煤礦乏風(fēng)瓦斯綜合利用新技術(shù)助力碳減排

文 /成由甲 彭 聰

近20年來，溫室氣體過度排放，導(dǎo)致全球變暖加速、海平面上升等問題，嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境。在《京都議定書》中明確表明的6種溫室氣體中，甲烷的溫室效應(yīng)較大，是二氧化碳的25倍。而在煤炭開采過程中，會(huì)導(dǎo)致瓦斯（甲烷）的外排，造成環(huán)境污染。為減少瓦斯帶來的污染問題，大多煤礦均提出了“以用促抽、以抽保安”的基本措施來解決煤礦的安全問題。在保證煤礦安全的大前提下，2020年全國(guó)煤礦抽采瓦斯140億m3，但仍有53億m3直排進(jìn)入大氣，這不僅造成能源浪費(fèi)，也是氣候變暖的重要成因之一。在“雙碳”政策、逐步取締燃煤鍋爐的背景下，以蓄熱式氧化技術(shù)摧毀甲烷，可減少污染，助力實(shí)現(xiàn)碳減排，同時(shí)配建分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，可為煤礦供電供熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)雙收益。

一、低濃度瓦斯利用途徑

煤礦瓦斯按產(chǎn)生方式分為風(fēng)排瓦斯和抽放瓦斯兩種。其中，風(fēng)排瓦斯被稱為乏風(fēng)，其甲烷含量一般為0.2%～0.6%；抽放瓦斯按濃度又分為高濃度瓦斯（甲烷含量≥30%）和低濃度瓦斯（甲烷含量＜30%）。其中，高濃度瓦斯與9%以上的低濃度瓦斯可分別被用作燃料和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電；9%以下的低濃度瓦斯利用途徑是：首先與乏風(fēng)或空氣摻混至甲烷濃度為1.2%，然后通過蓄熱氧化技術(shù)使甲烷氧化產(chǎn)生熱量，通過鍋爐、換熱器等進(jìn)行余熱回收，進(jìn)而供熱或發(fā)電。

乏風(fēng)及低濃度瓦斯蓄熱氧化利用分兩大部分。第一部分是乏風(fēng)及低濃度抽放瓦斯氧化系統(tǒng)，乏風(fēng)及抽放瓦斯經(jīng)過安全采集并摻混達(dá)到1.2%甲烷濃度后，輸送至蓄熱氧化裝置，摻混氣體在930℃±25℃的高溫環(huán)境中瞬間氧化，釋放氧化熱，這些氧化熱除滿足裝置自身熱量需求，還會(huì)產(chǎn)生大量余熱，這部分熱量以高溫?zé)煔鈴难趸b置頂部引出后，進(jìn)入余熱回收設(shè)備。第二部分是余熱利用，來自氧化裝置的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，引入汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，同時(shí)也可供熱。

在低濃度瓦斯利用途徑中，蓄熱氧化技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)氧化溫度只有950℃，而內(nèi)燃發(fā)電機(jī)溫度高達(dá)1200℃以上，該技術(shù)的應(yīng)用從根本上解決了內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)煙氣NOx超標(biāo)的環(huán)保難題。

蓄熱氧化裝置主體結(jié)構(gòu)由氧化室、填裝陶瓷的蓄熱室和切換閥組成。蓄熱氧化裝置示意圖如圖1所示。

圖1 蓄熱氧化裝置示意圖

裝置在運(yùn)行前期，先要預(yù)熱，使蓄熱床層蓄積一定熱量，形成從常溫到900℃的溫度梯度。在正常運(yùn)行階段，1.2%甲烷濃度的摻混氣由引風(fēng)機(jī)送入蓄熱室A，被加熱至氧化溫度以上，甲烷在氧化室釋放氧化熱產(chǎn)生高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔庖徊糠滞ㄟ^蓄熱室B被冷卻后排放，一部分通過余熱回收設(shè)備（熱水換熱器、鍋爐）進(jìn)行余熱回收后排放。在一定時(shí)間后，蓄熱室A熱量減少，蓄熱室B則蓄積了大量熱量，通過閥門切換，乏風(fēng)從蓄熱室B進(jìn)入，蓄熱室A排放，如此周期性切換，便可連續(xù)運(yùn)行。

二、國(guó)內(nèi)外瓦斯蓄熱氧化技術(shù)利用現(xiàn)狀

對(duì)極低濃度的煤礦礦井乏風(fēng)及低濃度抽放瓦斯的利用，經(jīng)蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）摧毀甲烷并余熱回收，在德國(guó)、美國(guó)和澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家已有成功應(yīng)用。澳大利亞的Applin煤礦于2001年起，運(yùn)行了VOCSIDIZERTM第1個(gè)商業(yè)化模式案例（VOCSI-DIZERTM為一種氧化利用系統(tǒng)），回收熱量并生產(chǎn)蒸汽。2007年，澳大利亞西崖煤礦的VOCSI-DIZERTM項(xiàng)目開始運(yùn)行，通過摻混抽采瓦斯，將乏風(fēng)中甲烷體積分?jǐn)?shù)提高至0.9%，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。

