礦井乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究

金 剛 王 康

（1、安徽坤朗新能源科技有限公司，安徽 淮南232001 2、淮南礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001）

礦井乏風(fēng)是指通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)抽排到大氣中的甲烷含量低于1%的混合氣體，約占我國煤層氣總資源量的70%以上[1]。我國煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，埋深在2000 m 以內(nèi)的煤層氣資源儲(chǔ)量約為36.81 萬億m3，和陸基常規(guī)天然氣資源量不差上下，資源儲(chǔ)量位居全世界第三，僅次于加拿大和俄羅斯[2]。

截至目前，我國主要有兩種煤層氣開采開發(fā)方式：地面抽采和井下抽采，然而不管井下還是地面抽采總抽采率不足50%[3]。一般而言，礦井井下通風(fēng)系統(tǒng)排出的乏風(fēng)瓦斯中甲烷濃度一般低于1%，因此，乏風(fēng)甲烷具有濃度低、富集難、總量大，利用難等特點(diǎn)，極少被回收利用，長期排放大氣中不僅會(huì)加劇溫室效應(yīng)污染環(huán)境，還造成資源的浪費(fèi)[4]。

1 乏風(fēng)蓄熱氧化技術(shù)原理及研究進(jìn)展

乏風(fēng)蓄熱氧化技術(shù)其基本運(yùn)行原理如圖1 所示。首先，高溫?zé)煔忸A(yù)熱將反應(yīng)器裝置內(nèi)部溫度升高到1000℃以上，此溫度是乏風(fēng)瓦斯（1.2%）的自燃點(diǎn)。預(yù)熱完成后，設(shè)備的閥1、閥4 打開，室溫下的乏風(fēng)瓦斯按照實(shí)線箭頭方向流入反應(yīng)器內(nèi)，進(jìn)氣經(jīng)上段蓄熱陶瓷的預(yù)熱，溫度升高到將990℃以上，開始發(fā)生熱氧化反應(yīng)并釋放大量的化學(xué)反應(yīng)熱。其中一部分熱量用來加熱反應(yīng)器下段的蓄熱陶瓷，同時(shí)通過換熱器提取剩余熱量，經(jīng)過熱交換之后的低溫?zé)煔饨?jīng)閥4 從右端出口排出，這是前半個(gè)周期的操作過程。

圖1 熱逆流氧化反應(yīng)器原理示意圖（TFRR）[5]

后半周期開始時(shí)，打開闊2、闊3，將閥1、閥4 關(guān)閉，切換流向，進(jìn)口的乏風(fēng)瓦斯按虛線箭頭方向流入，這時(shí)下段的蓄熱陶瓷內(nèi)集聚的大量熱能可以將進(jìn)口氣體溫度加熱至1000℃以上，再次發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放反應(yīng)熱，高溫?zé)煔鈱⒎磻?yīng)放出的熱量蓄積在上段蓄熱陶瓷后，再通過闊3 流出反應(yīng)器，此時(shí)，一個(gè)換向整周期結(jié)束。不斷進(jìn)行流向切換可維持蓄熱氧化設(shè)備的自運(yùn)行，而化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量能夠抽取出的高品位蒸汽可用來發(fā)電或者供熱。

二十世紀(jì)九十年代美國MEGTEG 公司成功的研發(fā)了熱逆流催化氧化反應(yīng)器：VOCSIDIZER 裝置。該裝置主要用來處理低濃度的揮發(fā)性有機(jī)尾氣，后來有大量后續(xù)的裝置應(yīng)用于其它領(lǐng)域。1994 年，MEGTEG 公司在英國某一煤礦安裝了第一臺(tái)熱逆流煤礦瓦斯氧化反應(yīng)裝置，該裝置單機(jī)處理風(fēng)量為80000m3/h，甲烷濃度為0.3%～0.6%，將其用于試驗(yàn)性研究。隨后，該公司不斷擴(kuò)大研發(fā)和推廣礦井乏風(fēng)熱逆流氧化反應(yīng)裝置，其它投入運(yùn)營的項(xiàng)目見表1。隨后，美國的Biothermica 技術(shù)公司，德國的Eisenmann 公司、Harworth 能源公司、氣候變化資本集團(tuán)和浙江億揚(yáng)公司等也都相繼推出了用于處理礦井乏風(fēng)的蓄熱氧化裝置。近年來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)或蓄熱氧化裝置生產(chǎn)企業(yè)在我國建成了十余個(gè)礦井乏風(fēng)蓄熱氧化利用試驗(yàn)項(xiàng)目，主要項(xiàng)目見表2 所示。

表1 MEGTEC 公司乏風(fēng)氧化裝置示范項(xiàng)目

2 乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電原理與工藝

2.1 乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電原理

瓦斯抽排泵站的低濃度瓦斯和通風(fēng)系統(tǒng)中的乏風(fēng)瓦斯經(jīng)參混裝置混合后進(jìn)入蓄熱氧化爐中，爐中超低濃度甲烷被氧化發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放熱，產(chǎn)生高溫?zé)峥諝馔ㄟ^引風(fēng)裝置進(jìn)入余熱鍋爐，在燃燒室內(nèi)進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生過熱水蒸汽，過熱水蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電[6]。

