屯蘭礦風(fēng)排低濃度瓦斯氧化利用技術(shù)研究

郭晉輝

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000;2.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司安全監(jiān)察局，山西 太原 030024)

所謂風(fēng)排瓦斯是指“煤礦采取通風(fēng)方式排出的，濃度在0.75%以下的瓦斯”(《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井總回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛炔坏酶哂?.75%)。長期以來，由于風(fēng)排瓦斯的濃度較低，直接利用的技術(shù)難度較大。因此，礦井的絕大多數(shù)風(fēng)排瓦斯都被直接排放到大氣中，這不僅污染了大氣環(huán)境，也浪費(fèi)了清潔能源［1－4］。近年來，山西省煤炭產(chǎn)量逐年增加，全省礦井瓦斯排放量和風(fēng)排瓦斯量也在逐漸增加，經(jīng)測算，當(dāng)年全省礦井風(fēng)排瓦斯量達(dá)到了約62億m3，占到全省煤礦瓦斯排放總量的60%以上。因此，充分合理利用煤礦風(fēng)排瓦斯，對保障煤礦安全生產(chǎn)、減少溫室氣體排放、降低環(huán)境污染、利用清潔能源有著重要的意義。

1 礦區(qū)利用乏風(fēng)的必要性

屯蘭礦隸屬于西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，為高瓦斯礦井，根據(jù)2008年礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果:絕對瓦斯涌出量256.43 m3/min，相對瓦斯涌出量33.58 m3/t。乏風(fēng)中的甲烷被排放到大氣中，既浪費(fèi)了大量潔凈能源，又污染了大氣。為了解決礦井風(fēng)排瓦斯造成的浪費(fèi)和對環(huán)境污染問題，在治理礦井瓦斯災(zāi)害的同時，將其充分利用，開發(fā)乏風(fēng)氧化技術(shù)，不但可以有效利用煤礦的潔凈能源，而且為煤礦的可持續(xù)發(fā)展提供了一條新途徑，同時，乏風(fēng)利用可以使風(fēng)排瓦斯成為盈利工程，風(fēng)排的瓦斯越多，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也就越好，可以形成良性循環(huán)［5－8］。有了經(jīng)濟(jì)杠桿的作用，就能進(jìn)一步調(diào)動風(fēng)排瓦斯的主動性，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)。因此，最大限度地利用資源，開發(fā)乏風(fēng)氧化工程是十分必要的。

2 風(fēng)排低濃度瓦斯氧化利用技術(shù)

建設(shè)開發(fā)處理能力10萬Nm3/h通風(fēng)瓦斯氧化裝置、高品位蒸汽發(fā)生裝置和相應(yīng)的安全輸送及余熱利用設(shè)備。

2.1 理論基礎(chǔ)

借鑒蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)(HTAC技術(shù)，見圖1)，讓燃料在高溫低氧環(huán)境下燃燒。當(dāng)常溫空氣由換向閥切換進(jìn)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?zé)峥諝膺M(jìn)入爐膛后，抽引周圍爐內(nèi)的氣體形成一股含氧量大大低于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，使燃料在貧氧(2% ～20%)狀態(tài)下實(shí)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?zé)釤煔馔ㄟ^蓄熱體時將顯熱儲存在蓄熱體內(nèi)，然后以150℃ ～200℃的低溫?zé)煔饨?jīng)過換向閥排出。工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進(jìn)行切換，使兩個蓄熱與放熱交替工作，常用的切換周期為30～200 s。

圖1 蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)工作原理示意圖

2.2 基本工作原理

參照上述理論，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(fēng)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(dāng)于乏風(fēng)中的甲烷與空氣的混合物。為此，煤礦乏風(fēng)氧化也采用這種逆流換熱、預(yù)熱技術(shù)，將乏風(fēng)中的甲烷與其中的氧進(jìn)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，陶瓷溫度逐漸升溫，并形成一個拋物線形的溫度梯度場。當(dāng)達(dá)到CH4與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)溫度后停止電源加熱。乏風(fēng)進(jìn)入氧化床后蓄熱陶瓷放熱逐步預(yù)熱乏風(fēng)，當(dāng)達(dá)到其一定溫度后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(jìn)入的CH4繼續(xù)氧化反應(yīng)，氧化裝置即可自動穩(wěn)定運(yùn)行。多余的熱量由內(nèi)置換熱器取出。

