乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)在黃陵礦區(qū)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

馬功社，閆 贊

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司是陜西煤業(yè)化工集團(tuán)所屬大型現(xiàn)代化核心企業(yè)，位于陜西省延安市黃陵縣店頭鎮(zhèn)，是國(guó)家“八五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，20項(xiàng)興陜工程之一?！笆濉逼陂g，堅(jiān)持發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，形成煤矸石發(fā)電、粉煤灰治磚、治水泥的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)了高碳產(chǎn)業(yè)低碳運(yùn)營(yíng)，黑色資源綠色開(kāi)采的環(huán)保型經(jīng)營(yíng)模式。近年來(lái)，黃陵礦業(yè)公司響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，深化綠色礦山示范礦井建設(shè)，在礦井開(kāi)采過(guò)程中形成廢棄物上下功夫，尤其把煤礦的“第一殺手”瓦斯當(dāng)作一種新的資源開(kāi)發(fā)和利用，先后在黃陵一號(hào)煤礦三號(hào)風(fēng)井、黃陵二號(hào)煤礦二號(hào)風(fēng)井實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽放泵站抽排瓦斯發(fā)電技術(shù)，堅(jiān)持企業(yè)發(fā)展生態(tài)優(yōu)先的戰(zhàn)略思想，減少瓦斯排空對(duì)大氣造成的污染[1-2]。但是在乏風(fēng)利用方面一直處于空白狀態(tài)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正意義瓦斯全利用、零排放，對(duì)黃陵礦業(yè)公司所處天然林保護(hù)區(qū)造成污染，正值黃陵礦業(yè)公司編制“十四五”發(fā)展規(guī)劃之際，乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)在“十四五”發(fā)展期間得到應(yīng)用和推廣很有必要。

1 工程背景

1.1 工程概況

黃陵礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣，屬于煤、油、氣共生礦區(qū)。井田含煤地層位侏羅系延安組，厚度50.64～150.81 m，平均厚度92.29 m，共含煤4層，自上而下依次為0號(hào)煤層、1號(hào)煤層、2號(hào)煤層和3號(hào)煤層。2號(hào)煤層為主要可采煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度0.8～6.3 m，平均厚度3.12 m，傾角3°～5°。煤層原始瓦斯含量1.47～7.9 m3/t，本煤層瓦斯、頂?shù)装逵托蜌赓x存極不均勻。黃陵礦業(yè)公司下屬四對(duì)生產(chǎn)礦井，其中一號(hào)煤礦、二號(hào)煤礦和雙龍煤業(yè)為高瓦斯礦井，瑞能煤業(yè)為低瓦斯礦井。為了確保礦井安全生產(chǎn)，對(duì)高瓦斯礦井堅(jiān)持“邊抽邊掘、先抽后采”的原則，每年排放到大氣中純瓦斯達(dá)1.54億Nm3，相當(dāng)于CO2排放量232萬(wàn)t。在這1.54億Nm3純瓦斯中，有1.04億Nm3純瓦斯經(jīng)過(guò)地面瓦斯抽放泵站抽排到大氣中。黃陵礦業(yè)公司近幾年踐行“高碳產(chǎn)業(yè)、低碳發(fā)展”綠色發(fā)展模式，先后在黃陵一號(hào)煤礦的三號(hào)風(fēng)井、二號(hào)煤礦的二號(hào)風(fēng)井建立了瓦斯發(fā)電廠，對(duì)瓦斯泵站抽排的瓦斯得到了充分利用，減少對(duì)大氣造成污染。但對(duì)0.5億Nm3風(fēng)排純瓦斯沒(méi)有利用，在“十四五”期間應(yīng)用乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)很有必要，徹底實(shí)現(xiàn)黃陵礦業(yè)公司瓦斯“零排放”。

1.2 煤礦瓦斯分類(lèi)及利用現(xiàn)狀

甲烷濃度高于30%的瓦斯，即為高濃度瓦斯。30%以上的抽放瓦斯被用作高濃度內(nèi)燃發(fā)電、管道民用燃?xì)?、LNG、CNG等，容易利用。甲烷濃度低于30%的瓦斯，即為低濃度瓦斯。8%～30%的抽放瓦斯部分用于低濃度內(nèi)燃發(fā)電，低濃度內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行受瓦斯氣源濃度、流量、壓力波動(dòng)影響，大部分低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行小時(shí)數(shù)偏低、維護(hù)成本高，且氮氧化物排放超標(biāo)[3]。甲烷濃度8%以下的抽放瓦斯和乏風(fēng)目前幾乎全被排空，利用率很低，對(duì)環(huán)境污染很大。

2 乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)

