超低濃瓦斯蓄熱氧化技術(shù)在丁集煤礦供熱中的經(jīng)濟(jì)性分析

◎黨曉社

一、概述

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，作為一種新興的清潔、高效能源，隨著我國(guó)能源需求的不斷增長(zhǎng)和人們節(jié)能減排意識(shí)的增強(qiáng)，越來越受到人們青睞和關(guān)注。近10 年來，煤礦瓦斯綜合利用項(xiàng)目遍地開花，已逐步形成煤層氣梯級(jí)利用模式：

1. 對(duì)于地面井預(yù)抽甲烷體積分?jǐn)?shù)＞90%的瓦斯，以PNG、CNG、LNG 方式運(yùn)用于工業(yè)和民用；

2.對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)在[30%-90%]也叫高濃瓦斯，主要用于民用和工業(yè)燃料或高濃瓦斯發(fā)電；

3.對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)在（7%-30%）也叫低濃瓦斯，主要用于低濃瓦斯發(fā)電，截止到2018 底，我國(guó)低濃度煤層氣發(fā)電總裝機(jī)容量約為200 萬kW，發(fā)電站400 余座，是現(xiàn)階段我國(guó)煤層氣利用主要形式；

4.對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)在（1%-7%）也叫超低濃瓦斯，將其與空氣或者礦井乏風(fēng)摻混后進(jìn)入氧化爐蓄熱氧化通過余熱鍋爐后產(chǎn)生過過熱蒸汽發(fā)電或者向礦區(qū)供熱，目前在我國(guó)處于起步發(fā)展階段；

5.對(duì)于甲烷體積分?jǐn)?shù)《0.75%礦井通風(fēng)排風(fēng)（礦井乏風(fēng)）蓄熱氧化設(shè)備還處于技術(shù)研發(fā)儲(chǔ)備階段，沒有成功應(yīng)用案例。相信在不久的將來，將會(huì)實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯全濃度利用，極大提升煤層氣的利用率。

二、超低濃瓦斯利用項(xiàng)目案例

1.項(xiàng)目背景。

根據(jù)安徽省、淮南市關(guān)于大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃及整治城區(qū)燃煤鍋爐方案的總體部署，淮南潘謝礦區(qū)多數(shù)生產(chǎn)礦井均需對(duì)礦內(nèi)的燃煤鍋爐房進(jìn)行關(guān)停，而丁集煤礦在用的燃煤鍋爐也在淘汰范圍內(nèi)。一旦將燃煤鍋爐淘汰，必須有新的熱源來替代，同時(shí)新的熱源還需滿足最新的環(huán)保要求。

2.丁集礦替代熱源的分析。

在研究選擇丁集礦替代能源之前，通過實(shí)地調(diào)研可知丁集煤礦的現(xiàn)狀熱負(fù)荷主要為夏季礦井降溫用汽熱負(fù)荷和冬季井筒防凍蒸汽熱負(fù)荷，占總負(fù)荷的54%～72%，其余熱水負(fù)荷約占總負(fù)荷的28%～46%。因此新替代熱源須以生產(chǎn)高品位蒸汽熱能為主，通過汽水換熱器輔助生產(chǎn)采暖熱水，或者多種熱源組合。下面就丁集礦可利用的能源做一一分析。

燃煤供熱作為最傳統(tǒng)的供熱方式，目前由于環(huán)保與節(jié)能減排的原因，分散燃煤小鍋爐已經(jīng)被淘汰，只有熱效率較高的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)可供使用。目前丁集礦周邊距離已有的鳳臺(tái)熱電廠直線距離僅10 公里，但由于煤礦和鳳臺(tái)電廠是由不同地方政府聯(lián)合建設(shè)，若引入電廠蒸汽進(jìn)行供熱，涉及到各方利益均衡問題，而建設(shè)新熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目涉及到嚴(yán)格的政府審批手續(xù)和煤炭指標(biāo)問題，因此燃煤供熱方式不現(xiàn)實(shí)。

采用電力供熱不節(jié)能，研究發(fā)現(xiàn)利用電力供熱，一次能源利用效率不到30%，同時(shí)電力供熱，導(dǎo)致運(yùn)行成本高。因此，電供熱不應(yīng)成為丁集煤礦的供熱方式。

