丁集煤礦超低濃度瓦斯氧化供熱技術(shù)應(yīng)用研究

柏 琳

(煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

根據(jù)《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51134—2015)，“高濃度瓦斯”是指“甲烷體積濃度大于或等于30%的經(jīng)煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)抽出或排出的瓦斯”，“低濃度瓦斯”是指“甲烷體積濃度大于或等于7%且小于30%的經(jīng)煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)抽出或排出的瓦斯”。 甲烷體積濃度小于7%的瓦斯由于無法直接用于發(fā)電，故在規(guī)范中未對其進(jìn)行明確定義，但因其甲烷濃度比“低濃度瓦斯”還低，可以稱其為“超低濃度瓦斯”[1-6]。

隨著煤礦生產(chǎn)對瓦斯治理的日益重視，以及對治理成本的補償，瓦斯由抽放排空逐漸過渡到抽采利用?！睹旱V低濃度瓦斯輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(AQ 1076)、《煤礦瓦斯發(fā)電工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51134)等規(guī)范的實施，也為高、低濃度瓦斯利用的工程建設(shè)提供了法規(guī)保障。高、低濃度瓦斯利用日益廣泛，然而超低濃度瓦斯由于受到安全、技術(shù)、法規(guī)等各因素制約，其利用仍存在巨大空白[7-10]。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年我國煤礦瓦斯排放量為2.02億t，排放的甲烷超過80%來自通風(fēng)瓦斯，剩余抽排瓦斯中的70%～80%為低濃度瓦斯，濃度為3%～25%。瓦斯空排在造成能源浪費的同時，也對環(huán)境造成污染[11-15]。

1 超低濃度瓦斯中蘊含的能量

1Nm3甲烷的低位熱值為35881kJ，1kg標(biāo)煤的低位熱值為29271kJ/kg。1Nm3甲烷熱值相當(dāng)于1.226kg標(biāo)煤。

淮南丁集煤礦歷年的抽采瓦斯純量平均約為70Nm3/min，其中高濃度瓦斯發(fā)電利用量約10Nm3/min，低濃度瓦斯發(fā)電利用量約24Nm3/min，剩下的超低濃度瓦斯36Nm3/min得不到利用直接排空。由式(1)可知，丁集煤礦每分鐘排空的超低濃度瓦斯能量折算標(biāo)煤約44kg。

B=G×k×b

(1)

式中，B為折標(biāo)煤量，kg/min；G為 混合瓦斯量，Nm3/min；k為瓦斯中甲烷體積濃度，%；b為甲烷折標(biāo)煤量，kg/Nm3，取1.226。

2 超低濃度瓦斯的氧化產(chǎn)熱

利用蓄熱式氧化裝置(Regenerative Thermal Oxidizer，RTO)對超低濃度瓦斯中的甲烷進(jìn)行氧化，其產(chǎn)生的熱量除了滿足自身的氧化反應(yīng)用熱，還可以有多余熱量輸出并得到利用。商用的RTO裝置目前均采用流向變換熱反應(yīng)器(TFRR)的原理，如圖1所示。

圖1 超低濃度瓦斯氧化-流向變換熱反應(yīng)器(TFRR)原理圖

RTO裝置運行時，開啟閥1關(guān)閉閥2，低溫的超低濃度瓦斯進(jìn)風(fēng)進(jìn)入蓄熱器2中吸熱，蓄熱器2降溫，進(jìn)風(fēng)達(dá)到反應(yīng)溫度后在熱氧化室發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，成為高溫?zé)煔狻８邷責(zé)煔馀c蓄熱器1換熱，蓄熱器1升溫，高溫?zé)煔饨禍睾罅鞒觥＞o隨其后關(guān)閉閥1開啟閥2，進(jìn)風(fēng)流向改變，超低濃度瓦斯進(jìn)風(fēng)進(jìn)入蓄熱器1中吸熱，蓄熱器1降溫，進(jìn)風(fēng)達(dá)到反應(yīng)溫度后在熱氧化室發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，成為高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔馀c蓄熱器2換熱，蓄熱器2升溫，高溫?zé)煔饨禍睾罅鞒?。如此往?fù)，使得反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行。

在裝置啟動時，蓄熱器2需由外界輸入熱量，保證超低濃瓦斯經(jīng)過該蓄熱器時能吸熱，然后在熱氧化室發(fā)生氧化反應(yīng)放熱。氧化反應(yīng)的放熱量與進(jìn)風(fēng)瓦斯的甲烷濃度正相關(guān)。一般情況下，當(dāng)進(jìn)風(fēng)瓦斯的甲烷濃度達(dá)到0.2%時，氧化反應(yīng)生成的熱量即可保證自持，不需外界額外輸入熱量。當(dāng)甲烷濃度超出自持濃度時，生成的多余熱量可由熱氧化室直接取出加以利用。