表2 我國已建主要礦井瓦斯蓄熱氧化利用系統(tǒng)一覽表

乏風(fēng)氧化發(fā)電技術(shù)最關(guān)鍵的設(shè)備就是蓄熱式氧化裝置（RTO），其原理是把參混的超低濃度甲烷導(dǎo)入RTO 中，高溫反應(yīng)爐內(nèi)甲烷被瞬間氧化為水和二氧化碳并釋放出巨大氧化熱。通常，當(dāng)乏風(fēng)甲烷濃度達(dá)到0.257%時(shí)，蓄熱氧化裝置產(chǎn)生的熱量就能維持設(shè)備的自運(yùn)行；當(dāng)乏風(fēng)甲烷濃度在0.27%～0.8%時(shí)，系統(tǒng)可提供高溫?zé)崴蝻柡驼羝划?dāng)乏風(fēng)甲烷濃度在0.8%～1.2%時(shí)，設(shè)備不僅可提供過飽和蒸汽，還能推動(dòng)蒸汽輪機(jī)組發(fā)電。

2.2 乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電工藝

為提高瓦斯蓄熱氧化項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益及盈利能力，根據(jù)山西潞安集團(tuán)高河礦井乏風(fēng)及抽采瓦斯實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用將乏風(fēng)甲烷濃度通過混配抽采低濃度瓦斯，混配至1%～1.2%進(jìn)行氧化利用。低濃度瓦斯從瓦斯抽排泵站取出，通過特殊的參混裝置參入乏風(fēng)系統(tǒng)中，可以將乏風(fēng)甲烷濃度提升到1.2%。

在混合后的乏風(fēng)中，含約1.2%（體積濃度）甲烷氣體，由RTO 風(fēng)機(jī)輸送到12 臺(tái)RTO。在RTO 中甲烷被氧化分解，轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。這樣甲烷處理凈化后的氣體分為高低溫兩股氣流從RTO 排出，低溫氣流不再利用，高溫氣經(jīng)鍋爐換熱降溫后與低溫氣混合，通過排氣煙囪一起排入大氣中（主要成分為CO2和H2O）。RTO 出來的高溫?zé)煔膺M(jìn)入氧化熱鍋爐換熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽帶動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)電，通過升壓變壓器升壓至變電站并入電網(wǎng)，其發(fā)電工藝流程如圖2。

圖2 乏風(fēng)氧化發(fā)電工藝流程圖

3 結(jié)論

“潞安集團(tuán)高河能源礦井乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電工程項(xiàng)目”是我國第一個(gè)礦井乏風(fēng)氧化發(fā)電工業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目，是我國煤礦區(qū)最大的乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電示范項(xiàng)目以及BOT 模式減排項(xiàng)目。項(xiàng)目取得了以下主要研究成果：

3.1 開發(fā)了蓄熱氧化裝置，集氧化制熱與調(diào)控與一體，單臺(tái)乏風(fēng)處理能力達(dá)到90000Nm3/h，熱自平衡濃度最低0.27%，濃度波動(dòng)范圍0.27%～1.2%，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)量的并聯(lián)提取和精確調(diào)節(jié)。能實(shí)現(xiàn)大氣量乏風(fēng)氧化處理，高效率氧化、寬濃度范圍氧化、運(yùn)行穩(wěn)定可靠?？珊芎玫臐M足乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電核心設(shè)備要求。

3.2 實(shí)現(xiàn)了煤礦廢氣熱電聯(lián)供，發(fā)電的同時(shí)對(duì)煤礦新建裝車站和洗浴熱水進(jìn)行了供暖，進(jìn)一步提高了余熱利用效率。

3.3 礦井乏風(fēng)氧化熱電聯(lián)供示范項(xiàng)目“山西潞安集團(tuán)高河礦井乏風(fēng)氧化發(fā)電項(xiàng)目”主要分為三個(gè)部分，第一部分是乏風(fēng)的收集、輸送、摻混和脫水；第二部分是12 臺(tái)高溫蓄熱式氧化裝置，簡稱RTO，對(duì)乏風(fēng)進(jìn)行氧化；第三部分是余熱利用發(fā)電。這個(gè)項(xiàng)目創(chuàng)新性地把三部分技術(shù)整合在一起。該項(xiàng)目總投資3.2億，裝機(jī)容量30WM，預(yù)計(jì)年發(fā)電量2.4 億千瓦時(shí)，每小時(shí)處理乏風(fēng)108 萬立方米，年處理乏風(fēng)達(dá)94 億立方米。實(shí)現(xiàn)年供電量2 億千瓦時(shí)，每年減少溫室氣體排放140 萬噸二氧化碳當(dāng)量，節(jié)約標(biāo)煤8.08 萬噸。