對(duì)于燃?xì)夤?，丁集礦目前周邊沒有穩(wěn)定的天然氣氣源，當(dāng)?shù)靥烊粴鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃也沒有預(yù)留供熱用氣指標(biāo)，因此丁集煤礦目前不具備此條件。但丁集煤礦開采過程中抽采的煤礦瓦斯可以作為燃?xì)獾臍庠?，除去目前瓦斯發(fā)電機(jī)組及煤泥烘干耗氣量，還有最大約39.7 Nm3/min 純量瓦斯氣可供使用。

礦井回風(fēng)熱能利用方案是利用礦井回風(fēng)熱能，通過回風(fēng)換熱器換熱得到10℃～20℃左右的熱水，經(jīng)過水源熱泵系統(tǒng)提取熱量后，得到45℃左右的熱水供浴室洗浴，不僅需購(gòu)置熱泵機(jī)組、水泵、冷卻塔、回風(fēng)換熱器等設(shè)備，還需要場(chǎng)地新建水池、機(jī)房等建構(gòu)筑物，導(dǎo)致工程量大，投資高。

風(fēng)排瓦斯氧化供熱方案是以煤礦風(fēng)排瓦斯（甲烷濃度為1%）作為原料，進(jìn)行氧化反應(yīng)，并利用氧化裝置排出的高溫?zé)煔猱a(chǎn)生飽和蒸汽，供礦區(qū)取暖、制冷或洗澡等。由于丁集煤礦礦井回風(fēng)井甲烷濃度均在0.2 左右，達(dá)不到氧化濃度，就目前的技術(shù)還無法有效利用。

目前丁集煤礦安裝有高低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組共11 臺(tái)，除高溫?zé)煔庥酂徇\(yùn)用在煤泥烘干外，高溫缸套水可供余熱量約2223kW，除此之外，空壓機(jī)和瓦斯抽采泵設(shè)備冷卻排熱可回收熱量平均約2766kW，余熱回收可滿足洗浴熱負(fù)荷。

3.丁集礦替代熱源的選擇。

丁集煤礦最終采用蒸汽和熱水分別供應(yīng)、能源梯級(jí)利用的整體方案解決燃煤鍋爐替代問題。利用低濃瓦斯和空氣摻混成超低濃瓦斯進(jìn)行氧化產(chǎn)熱制蒸汽，回收瓦斯發(fā)電高溫缸套水、壓風(fēng)機(jī)和瓦斯抽放泵余熱制取洗浴熱水。經(jīng)過各種供熱方案整合、優(yōu)化和比較后，擇優(yōu)建設(shè)2 臺(tái)低濃瓦斯蓄熱氧化爐+1 臺(tái)1.15MW 背壓汽輪發(fā)電機(jī)組+1 臺(tái)2.7 MW 凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了完全取締燃煤鍋爐房向礦井供熱。

丁集煤礦礦井瓦斯儲(chǔ)量49.77 億m3，可抽放瓦斯總量9.77億m3，瓦斯資源較豐富，建有地面永久新、老瓦斯抽放站各一座，共安裝10 臺(tái)瓦斯抽采泵，正常運(yùn)行4 用6 備。根據(jù)礦方提供的2016 年～2020 年礦井瓦斯綜合治理指標(biāo)規(guī)劃匯總表可知，濃度＞30%可送至利用地點(diǎn)的瓦斯平均抽采量約26.57m3/min，濃度10 ～30%可送至利用地點(diǎn)的瓦斯平均抽采量約57.13m3/min。目前，丁集礦已安裝有9 臺(tái)700KW 低濃瓦斯發(fā)電機(jī)組，正常運(yùn)行8 臺(tái)；同時(shí)建設(shè)2 臺(tái)1800kW 高濃瓦斯發(fā)電機(jī)組以及以及1 臺(tái)低濃煤泥烘干氧化床，合計(jì)的耗氣量為44Nm3/min，去除已利用瓦斯尚有39.7 Nm3/min 純量可利用。

三、超低濃瓦斯氧化技術(shù)方案選擇和設(shè)備配置

目前國(guó)內(nèi)外超低濃瓦斯氧化設(shè)備主要有蓄熱熱氧化（簡(jiǎn)稱RTO）、蓄熱式催化燃燒法（簡(jiǎn)稱RCO）2 條技術(shù)路線。其優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見下表：

