張永杰,肖樂,周方亮
1.河南平煤神馬環(huán)保節(jié)能有限公司,河南 平頂山 467000;2.河南平煤神馬節(jié)能科技有限公司,河南 平頂山 467000
瓦斯氣的主要成分為氧氣、氮氣、二氧化碳和甲烷[1]。由于技術(shù)限制,煤炭開采過程中抽(風(fēng))排的低濃度瓦斯氣(即瓦斯中甲烷的體積分?jǐn)?shù)低于8%的瓦斯氣)一直未能得到有效的回收利用,被迫放空,造成資源浪費及環(huán)境污染[2-3]。甲烷的溫室效應(yīng)比CO2高25倍[4],每利用1 kg甲烷相當(dāng)于減排21 kg CO2[5-6]。抽采瓦斯并加以利用是降低開采過程中的瓦斯涌出量、防止瓦斯超限和積聚、預(yù)防瓦斯爆炸和煤與瓦斯突發(fā)事故及提高煤礦尾氣附加值的重要措施[7-9]。
平頂山的某礦井富含瓦斯,低濃度瓦斯若直接排空而不利用,既浪費大量潔凈能源,又污染大氣環(huán)境,因此擬在2個煤礦共用的一個瓦斯抽放站建設(shè)一套瓦斯氧化余熱利用裝置,采用瓦斯氧化工藝技術(shù)對抽(風(fēng))排放的低濃度瓦斯進(jìn)行氧化處理,產(chǎn)生的蒸汽替代原有燃煤鍋爐向礦區(qū)供熱,并入礦區(qū)蒸汽管網(wǎng)(供暖或制冷),供礦區(qū)生活、生產(chǎn),回收利用抽排的煤層氣,替代燃煤,減少資源浪費與環(huán)境污染。
礦方提供的技術(shù)資料顯示,2個礦井煤炭工業(yè)儲量約為9500 萬t,礦井可采儲量約為8200 萬t,礦井服務(wù)時間為 35~45 a。2個礦井可抽瓦斯儲量為6億m3,年瓦斯抽采量約為900萬m3,瓦斯抽采時間約為40 a。目前這2個礦井每年煤炭開采量約為150~200萬t,抽排乏風(fēng)瓦斯(折合瓦斯純量)約500~600萬m3。2個礦區(qū)的瓦斯抽采泵布置在同一個抽放泵站內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)狀況下礦區(qū)1抽采泵抽采的瓦斯氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)約為2%,為煤礦抽排乏風(fēng)超低濃度瓦斯,可供瓦斯氧化裝置利用的瓦斯(折合為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的純瓦斯,以下皆同)的體積流量為10 m3/min;礦區(qū)2抽采泵抽采的瓦斯氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)約為0.6%,可供瓦斯氧化裝置利用的瓦斯體積流量為1.08 m3/min,總計可供氧化裝置利用的瓦斯的體積流量為11.08 m3/min。由于低濃度瓦斯抽采的不穩(wěn)定性,瓦斯的體積流量和體積分?jǐn)?shù)存在一定的波動。隨著煤礦的井下瓦斯抽采工藝優(yōu)化,抽放泵站可提供瓦斯的體積流量不少于12 m3/min。根據(jù)2個礦的抽排瓦斯氣源現(xiàn)狀,采用抽排瓦斯摻混空氣方案實現(xiàn)抽排乏風(fēng)超低低濃度瓦斯的余熱利用,達(dá)到氧化裝置進(jìn)氣濃度要求。從煤礦瓦斯抽放站抽取部分瓦斯氣體摻混空氣,通過氧化裝置產(chǎn)出熱風(fēng),熱風(fēng)通入余熱鍋爐產(chǎn)出飽和蒸汽,供礦區(qū)利用。
由于本項目中可利用的煤礦抽排瓦斯氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)不超過7%,為超低濃度抽排乏風(fēng)瓦斯,無法直接發(fā)電,因此采用瓦斯蓄熱氧化工藝[10-13],將瓦斯收集,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化從而加以利用,根據(jù)煤礦瓦斯抽放數(shù)據(jù),在共用抽放泵站附近的空地上建設(shè)1個瓦斯蓄熱氧化站,安裝1臺體積流量為60 000 m3/h的瓦斯氧化裝置,配套1臺余熱鍋爐,站內(nèi)配套有余熱利用系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及其他輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。從煤礦瓦斯抽放站抽取低濃度瓦斯氣體,摻混空氣后進(jìn)入氧化裝置產(chǎn)出熱風(fēng),熱風(fēng)通入余熱鍋爐形成壓力為0.6 MPa的飽和蒸汽或壓力為2.5 MPa、溫度為400 ℃ 的過熱蒸汽,一定程度上代替礦區(qū)原有燃煤鍋爐供礦區(qū)冬季采暖及井口保溫,實現(xiàn)節(jié)能減排、清潔供暖。
