng)事故停機(jī)時(shí)，快速開啟放散閥排空。濕式放散管、調(diào)節(jié)放散管和緊急放散管合并成一路放散母管，并安裝瓦斯專用阻火器，引至安全地點(diǎn)排放。當(dāng)火焰、壓力傳感器監(jiān)測(cè)到爆炸信號(hào)后，自動(dòng)噴粉抑爆器和自動(dòng)阻爆閥門動(dòng)作，同時(shí)，水封阻火泄爆裝置也起到實(shí)時(shí)泄爆和熄滅火焰的作用，在三級(jí)防護(hù)裝置共同作用下，確保瓦斯輸送安全。安全保障系統(tǒng)管道采用架空敷設(shè)，過道路處高度不小于4.5 m。管路在敷設(shè)沿線設(shè)置排水裝置，方便排出管內(nèi)積水。所有管件及管路應(yīng)采用防腐與外保溫處理，在閥門與設(shè)備處應(yīng)放置清晰、醒目標(biāo)志，加強(qiáng)日常維護(hù)及管理。

3.2 摻混系統(tǒng)

摻混系統(tǒng)由安裝在抽采瓦斯管路上的DN700調(diào)節(jié)閥、DN700快速關(guān)斷閥、摻混裝置，以及瓦斯輸送管路上安裝的濃度傳感器及流量傳感器、壓力傳感器、混合后氣體濃度傳感器及流量傳感器構(gòu)成。摻混系統(tǒng)的處理量為12萬(wàn)m3/h，濃度范圍0.3%～1.0%。摻混裝置選用DN2000型摻混裝置，摻混裝置采用內(nèi)、外相反方向螺旋形介質(zhì)通道，使瓦斯和空氣兩種氣體不斷改變方向并增速，在摻混裝置出口處進(jìn)行摻混充分混合，保證混合氣體均勻。摻混裝置長(zhǎng)度5 m，壁厚10 mm，與空氣管道接口管徑DN2000，與抽采瓦斯管路接口管徑為DN700，混合后氣體管道直徑為DN2000。 為了避免冬季摻混裝置內(nèi)瓦斯(約20℃)與室外寒冷空氣(-29 ℃)混合后溫度降低，導(dǎo)致從泵站輸送來的瓦斯氣體中氣態(tài)水凝結(jié)生成液態(tài)水，在冷空氣中產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，減小管路截面，影響氣體輸送安全，設(shè)計(jì)考慮從余熱鍋爐尾部引出一路低溫?zé)煔?，通過管道送至摻混裝置入口，先與空氣混合提高氣體溫度至2 ℃以上再進(jìn)行摻混。蓄熱氧化裝置入口配套的主風(fēng)機(jī)控制進(jìn)入氧化裝置的風(fēng)量恒定，當(dāng)泵站提供的瓦斯氣量變化時(shí)，吸入的室外空氣量隨著變化；當(dāng)泵站提供的瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)，摻混裝置出口混合管道中的甲烷濃度超過1%報(bào)警，同時(shí)通過放空管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制進(jìn)入摻混裝置的瓦斯量，多余部分排空；甲烷濃度達(dá)到1.2%時(shí)，停主風(fēng)機(jī)和蓄熱氧化機(jī)組；當(dāng)摻混裝置出口混合管道中瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%時(shí)報(bào)警，低于0.3%時(shí)停主風(fēng)機(jī)和氧化機(jī)組，同時(shí)關(guān)閉總管快速切斷閥，打開放空管緊急放散閥排空。

3.3 蓄熱氧化系統(tǒng)