3 熱負(fù)荷及熱源條件分析

丁集煤礦熱負(fù)荷主要有冬季采暖、井筒防凍，夏季井下降溫及全年的洗衣烘干和洗浴，詳見表1。

表1 丁集煤礦蒸汽熱負(fù)荷統(tǒng)計表

由表1可見，丁集煤礦蒸汽熱負(fù)荷在采暖期和制冷期內(nèi)，波動較大，最大值約為最小值的3.6倍。非采暖非制冷期內(nèi)較為平衡。此外最低用汽壓力0.3MPa，對應(yīng)飽和溫度144℃，最高用汽壓力0.6MPa，對應(yīng)飽和溫度165℃，對熱源品質(zhì)要求較高。在以上各種熱負(fù)荷中，由于洗浴熱水溫度一般不超過50℃，對能源的品位要求較低?？煽紤]采用其他低品位熱能代替較高品位的蒸汽熱能，減少能源獲得成本。

丁集煤礦鍋爐房原建有4臺8t/h燃煤蒸汽鍋爐，承擔(dān)著全礦的供熱。由于建設(shè)年代較早，排放標(biāo)準(zhǔn)較低，和現(xiàn)有環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)差距較大，已被當(dāng)?shù)卣箨P(guān)停。在此背景下，丁集煤礦2015年即籌備供熱改造項目，擬替代燃煤實現(xiàn)供熱。根據(jù)丁集煤礦實際條件，電力、燃?xì)?瓦斯)、礦井回風(fēng)熱能、瓦斯氧化熱能、瓦斯發(fā)電余熱、設(shè)備冷卻排熱等均有潛力作為熱源，但要真正實現(xiàn)燃煤替代，還應(yīng)具備熱源品質(zhì)、數(shù)量滿足要求熱負(fù)荷對質(zhì)和量的要求、易獲得及廉價等特點。

電力作為高品質(zhì)的二次能源，滿足質(zhì)、量要求，也易獲得，但工業(yè)電價相對昂貴，用于供熱其成本較高。燃?xì)?瓦斯)經(jīng)用燃?xì)忮仩t可制蒸汽供熱，品質(zhì)可以滿足熱負(fù)荷要求，但燃?xì)?瓦斯)量較少。丁集煤礦周邊無天然氣管線。礦井抽排的高濃瓦斯約10Nm3/min，即使停止供高濃瓦斯發(fā)電機組發(fā)電，全部用來制熱，供熱功率不超過6MW，折合蒸汽不超過8.5t/h，無法滿足制冷期和采暖期熱負(fù)荷對供應(yīng)量的需求。瓦斯發(fā)電機組的煙氣余熱經(jīng)余熱鍋爐制蒸汽，根據(jù)丁集煤礦低濃瓦斯發(fā)電機組配置情況及可供瓦斯量情況，最大供汽不超過2.5t/h，依然無法滿足最大熱負(fù)荷的需求。礦井回風(fēng)熱能、瓦斯發(fā)電缸套水余熱和設(shè)備冷卻(水冷)排熱，由于提取熱量的熱媒為水，一般情況下也無法滿足蒸汽熱負(fù)荷對熱源品質(zhì)的要求。瓦斯氧化熱能具有品質(zhì)高、數(shù)量大、易獲得及廉價的特點，對丁集煤礦而言是代替燃煤的最佳選擇。丁集煤礦可供氧化的超低濃瓦斯36Nm3/min，經(jīng)氧化裝置氧化后的高溫?zé)煔庠俳?jīng)余熱鍋爐制蒸汽，產(chǎn)汽量不少于20t/h。

4 超低濃瓦斯氧化及低溫?zé)崮芾霉こ淘O(shè)計

丁集煤礦可供應(yīng)甲烷濃度7%以下的瓦斯純量約36Nm3/min。依據(jù)這一條件，建設(shè)兩臺進(jìn)風(fēng)量90000Nm3/h的RTO，進(jìn)風(fēng)瓦斯?jié)舛?.2%，可從熱氧化室取出的高溫?zé)煔饬考s為23000Nm3/h，溫度可達(dá)960℃。這部分溫度達(dá)960℃的高溫?zé)煔馑腿霟煔庥酂徨仩t生產(chǎn)過熱蒸汽，即可用來驅(qū)動汽輪機組發(fā)電和供熱。排煙溫度按100℃考慮，23000Nm3/h的960℃煙氣可提供的熱量高達(dá)7877kW。單位瓦斯的供熱量達(dá)26257kJ/Nm3，熱效率約為73.2%。

為了降低進(jìn)入RTO的瓦斯?jié)舛戎?.2%及以下，以策安全，對抽放站抽排的7%以下濃度瓦斯采取了兩級摻混設(shè)計。一級摻混設(shè)在抽放站，通過摻入空氣將瓦斯?jié)舛冉抵?%以下，二級摻混設(shè)在RTO，將瓦斯?jié)舛扔?%降至1.2%。一、二級摻混設(shè)施距離約為500m。