將礦區(qū)瓦斯抽放泵站抽排的甲烷的體積分?jǐn)?shù)低于7%的瓦斯,利用低濃度瓦斯細(xì)水霧輸送系統(tǒng)輸送到瓦斯氧化裝置中,與空氣混合,使進(jìn)入瓦斯氧化裝置的甲烷的體積分?jǐn)?shù)為 1.2%。在混合裝置后安裝濃度傳感器,根據(jù)甲烷的體積分?jǐn)?shù)控制低濃度瓦斯輸送總管線上的電動閥,控制混合后甲烷的體積分?jǐn)?shù)為1.2%。抽排乏風(fēng)超低濃度瓦斯經(jīng)阻火器、瓦斯?jié)舛葯z測器,到達(dá)濕式放散閥,再經(jīng)復(fù)合式水封阻火器,可充分保障安全,混合氣在氣動調(diào)節(jié)閥的控制下進(jìn)入瓦斯與空氣混合器,再次進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測后,控制流量,在緊急切斷閥的控制下進(jìn)入風(fēng)機(jī),然后送至瓦斯氧化裝置。在瓦斯氧化裝置中進(jìn)行熱交換,高溫?zé)犸L(fēng)送至煙氣鍋爐制取飽和蒸汽。抽排乏風(fēng)超低濃度瓦斯再生式熱氧化處理(regenerative thermal oxidation,RTO)系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。
圖1 YXN60-1.0型抽排乏風(fēng)超低濃度瓦斯氧化RTO系統(tǒng)工藝流程圖
利用煤礦抽排的甲烷體積分?jǐn)?shù)低于7%的瓦斯氣,采用立式兩床蓄熱氧化裝置,利用雙向熱逆流蓄熱氧化技術(shù),氧化裝置的主要結(jié)構(gòu)包括:2個進(jìn)(出)氣腔,2個內(nèi)部裝填有蓄熱陶瓷、立式結(jié)構(gòu)的蓄熱室,頂部一個能夠同時設(shè)置起動或助燃燃燒系統(tǒng)、完成加熱起動及助燃自維持運行的大空腔(熱氧化室)[14-16]。
2.2.1 加熱起動
通過氧化室設(shè)置的燃燒系統(tǒng),使用柴油燃料燃燒放出大量高溫?zé)煔?,加熱氧化室,并通過切換閥換向,實現(xiàn)高溫?zé)煔鈱π顭崾姨沾傻念A(yù)熱升溫,待蓄熱室、氧化室溫度升至一定溫度后,通入有機(jī)氣體,利用氧化區(qū)高溫環(huán)境,對瓦斯進(jìn)行氧化。
2.2.2 自維持運行
加熱起動完成后,裝置轉(zhuǎn)入自維持運行階段,當(dāng)混合后甲烷的體積分?jǐn)?shù)相對較大、熱值能夠滿足裝置自維持運行要求時,氧化室燃燒系統(tǒng)停止助燃,僅通助燃風(fēng)。
2.2.3 熱利用
當(dāng)混合后甲烷的體積分?jǐn)?shù)及熱值相對較高,在裝置自維持運行的同時,可以從裝置頂部氧化室抽取部分高溫?zé)煔膺M(jìn)行外置換熱綜合利用。瓦斯氧化裝置工作原理如圖2所示。
圖2 瓦斯氧化裝置工作原理圖
由圖2可知:通過柴油燃燒器完成氧化裝置加熱起動,并在蓄熱室、氧化室中建立起瓦斯氧化所需的高溫環(huán)境,通入摻混好的混風(fēng)瓦斯進(jìn)行氧化,氧化釋放出的熱量一部分蓄積在蓄熱陶瓷中,用于維持瓦斯氧化所需的高溫環(huán)境,一部分隨低溫排放氣排放至大氣,大部分熱量從高溫?zé)煔獬隹谂懦?,用于外置換熱利用。氧化裝置通過切換閥進(jìn)行周期性換向,進(jìn)氣側(cè)預(yù)熱,周而復(fù)始,完成氧化裝置周期性切換及自維持運行。瓦斯蓄熱氧化裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 瓦斯氧化裝置主要技術(shù)參數(shù)
2.3.1 主體工程