國(guó)內(nèi)最早開展該技術(shù)應(yīng)用的是陜西大佛寺煤礦，但是由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，采用的國(guó)產(chǎn)瓦斯氧化裝置效率非常低，項(xiàng)目沒有取得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，目前處于停產(chǎn)狀態(tài)。之后，我國(guó)又陸續(xù)建成十幾個(gè)低濃度煤層氣氧化利用項(xiàng)目，早期的項(xiàng)目大多數(shù)未能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，其主要原因：一是低濃度瓦斯氧化系統(tǒng)自身能耗較高、投資大；二是熱能利用調(diào)控方面規(guī)劃不合理、技術(shù)不夠完善。

2017年以來，隨著蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）在揮發(fā)性有機(jī)物（VOCS）廢氣治理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，技術(shù)突飛猛進(jìn)、成本大幅降低；以蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）為核心設(shè)備的“低濃度瓦斯供熱、發(fā)電”項(xiàng)目利潤(rùn)空間增大，隨著國(guó)家核證自愿減排量（CCER）重啟及碳交易的到來，此項(xiàng)目前景愈發(fā)廣闊。

近年來，我國(guó)已有部分企業(yè)開始嘗試引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，開拓乏風(fēng)瓦斯發(fā)電技術(shù)和應(yīng)用市場(chǎng)。其中，山西潞安高河煤礦采用德國(guó)DURR技術(shù)、陽煤集團(tuán)桑掌煤礦采用美國(guó)ANGUIL技術(shù)，分別完成了示范工程，均取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是由于引進(jìn)初期選擇的國(guó)外技術(shù)較為落后，尤其是蓄熱式氧化焚燒爐（RTO）僅采用第一代技術(shù)的2室RTO，加上投資運(yùn)營(yíng)主體不穩(wěn)定，項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)沒有達(dá)到最佳狀態(tài)，與初期設(shè)想存在一定的差距。即便如此，這兩個(gè)示范項(xiàng)目仍然展現(xiàn)了低濃度乏風(fēng)瓦斯發(fā)電技術(shù)廣闊的環(huán)境治理優(yōu)勢(shì)和碳減排效果。

三、旋轉(zhuǎn)式蓄熱氧化技術(shù)在乏風(fēng)氧化應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有乏風(fēng)及低濃度瓦斯蓄熱氧化利用項(xiàng)目中，大部分采用的是國(guó)外落后的2室RTO，該裝置甲烷摧毀效率低、熱穩(wěn)定性差，在國(guó)內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）治理行業(yè)已逐漸趨于淘汰。采用第二代3室RTO的也較少。

目前，第三代技術(shù)的12室旋轉(zhuǎn)RTO最為先進(jìn)，其氧化分解效率可提高至99.5%，余熱回收效率可達(dá)到97%。旋轉(zhuǎn)式RTO技術(shù)來源于德國(guó)，隨著技術(shù)壁壘的突破及國(guó)產(chǎn)化，補(bǔ)足了我國(guó)大氣污染裝備和技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的短板，解決了大氣污染治理設(shè)備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的問題。

在煤礦乏風(fēng)與低濃度瓦斯利用實(shí)際應(yīng)用中，第二代3室RTO投資高、占地大，不適合超低濃度瓦斯的綜合利用，故多采用2室RTO和旋轉(zhuǎn)式RTO，現(xiàn)就單臺(tái)10萬Nm3/h處理量將兩種RTO設(shè)備進(jìn)行對(duì)比。2室RTO與旋轉(zhuǎn)式RTO性能對(duì)比如表1所示。

表1 2室RTO與旋轉(zhuǎn)式RTO性能對(duì)比

四、采用旋轉(zhuǎn)式蓄熱氧化技術(shù)可取得的效果

通過應(yīng)用旋轉(zhuǎn)式蓄熱氧化技術(shù)和國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式RTO設(shè)備，既可提高甲烷的摧毀效率，減少污染，助力碳減排，還可使企業(yè)降低成本、提高效益。

一是減少環(huán)境污染。在“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略背景下，以蓄熱氧化技術(shù)摧毀煤礦乏風(fēng)中的甲烷、微塵，對(duì)于碳減排和霧霾治理具有重要意義，具有良好的社會(huì)效益。

二是產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。由于目前煤礦禁止使用小噸位燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t取熱，通過此技術(shù)可進(jìn)行供熱，解決煤礦井筒加熱、煤泥烘干、員工洗澡等問題，經(jīng)濟(jì)效益明顯。同時(shí)，隨著CCER重啟，碳排放交易也可產(chǎn)生部分收益。

三是降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本。國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)式RTO在煤炭行業(yè)的應(yīng)用，具有淘汰落后技術(shù)及打破國(guó)外壟斷的雙重作用，而且通過技術(shù)的升級(jí)換代，可將甲烷的摧毀效率提高5%、熱回收效率提高2%，將乏風(fēng)氧化發(fā)電項(xiàng)目的投資負(fù)荷從10000元/kW·h降低到8000元/kW·h，同時(shí)可降低運(yùn)營(yíng)企業(yè)的設(shè)備維護(hù)成本，提高設(shè)備可靠性，確保年運(yùn)行時(shí)間不低于8000h。