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通過以上比較，按照技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定的原則，本工程選擇蓄熱熱氧化（即RTO）技術(shù)方案，蓄熱氧化裝置進(jìn)瓦斯?jié)舛取?.2%。

四、超低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)

由于丁集礦除去現(xiàn)有瓦斯低濃瓦斯發(fā)電站和高濃瓦斯發(fā)電站耗用的瓦斯量后，還有39.7Nm3/min 純量瓦斯可用蓄熱氧化供熱系統(tǒng)，由于煤礦井筒防凍蒸汽負(fù)荷保證礦井提升系統(tǒng)冬季安全運(yùn)行的安保負(fù)荷。因此，無論瓦斯抽采量如何變化，必須確保蓄熱氧化供熱系統(tǒng)的供氣量。已有瓦斯抽放站抽出的是低濃瓦斯（濃度10%～30%）和高濃瓦斯（30%），同時(shí)抽放站已無場(chǎng)地建設(shè)蓄熱氧化供熱系統(tǒng)，因此需要摻混空氣使其濃度降低到爆炸濃度5%以下，才能夠安全輸送，借鑒該礦已運(yùn)行的瓦斯氧化制取熱風(fēng)煤泥烘干系統(tǒng)成功案例，本工程設(shè)兩套超低濃瓦斯氧化系統(tǒng)，每套系統(tǒng)采用兩級(jí)瓦斯摻混工藝。其中初始配氣設(shè)在抽放站內(nèi)，氣源引自抽放站，初始配氣瓦斯?jié)舛葹椋?%；第二級(jí)摻混設(shè)在乏風(fēng)氧化場(chǎng)地，≤3%瓦斯氣源來自一級(jí)摻混的出氣管。每套瓦斯配氣及輸送工藝流程擬定如下：

瓦斯抽放站配氣（＜5%）→復(fù)合阻火器→瓦斯與空氣摻混器→≤3%瓦斯氣→瓦斯輸送管路→濕式放散閥→復(fù)合式阻火器→瓦斯與空氣摻混器→二次風(fēng)機(jī)→1～1.2%瓦斯氣→瓦斯氧化爐。

其中第一級(jí)摻混采用變頻風(fēng)機(jī)往瓦斯摻混器里壓風(fēng)，根據(jù)一級(jí)摻混器出口瓦斯?jié)舛瓤刂骑L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及出風(fēng)口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)摻混的空氣量；第二級(jí)摻混采用風(fēng)機(jī)（摻混器自帶）負(fù)壓吸風(fēng)，確保一、二級(jí)摻混器出口濃度滿足設(shè)計(jì)要求。

五、超低濃瓦斯氧化綜合供能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

丁集煤礦為了完全替代燃煤鍋爐房，將超低濃瓦斯蓄熱氧化后的高溫?zé)煔馑腿霟煔庥酂徨仩t，生產(chǎn)蒸汽供冬季礦井井筒保溫供熱或者夏季井下降溫使用，礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)余熱通過回收制取熱水可以滿足洗浴、采暖和干衣的要求。本文單就低濃瓦斯蓄熱氧化供熱進(jìn)行了2 個(gè)方案比較。

方案Ⅰ：超低濃瓦斯氧化煙氣余熱蒸汽鍋爐配背壓機(jī)和后置機(jī)供汽和發(fā)電。建設(shè)2 臺(tái)90000Nm3/h 瓦斯蓄熱熱氧化爐，配置2 臺(tái)蒸發(fā)量10t/h 余熱蒸汽鍋爐，蒸汽參數(shù)3.82MPa（g）/400℃，正常運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)量按單臺(tái)10t/h 出力。配套建設(shè)1 臺(tái)B1。15-3.82/0.8 背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組和1 臺(tái)N2.7-0.8 凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，背壓機(jī)組排汽參數(shù)0.8MPa/282℃。夏季排汽全部減溫后用于溴化鋰機(jī)組制冷的熱源；秋季部分排汽減溫后用于溴化鋰機(jī)組制冷的熱源，剩余排汽進(jìn)入后置機(jī)發(fā)電。冬季部分排汽減溫后用于井筒保溫，部分進(jìn)入后置機(jī)發(fā)電。春季礦井無蒸汽熱負(fù)荷時(shí)，全部背壓機(jī)組排汽進(jìn)入后置機(jī)發(fā)電。瓦斯氧化裝置進(jìn)氣的瓦斯?jié)舛葹?%。