2.3 氧化裝置性能參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)

氧化裝置型號為:XY10－12G

裝置功能:低濃度瓦斯氧化及熱能回收

最大處理能力:10萬Nm3/h

適用瓦斯?jié)舛?0.25% ～1.2%V/V(設(shè)計濃度參數(shù) 1.0%)

通風(fēng)瓦斯溫度:20℃

瓦斯轉(zhuǎn)化率:＞95%

通風(fēng)瓦斯氧化裝置中采取了以下常規(guī)安全保障措施:全部電器設(shè)備防爆設(shè)計;配備自動切斷閥門和放散閥門，隨時可與煤礦通風(fēng)系統(tǒng)隔斷接觸;運(yùn)行狀態(tài)計算機(jī)實(shí)時監(jiān)控;緊急情況自動停車;瓦斯?jié)舛冗B續(xù)監(jiān)測，防止瓦斯?jié)舛韧蝗簧?當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^一定數(shù)值時，自動隔絕系統(tǒng)。

同時，通風(fēng)瓦斯氧化裝置中還采取以下3點(diǎn)特殊安全保障措施:

1)瓦斯傳感器與通風(fēng)瓦斯快速切斷閥連鎖，當(dāng)檢測到瓦斯?jié)舛犬惓Ｉ邥r即關(guān)閉通風(fēng)瓦斯快速切斷閥，確保沒有可燃性混合氣體進(jìn)入氧化裝置。

2)通風(fēng)瓦斯管道入口與通風(fēng)瓦斯擴(kuò)散塔出口保持適當(dāng)距離，預(yù)留足夠的自由擴(kuò)散面積，通風(fēng)瓦斯處理系統(tǒng)與煤礦通風(fēng)系統(tǒng)沒有緊密連接，不影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)工作。

3)通風(fēng)瓦斯氧化裝置調(diào)試期間，處理裝置與通風(fēng)瓦斯管道入口不連接，調(diào)試成功以后逐步接入通風(fēng)瓦斯，不影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)工作。

瓦斯綜合處理利用系統(tǒng)采用自動控制技術(shù)，瓦斯輸送摻混系統(tǒng)根據(jù)抽采瓦斯與通風(fēng)瓦斯的濃度變化，自動調(diào)節(jié)抽放瓦斯輸送風(fēng)量，可自動適應(yīng)瓦斯?jié)舛?.25% ～1.2%范圍內(nèi)的變化。

通風(fēng)瓦斯及抽采瓦斯綜合處理系統(tǒng)包括:輸送與配氣系統(tǒng)、氧化系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等。主要裝置包括:抽放瓦斯的輸送裝置、配氣裝置、氧化裝置(含蓄熱材料、換向裝置)、余熱鍋爐、驅(qū)動氣源、測控元件及中控室。

2.4 建設(shè)規(guī)模

根據(jù)屯蘭礦石家河回風(fēng)井風(fēng)排瓦斯情況，風(fēng)排瓦斯總量在7500 Nm3/min以上。由于該風(fēng)井擔(dān)負(fù)區(qū)域2011年1—4月沒有進(jìn)行采煤，風(fēng)排瓦斯?jié)舛容^低，5月份重新采煤后風(fēng)排瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.4%以上。結(jié)合該礦目前的實(shí)際情況，確定總裝機(jī)容量為3臺處理量為100000 Nm3/h的乏風(fēng)氧化裝置，配備相應(yīng)安全輸送系統(tǒng)和額定出力7 MW蒸汽鍋爐，處理通風(fēng)瓦斯能力1600 Nm3/min，回收熱量用于產(chǎn)生 3.82 MPa/450℃過熱蒸汽，用于場區(qū)供暖、生活熱水。

2.5 乏風(fēng)輸送系統(tǒng)