和摻混空氣相比，摻混煤礦乏風(fēng)，可以回收額外的瓦斯，對超低濃瓦斯利用是一種有益的補充。在外部條件允許的情況下應(yīng)予優(yōu)先考慮。丁集煤礦風(fēng)井距離RTO裝置較遠(yuǎn)，按7%濃度的低濃瓦斯摻0.23%的煤礦乏風(fēng)計算，經(jīng)濟流速下所需乏風(fēng)風(fēng)管直徑約2.3m，管徑較大，在工業(yè)廣場內(nèi)布置較為困難。因此工程實施時考慮就近摻混空氣。相對傳統(tǒng)的低濃瓦斯細(xì)水霧安全輸送系統(tǒng)、兩相流安全輸送系統(tǒng)或噴粉安全輸送系統(tǒng)，兩級摻混設(shè)計降低了瓦斯輸送系統(tǒng)的初始投資及運行費用，同時也解決了長距離低濃瓦斯安全輸送問題。

為了最大限度地利用RTO排煙余熱，提高裝置熱效率，將RTO的低溫?zé)煔膺M(jìn)行回用。在設(shè)計工況下，90000Nm3/h進(jìn)風(fēng)的RTO，除高溫?zé)煔馔?，尚?7000Nm3/h低溫?zé)煔?廠家資料說明高出進(jìn)風(fēng)溫度約50℃)從裝置排出。將部分低溫?zé)煔庖攵螕交煅b置入口作為配氣，既可以代替空氣稀釋瓦斯?jié)舛?，同時也加熱了RTO的進(jìn)風(fēng)，回收了低溫?zé)煔獾臒崮堋?/p>

超低濃瓦斯氧化部分工程建設(shè)規(guī)模為2×90000Nm3/h瓦斯氧化裝置+2×10t/h中溫中壓煙氣余熱蒸汽鍋爐+1×1MW背壓式汽輪發(fā)電機組+1×3MW凝汽式汽輪發(fā)電機組(后置機)，并配套建設(shè)超低濃瓦斯摻混系統(tǒng)。此部分工程在滿足煤礦蒸汽熱負(fù)荷的同時，兼顧發(fā)電。低溫?zé)崮芾貌糠止こ虒Χ〖旱V3臺820kW離心式空壓機冷卻系統(tǒng)和9臺600kW低濃瓦斯發(fā)電機組缸套水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，建設(shè)9×435kW+4×2204kW板換(含備用及保護(hù)板換)，提取空壓機余熱和瓦斯發(fā)電機組的缸套水余熱向煤礦提供洗浴熱水。

5 經(jīng)濟和社會效益

丁集煤礦超低濃瓦斯氧化與及低溫?zé)崮芾霉こ?019年1月25日通過72h試運轉(zhuǎn)，目前進(jìn)入試生產(chǎn)階段。經(jīng)測算，項目竣工投產(chǎn)后，全年發(fā)電量17.6GW·h，供熱量22萬GJ，扣除自用電后，全年外供電量11.3GW·h，供熱供電年創(chuàng)產(chǎn)值約1700萬元，年創(chuàng)利稅約370萬元，有著較好的經(jīng)濟效益。該工程每年回收利用的超低濃瓦斯約1555萬Nm3，直接減少二氧化碳排放20.3萬t。工程供電供熱替代煤炭當(dāng)量值及節(jié)煤量合計1.3萬t標(biāo)煤，間接減少二氧化碳排放3.3萬t，合計減排量達(dá)23.6萬t。另外新增就業(yè)崗位40余個，社會效益顯著。

6 結(jié) 語

利用超低濃瓦斯氧化進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，目前國內(nèi)成功案例屈指可數(shù)。該工程在丁集煤礦運轉(zhuǎn)情況完全達(dá)到了設(shè)計目的，燃煤鍋爐房關(guān)停，供熱替代平穩(wěn)過渡，既完成了的環(huán)保要求，又實現(xiàn)了經(jīng)濟效益。此外該工程通過BOT方式運行，還減輕了煤礦的供熱管理負(fù)擔(dān)。工程的成功離不開事前縝密籌劃。技術(shù)方案上反復(fù)比較，采用熱能梯級利用的方式，降低成本。工程運營管理上引入對RTO及熱電站有成熟運營經(jīng)驗的第三方團(tuán)隊，縮短建設(shè)周期和人員與設(shè)備的磨合期。各方面務(wù)必互相匹配、銜接有序，才能使得工程達(dá)到一個滿意解。

隨著政府部門對環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大，煤礦現(xiàn)有的環(huán)保措施不到位或蒸發(fā)量不達(dá)標(biāo)的燃煤鍋爐均被要求限期拆除或整改。發(fā)掘煤礦現(xiàn)有副產(chǎn)品或現(xiàn)有設(shè)施的供熱潛能，代替燃煤供熱，既是應(yīng)對環(huán)保壓力的可選之道，也是企業(yè)節(jié)能增效的有效之策。抽放排空的超低濃度瓦斯經(jīng)過氧化裝置的點石成金，變成有巨大供熱潛力高品質(zhì)能源，應(yīng)當(dāng)也必然會受到更多的重視。