1)瓦斯輸送摻混系統(tǒng)。接2個礦井瓦斯抽放站,架空敷設(shè),管徑為1400 mm,直接輸送至氧化裝置處,混入空氣,由于2個礦井抽排的瓦斯氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)小于3%,根據(jù)文獻(xiàn)[17]的有關(guān)規(guī)定,不需要設(shè)置安全保護(hù)設(shè)置。 2)體積流量為60 000 m3/h的高溫?zé)犸L(fēng)型瓦斯氧化裝置1臺。3)蒸發(fā)量為6 t/h的余熱鍋爐1臺,可產(chǎn)蒸汽5.6 t/h。
2.3.2 輔助工程
1)余熱泵房。建筑面積為43.2 m2磚混結(jié)構(gòu)的房子一間,用于安裝余熱鍋爐水泵機(jī)組及軟水制備裝置。
2)綜合用房。建筑面積178.2 m2的彩鋼板房一間,包括衛(wèi)生間、休息室、辦公室、油脂庫、維修室、控制室及配電室等。
2.3.3 公用及環(huán)保工程
本項目生產(chǎn)、生活用水由六礦水廠定期輸送,用電由六礦供電系統(tǒng)提供;在氧化裝置進(jìn)、出氣口和廢氣排放口安裝消聲器,水泵置于泵房內(nèi),安裝基礎(chǔ)減振,降低噪聲。
項目工程主要設(shè)備組成如表2所示。
表2 項目瓦斯綜合利用裝置主要設(shè)備
1)立式蓄熱氧化室結(jié)構(gòu)能夠較好地利用高溫?zé)釤煔庾匀幌蛏掀频内厔荩趸b置溫度場分布較均勻,工作較穩(wěn)定;通過大空腔氧化室結(jié)構(gòu),有利于保證氧化效率,同時將氧化溫度穩(wěn)定均勻地控制在900~1050 ℃ ,裝置運行較可靠,可避免陶瓷過熱損壞,延長陶瓷使用壽命[18-20]。
2)使用 North America、MAXON 等輔助燃燒系統(tǒng),使用柴油加熱起動,起動時間為5~8 h,時間短、安全可靠、燃料儲存轉(zhuǎn)運方便。
3)兩級摻混后對甲烷的體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測,可以快速、準(zhǔn)確調(diào)控?fù)交旌蠹淄榈捏w積分?jǐn)?shù),瓦斯與風(fēng)排瓦斯或空氣集中摻混控制,嚴(yán)格控制摻混后甲烷的體積分?jǐn)?shù)不超過1.2%,分路供給至各氧化裝置。在瓦斯與風(fēng)排瓦斯或空氣摻混后,設(shè)置有原位式激光甲烷濃度在線分析儀和ABB 紅外甲烷濃度在線分析儀的雙重濃度檢測及控制,快速、準(zhǔn)確檢測摻混后甲烷的體積分?jǐn)?shù)并動態(tài)調(diào)整控制,檢測響應(yīng)時間不超過1 s,測量精度為 0.01%,確保瓦斯摻混及氧化裝置運行安全[20]。 兩級摻混后瓦斯氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。
a)首次摻混 b)二次摻混
由圖3可知:雖然首次摻混后甲烷體積分?jǐn)?shù)變化幅度較大,但通過原位式激光甲烷濃度在線分析儀及ABB 紅外甲烷濃度在線分析儀的雙重濃度檢測及控制,摻混后甲烷的體積分?jǐn)?shù)基本維持在1.2%以下。
4)瓦斯氣為清潔燃料,排放的尾氣中煙塵含量極少。分析本項目的瓦斯成分,瓦斯氣中不含S,因此尾氣中不含SO2;無二次污染,不產(chǎn)生NOx排放,CO2排放小于5 mg/m3,排放低,滿足環(huán)保要求。
5)余熱鍋爐的煙氣成分及其體積分?jǐn)?shù)如表3所示,氧化裝置中余熱鍋爐正平衡熱效率計算參數(shù)及結(jié)果如表4所示,反平衡熱效率計算參數(shù)及結(jié)果如表5所示。由表3~5可知:瓦斯氣經(jīng)氧化燃燒后,產(chǎn)生的主要成分為N2、CO2、H2O和O2,余熱鍋爐熱效率可達(dá)80%以上。
表3 余熱鍋爐煙氣成分及體積分?jǐn)?shù) %
表4 鍋爐正平衡效率計算參數(shù)及結(jié)果
表5 鍋爐反平衡熱效率計算參數(shù)及結(jié)果