1)燃料消耗量。

3臺XY10－12G型乏風(fēng)氧化裝置運(yùn)行時總耗氣量為30萬Nm3/h。

2)乏風(fēng)氣路設(shè)置。

考慮到乏風(fēng)中瓦斯?jié)舛容^低，輸送管路不存在危險性，故管路中只設(shè)置必要的閥門，并考慮礦井井下瓦斯突出時，濃度急劇升高或井下出現(xiàn)爆炸情況設(shè)置必要的防護(hù)措施。每臺XY10－12G型乏風(fēng)氧化裝置前設(shè)置1臺對旋式軸流風(fēng)機(jī)。根據(jù)機(jī)組技術(shù)參數(shù)，XY10－12G型乏風(fēng)氧化裝置的進(jìn)氣支管為DN1600玻璃鋼管。3臺乏風(fēng)氧化裝置配備1套乏風(fēng)輸送系統(tǒng)。乏風(fēng)輸送總管線采用玻璃鋼管道架空敷設(shè)，過公路部分管道采用桁架進(jìn)行支撐。

3)乏風(fēng)氧化裝置進(jìn)氣壓力。

在每臺XY10－12G型乏風(fēng)氧化裝置前設(shè)置1臺對旋式軸流風(fēng)機(jī)，保證乏風(fēng)經(jīng)管道輸送系統(tǒng)輸送到乏風(fēng)氧化裝置前的氣體壓力不低于1.5 kPa。

2.6 污染控制

1)廢氣。乏風(fēng)經(jīng)氧化裝置處理后，產(chǎn)生的主要成份有:CO2、H2O、O2、NOx、CO 和少量的 SO2。其中CO2、H2O、O2不屬有害物質(zhì)，瓦斯含H2S量極少，經(jīng)氧化裝置幾乎不產(chǎn)生SO2。煤礦通風(fēng)瓦斯(乏風(fēng))氧化裝置排氣檢測結(jié)果見表1。

表1 煤礦通風(fēng)瓦斯(乏風(fēng))氧化裝置排氣檢測結(jié)果表

由表2可以看出，NOx排放量測試結(jié)果為N.D.，低于檢出限，從而遠(yuǎn)低于GB16297－1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定240 mg/Nm3。GB16297－1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中未對CO排放量做規(guī)定，根據(jù)GB3095－1996《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，空氣中CO濃度日平均不超過6 mg/Nm3，本系統(tǒng)排煙中CO含量≤50 mg/Nm3，排入大氣稀釋后，系統(tǒng)所在地空氣中CO濃度遠(yuǎn)低于6 mg/Nm3。

2)噪聲。使用的乏風(fēng)氧化裝置為無機(jī)械傳動，故無噪聲污染。

3)廢水。少量生活污水、綜合泵房和乏風(fēng)氧化裝置換熱器排出的少量廢水，通過排污溝及埋地污水管線接至石家河風(fēng)井原有排污系統(tǒng)統(tǒng)一排入礦區(qū)污水處理站處理。處理后可滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978－1996)中二級標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.7 效益分析

屯蘭礦安裝3臺XY10－12G型乏風(fēng)氧化裝置，年減排純瓦斯量931.2萬Nm3，折合純瓦斯量14.02萬t，年產(chǎn)蒸汽8萬t。

由于甲烷和二氧化碳均為溫室效應(yīng)氣體，且甲烷的溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，甲烷經(jīng)氧化處理后，減少了溫室氣體的排放，產(chǎn)生良好的環(huán)境效益，同時可向國外出售CERs(CO2減排指標(biāo))。

3 結(jié)束語

建設(shè)開發(fā)處理能力10萬Nm3/h的風(fēng)排瓦斯氧化裝置，安裝于屯蘭礦石家河回風(fēng)井，配備相應(yīng)安全輸送系統(tǒng)和額定出力7 MW蒸汽鍋爐，回收熱量用于產(chǎn)生3.82 MPa/450℃過熱蒸汽，年減排純瓦斯量931.2 萬 Nm3，折合純瓦斯量 14.02 萬 t，年產(chǎn)蒸汽 8萬t。

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