2.1 基本原理

煤礦在開(kāi)采時(shí)，為防止瓦斯爆炸、保障煤礦安全，向礦井鼓入新風(fēng)，從回風(fēng)井口排回空中的通風(fēng)氣流攜帶濃度低于0.75%的甲烷，稱(chēng)為風(fēng)排瓦斯，俗稱(chēng)“乏風(fēng)”。把抽放泵站的低濃度瓦斯摻混到乏風(fēng)里，使?jié)舛冗_(dá)到1.2%再導(dǎo)入蓄熱式高溫氧化裝置。極低濃度甲烷在高溫反應(yīng)腔里瞬間無(wú)火焰地氧化為水和二氧化碳[4]，圖1為乏風(fēng)及抽放瓦斯氧化技術(shù)發(fā)電與供熱基本原理示意圖。發(fā)電時(shí)，極低濃度甲烷在高溫反應(yīng)腔里瞬間氧化，并釋放出巨大氧化熱。熱能的一小部分用于維持反應(yīng)溫度，大部分熱能被導(dǎo)出到余熱鍋爐和水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)出過(guò)熱高壓水蒸氣，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。供熱時(shí)，冬季從汽輪機(jī)中間級(jí)抽出部分熱水蒸氣，并可利用汽輪機(jī)末端乏汽，為煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)井供暖，幫助煤礦完成政府下達(dá)的淘汰小型燃煤鍋爐的任務(wù)指標(biāo)[5]。

圖1 乏風(fēng)及抽放瓦斯氧化技術(shù)發(fā)電與供熱基本原理

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

蓄熱式高溫氧化裝置系統(tǒng)是乏風(fēng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，先用柴油(或者丙烷、液化氣)噴燃器把兩個(gè)塔里的陶瓷床加熱到900 ℃以上。當(dāng)乏風(fēng)通過(guò)第一個(gè)陶瓷床進(jìn)入上方的增壓燃燒室時(shí)，空氣的溫度上升到空氣里的甲烷被氧化。甲烷氧化的放熱反應(yīng)釋放出熱量。當(dāng)氣體進(jìn)入第二個(gè)較冷的陶瓷床時(shí)，陶瓷材料能有效地吸收熱量。只要乏風(fēng)中的甲烷濃度達(dá)到0.2%，這個(gè)系統(tǒng)就可以自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，用氧化熱能維持氧化過(guò)程，其工作原理如圖2所示。

圖2 雙塔蓄熱式高溫氧化裝置

為了保持在兩個(gè)陶瓷床之間(上方)的高溫區(qū)的溫度，需要每隔2 min就變換乏風(fēng)流入的方向(從一個(gè)塔的入口變到另一個(gè)塔的入口)。陶瓷床材料層，溫度分布均勻，不會(huì)因某處的高溫產(chǎn)生嚴(yán)重的熱氧氮化物。經(jīng)過(guò)熱平衡計(jì)算，在入口乏風(fēng)風(fēng)量為90 000 Nm3/h，甲烷濃度1.2%(每分鐘處理折純甲烷18 Nm3)，RTO可從蓄熱反應(yīng)室頂部產(chǎn)出950 ℃高溫?zé)犸L(fēng)24 000 Nm3/h，其余66 000 Nm3/h低溫排氣在50 ℃左右，通過(guò)低溫端直接排走。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及政策優(yōu)勢(shì)

3.1 乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

乏風(fēng)及抽放瓦斯氧化利用技術(shù)填補(bǔ)了乏風(fēng)及濃度低于8%的抽放瓦斯無(wú)法利用的技術(shù)空白。可以銷(xiāo)毀利用包括乏風(fēng)、低濃度和高濃度抽放瓦斯，在抽放瓦斯足夠的情況下可以銷(xiāo)毀全部乏風(fēng)，真正實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯零排放，極大提高瓦斯利用率。解決了乏風(fēng)直接排空過(guò)程中溫室氣體排放和煤塵微粒排放的問(wèn)題；克服了內(nèi)燃機(jī)發(fā)電引發(fā)的氮氧化物次生污染，目前該技術(shù)經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)氮氧化物排放低于檢出限2 mg/m3，為近零排放。實(shí)現(xiàn)了溫室氣體減排，甲烷的溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的25倍，以一個(gè)25 MW的乏風(fēng)及抽放瓦斯氧化熱電聯(lián)供項(xiàng)目為例，每年可實(shí)現(xiàn)碳減排134萬(wàn)t。可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱電聯(lián)供，從而可以替代煤礦燃煤鍋爐，解決煤礦面臨的環(huán)保壓力，冬季供暖期間可大大提高系統(tǒng)的熱能利用效率。