方案Ⅱ：瓦斯氧化煙氣余熱蒸汽鍋爐直供汽。建設(shè)2 臺(tái)90000Nm3/h 瓦斯氧化裝置，同時(shí)配置2 臺(tái)蒸發(fā)量10t/h 余熱蒸汽鍋爐，蒸汽參數(shù)0.8MPa（g）/184℃。瓦斯氧化裝置進(jìn)氣的瓦斯?jié)舛葹?%。，冬季和夏季2 臺(tái)鍋爐全部運(yùn)行，滿足冬季井筒防凍、建筑采暖、職工洗浴和夏季井下降溫；春季和秋季1 臺(tái)鍋爐運(yùn)行，滿足礦井局部區(qū)域降溫和和職工洗浴熱水的補(bǔ)熱。

方案Ⅰ與方案Ⅱ的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表2，建設(shè)投資與運(yùn)營(yíng)收入比較見表3。

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由表2 可見，方案Ⅰ較方案Ⅱ在相同供熱量的基礎(chǔ)上，可以額外發(fā)電，除滿足自身需求外，可外供電量989 萬kWh/a，按0.6 元/kWh 替代外購(gòu)電量，每年可為煤礦節(jié)約電費(fèi)支出約593萬元，方案Ⅱ需外購(gòu)電量，每年電費(fèi)支出約88 萬元。兩方案均能代替燃煤鍋爐，但方案方案Ⅰ較方案Ⅱ更為節(jié)能。此外，方案Ⅰ較方案Ⅱ能消耗更多瓦斯量，有利于減排。

方案Ⅱ較方案Ⅰ由于減少了發(fā)電設(shè)備與廠房，投資更省，就供熱而言全廠熱效率更高。方案Ⅱ瓦斯消耗量較少且春、秋季不需供熱或少供熱，期間可以兩臺(tái)氧化爐全?；蛲Ｒ慌_(tái)。丁集煤礦目前已有高、低濃瓦斯發(fā)電、瓦斯氧化煤泥烘干等瓦斯綜合利用項(xiàng)目，且瓦斯抽采具有波動(dòng)性，瓦斯保障壓力較大。方案Ⅱ較方案Ⅰ瓦斯消耗量少，有利于減輕瓦斯供應(yīng)的壓力。

方案Ⅰ與方案Ⅱ的建設(shè)投資與運(yùn)營(yíng)收入比較見表3。

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由表3 可見，方案Ⅱ較方案Ⅰ投資節(jié)省近1500 萬元左右，但是年收入合計(jì)較方案Ⅰ少833 萬元左右。

因此，從節(jié)能減排的角度考慮，本工程選擇方案Ⅰ作為主導(dǎo)方案。

通過對(duì)丁集煤礦超低濃瓦斯蓄熱氧化項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)完全取代燃煤鍋爐房目標(biāo)，滿足省市2 級(jí)政府的大氣污染防治要求，并且年利用超低濃瓦斯氣約1675 萬Nm3，每年不僅向丁集礦供蒸汽50667t，還向丁集礦供電約990 萬kWh，每年實(shí)現(xiàn)直接經(jīng)濟(jì)效益335 萬元，每年可節(jié)約煤礦生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用（間接經(jīng)濟(jì)效益）約1226 萬元。本工程的運(yùn)行實(shí)踐不僅將超低濃瓦斯氣變廢為寶，為煤礦清潔化生產(chǎn)開辟了一條蹊徑，還為瓦斯氣全濃度范圍使用起到積極地示范作用。

六、結(jié)束語

文章通過一個(gè)工程實(shí)例，闡述了超低濃瓦斯蓄熱氧化在煤礦節(jié)能減排及供熱改造項(xiàng)目中的應(yīng)用，目的在于提出研究煤礦超低濃瓦斯變廢為寶、節(jié)能減排工作的一種新方法，供煤礦工程相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考，實(shí)現(xiàn)國(guó)家煤礦瓦斯梯級(jí)利用進(jìn)一步發(fā)展。