瓦斯蓄熱氧化系統(tǒng)主要由瓦斯蓄熱氧化裝置、主風(fēng)機(jī)、燃燒系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等幾部分組成。瓦斯蓄熱氧化裝置主要由氧化室、蓄熱室、氣體分布室、爐墻、蓄熱體、蓄熱體支架、保溫棉、起爐燃燒器等組成。主風(fēng)機(jī)用來克服管路阻力，包括摻混系統(tǒng)阻力、蓄熱氧化裝置阻力、新風(fēng)/熱水加熱器煙氣側(cè)阻力及相關(guān)的管道阻力。氧化裝置啟動(dòng)氣源是使用城市天然氣，就近從煤礦鍋爐房供氣管道接入；一旦氧化裝置的儲(chǔ)熱槽和催化床達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，氧化裝置本身將進(jìn)行持續(xù)放熱反應(yīng)，燃燒器停止工作。燃燒器被安置于位于2個(gè)儲(chǔ)熱槽之間的混合室內(nèi)，混合室與低濃瓦斯進(jìn)氣管道中間設(shè)置有儲(chǔ)熱槽進(jìn)行隔離，阻止了可能的火焰擴(kuò)散，燃燒器工作時(shí)不輸入低濃瓦斯。燃料供應(yīng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)采取了一系列安全措施，例如，瓦斯進(jìn)氣安全閥組設(shè)有穩(wěn)壓閥，用于穩(wěn)定壓力；設(shè)有高低壓安全保護(hù)，若因燃燒器前瓦斯管路泄露等原因造成管路壓力過低，則低壓保護(hù)動(dòng)作；若因燃燒器前瓦斯管路穩(wěn)壓閥壞掉，或是堵塞管路致使壓力超高，則高壓保護(hù)動(dòng)作。另外點(diǎn)火系統(tǒng)燃料供應(yīng)系統(tǒng)還設(shè)置有燃料快速切斷閥、比例調(diào)節(jié)閥，根據(jù)氧化裝置反應(yīng)室內(nèi)所需的溫度變化來調(diào)節(jié)其開度，控制天然氣用量，天然氣量和助燃空氣量同步變化以確保燃燒穩(wěn)定。同時(shí)，設(shè)置有火焰探測(cè)器監(jiān)測(cè)燃燒器工作狀態(tài)，當(dāng)燃燒器正常工作時(shí)，火焰信號(hào)顯示；當(dāng)燃燒器停止工作時(shí)，火焰熄滅，天然氣供氣管路電磁閥自動(dòng)關(guān)閉快速切斷氣源，確保點(diǎn)火安全可靠。

3.4 余熱回收系統(tǒng)

余熱回收系統(tǒng)包括煙氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、取樣、加藥和除氧系統(tǒng)等。從蓄熱氧化裝置出來的煙氣通過煙道送至余熱蒸汽鍋爐進(jìn)行換熱，鍋爐排出的煙氣分2路，一路送至摻混裝置，用于冬季加熱摻混裝置使用的冷空氣；另一路通過煙囪排放；2臺(tái)余熱鍋爐合用一座鋼煙囪，直徑2 m，高度20 m。余熱鍋爐蒸汽采用單母管系統(tǒng)，每臺(tái)余熱鍋爐出口蒸汽支管(φ159 mm×4.5 mm)匯入蒸汽母管(φ219 mm×6 mm)，架空敷設(shè)送至現(xiàn)有燃?xì)忮仩t房分汽缸。給水管道(φ76 mm×3.5 mm)從現(xiàn)有鍋爐房給水泵出口母管接入，送至余熱鍋爐區(qū)，再由支管(φ57 mm×3 mm)分別送至每臺(tái)鍋爐。給水泵、水處理系統(tǒng)、除氧器等輔助設(shè)備均利用天然氣鍋爐房現(xiàn)有，避免重復(fù)投資節(jié)省費(fèi)用。另外還設(shè)置有2臺(tái)空壓機(jī)、冷干機(jī)及儲(chǔ)氣罐，為儀表提供儀用壓縮空氣。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)霍爾辛赫瓦斯抽放站抽放量及甲烷濃度和目前煤礦供熱現(xiàn)狀，本著充分利用低濃度瓦斯資源、節(jié)省煤礦天燃?xì)忮仩t運(yùn)行成本費(fèi)用、節(jié)能減排、造福社會(huì)，發(fā)展清潔能源，促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的原則，利用霍爾辛赫瓦斯抽放站抽放的低濃度瓦斯通過蓄熱氧化機(jī)組氧化，配套余熱蒸汽鍋爐回收高溫?zé)煔庥酂岙a(chǎn)生飽和蒸汽，替代現(xiàn)有部分天然氣鍋爐供熱。該項(xiàng)目技術(shù)可行、投資成本低、為煤礦節(jié)省供熱成本，同時(shí)將低濃度瓦斯加以利用還可獲得國(guó)家補(bǔ)助。項(xiàng)目實(shí)施后，可替代現(xiàn)有12 t/h燃?xì)忮仩t供熱，年節(jié)省天然氣約332萬(wàn)m3，年節(jié)省燃料費(fèi)約1 289萬(wàn)元，除去支付供熱費(fèi)用610萬(wàn)元，煤礦每年可節(jié)省運(yùn)行成本約679萬(wàn)元；同時(shí)年利用低濃度瓦斯509萬(wàn)m3，獲得減排收益204萬(wàn)元，具有較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境效益。同時(shí)，山西省也處于深化改革、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綠色化改造的關(guān)口，瓦斯綜合利用作為山西新能源產(chǎn)業(yè)的一環(huán)，對(duì)于煤礦乃至全山西的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型都有重要意義，低濃瓦斯蓄熱氧化技術(shù)在其他有低濃度瓦斯尚未利用且有余熱需求的煤礦均可推廣應(yīng)用。