3.2 國(guó)家和地方優(yōu)惠政策

3.2.1 國(guó)家優(yōu)惠政策

國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的意見(jiàn)(國(guó)辦發(fā)〔2006〕47號(hào))[6]、國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)關(guān)于利用煤層氣發(fā)電工作實(shí)施意見(jiàn)(發(fā)改能源〔2007〕721號(hào))[7]、國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的意見(jiàn)(國(guó)辦發(fā)[2013]93號(hào))[8]，從電價(jià)、財(cái)政補(bǔ)貼、增值稅優(yōu)惠、所得稅優(yōu)惠等方面制定政策，以便促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據(jù)財(cái)政部、國(guó)家稅務(wù)總局(財(cái)稅〔2015〕78號(hào))文件相關(guān)規(guī)定，利用煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電，并且達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)條件(產(chǎn)品燃料95%以上來(lái)自所列資源)的一般增值稅納稅人，享受100%退稅比例[9]。國(guó)家發(fā)改委于2019年11月發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019年版)》[10]，“乏風(fēng)瓦斯發(fā)電技術(shù)及開(kāi)發(fā)利用”入選列為鼓勵(lì)類(lèi)投資項(xiàng)目。關(guān)于組織申報(bào)煤層氣(瓦斯)開(kāi)發(fā)利用財(cái)政補(bǔ)貼資金的通知(財(cái)辦建〔2008〕34號(hào))：發(fā)電自用可申請(qǐng)財(cái)政補(bǔ)貼[11]?！顿Y源綜合利用企業(yè)所得稅優(yōu)惠目錄(2008年版)》：應(yīng)納稅額按照90%計(jì)提[12]。

3.2.2 地方優(yōu)惠政策

根據(jù)陜西省人民政府辦公廳《關(guān)于進(jìn)一步加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的實(shí)施意見(jiàn)》(陜政辦發(fā)〔2014〕108號(hào))的規(guī)定，由省財(cái)政對(duì)煤炭、煤層氣企業(yè)開(kāi)采的煤層氣(煤礦瓦斯)出售或用作民用燃?xì)狻⒒ぴ霞坝糜诎l(fā)電的，根據(jù)可計(jì)量的實(shí)際利用量對(duì)企業(yè)給予0.1元/m3(折純)的補(bǔ)貼[13]。2019年5月29日，習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中央全面深化改革委員會(huì)第八次會(huì)議，審議通過(guò)了《關(guān)于在山西開(kāi)展能源革命綜合改革試點(diǎn)的意見(jiàn)》，要求山西發(fā)揮在推進(jìn)全國(guó)能源革命中的示范引領(lǐng)作用，促進(jìn)資源型地區(qū)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展，增強(qiáng)能源安全保障能力，提升綠色低碳發(fā)展水平[14]。2019年9月16日，山西省召開(kāi)了全省能源革命綜合改革試點(diǎn)動(dòng)員部署大會(huì)，駱惠寧書(shū)記深刻闡述了開(kāi)展能源革命綜合改革試點(diǎn)的重大意義，對(duì)推進(jìn)能源革命綜合改革試點(diǎn)作出全面部署，樓陽(yáng)生省長(zhǎng)圍繞抓好任務(wù)落實(shí)提出了具體要求，山西省政府推出了15項(xiàng)變革性、牽引性、標(biāo)志性重大舉措，其中在第2項(xiàng)“創(chuàng)新煤炭利用方式，提升清潔高效利用水平”明確提出建設(shè)乏風(fēng)及低濃度瓦斯發(fā)電項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)氮、硫、塵近零排放。關(guān)于“十三五”期間煤層氣(瓦斯)開(kāi)發(fā)利用補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的通知(財(cái)建〔2016〕31號(hào))、山西省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)《山西省煤礦瓦斯抽采全覆蓋工程實(shí)施方案》的通知(晉政辦發(fā)〔2015〕69號(hào))：山西省省財(cái)政補(bǔ)貼從0.05元/方提高到0.1元/方，中央財(cái)政補(bǔ)貼從0.2元/方提高到0.3元/方，瓦斯利用財(cái)政補(bǔ)貼合計(jì)0.4元/方[15]。山西省物價(jià)局《關(guān)于煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)有關(guān)問(wèn)題的通知》(晉價(jià)商字〔2011〕13號(hào))，規(guī)定上網(wǎng)電價(jià)為0.509元/度[16]。

4 結(jié)語(yǔ)

乏風(fēng)發(fā)電技術(shù)是對(duì)地面泵站抽排瓦斯發(fā)電的補(bǔ)充，是徹底實(shí)現(xiàn)瓦斯“零排放”的有力舉措。該項(xiàng)技術(shù)堅(jiān)持了企業(yè)發(fā)展生態(tài)優(yōu)先的戰(zhàn)略思想，每年消耗風(fēng)排純瓦斯0.5億Nm3，減少碳排放77.3萬(wàn)t，并享受?chē)?guó)家和地方優(yōu)惠政策，降低了財(cái)務(wù)成本。此項(xiàng)技術(shù)將給企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，值得“十四五”期間在黃陵礦區(qū)進(jìn)行推廣和應(yīng)用。