利用通風(fēng)瓦斯氧化裝置,可以將煤礦礦井內(nèi)的甲烷充分氧化生成H2O和CO2,降低瓦斯不經(jīng)處理直接排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng),并可以對產(chǎn)生的熱量進(jìn)行充分利用。瓦斯與空氣摻混后甲烷的體積分?jǐn)?shù)控制在1.2%以下,單臺YXN60-1.0型瓦斯氧化裝置處理瓦斯的體積流量為60 000 m3/h,該項目用于摻混的抽排瓦斯的體積流量可達(dá)到12 m3/min,滿足技術(shù)要求。瓦斯氧化裝置熱力計算由以下公式給出。
每小時氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱流量
Q1=Q0qVφ,
(1)
式中:Q0為單位體積純甲烷的熱流量,Q0=35.8 MJ/m3;qV為單臺YXN60-1.0型瓦斯氧化裝置處理瓦斯體積流量,qV=60 000 m3/h;φ為混合氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù),φ=1.2%。
由式(1)可得,Q1=25 776 MJ/h。
尾氣熱損失流量
Q2=ρсqV(1-q)ΔT,
(2)
式中:ρ為空氣密度,ρ=1.29 kg/m3;c為空氣比熱容,c=1.004 kJ/(kg·K);q為產(chǎn)生的可利用熱風(fēng)率,q=26.7%;ΔT為進(jìn)、出口溫差,ΔT= 40 ℃。
由式(2)可得,Q2=2 278.4 MJ/h。
燃料未完全燃燒熱損失流量
Q3=qVφQ0(1-η0),
(3)
式中:η0為瓦斯氧化裝置氧化率,η0=97%。
由式(3)可得,Q3=773.28 MJ/h。
瓦斯氧化裝置自身散失的熱流量(自身散失熱流量按6%計算)
Q4=qVφQ0h,
(4)
式中:h為自身散失熱量占氧化反應(yīng)產(chǎn)生的總熱量百分比,h=6%。
由式(4)可得,Q4=1 546.56 MJ/h。
摻混瓦斯含水帶走的熱流量
Q5=qV(1-q)ρdiRH
,
(5)
式中:d為1 kg飽和空氣在溫度為20 ℃時所混合的水蒸氣的質(zhì)量,d=14.7 g/kg;i為低壓力水蒸氣焓,i=2510 kJ/kg;RH為摻混瓦斯相對濕度,RH=100%。
由式(5)可得,Q5=2 093.3 MJ/h。
則瓦斯氧化裝置可利用的熱流量
Q=Q1-Q2-Q3-Q4-Q5。
(6)
由式(6)可得,Q=19 084.46 MJ/h。
瓦斯氧化裝置熱效率
η=Q/Q1=74%。
即瓦斯氧化裝置熱效率η=74%,熱利用率高。
1)氧化裝置產(chǎn)生高溫?zé)煔夂螅赏ㄟ^成熟的外置式煙道換熱器進(jìn)行取熱綜合利用,外置煙氣換熱技術(shù)及裝置成熟、可靠。2)項目建設(shè)周期短,裝置可實現(xiàn)模塊化設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、安裝,可顯著提升裝置生產(chǎn)、加工、安裝質(zhì)量,縮短項目整體實施周期。 3)裝置可實現(xiàn)自動化監(jiān)控運行,安全可靠性高。裝置本體設(shè)置氧化室溫度及進(jìn)出氣腔溫度監(jiān)測,實現(xiàn)氧化裝置的自動化控制及運行。同時,裝置本體設(shè)置有泄爆、超溫調(diào)整、放散等保護(hù)結(jié)構(gòu)及功能,可以確保裝置安全運行。
2020年1月開始進(jìn)行工業(yè)性試驗,滿負(fù)荷連續(xù)運行72 h以上,實測可產(chǎn)出壓力為0.6 MPa、質(zhì)量流量為6 t/h的蒸汽。根據(jù)文獻(xiàn)[21-24],蒸汽焓為2 751.7 kJ/kg、溫度為10 ℃時水焓為42.605 kJ/kg,柴油折合標(biāo)煤因數(shù)(當(dāng)量值)為1.457 1,電力折合標(biāo)煤系數(shù)(當(dāng)量值)為1.229 t/(萬kW·h)。礦區(qū)原有燃煤鍋爐每產(chǎn)出1 GJ熱量,消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約為0.056 7 t。項目年運行時間按365 d計算,則該項目年可產(chǎn)出的熱量為142 390 GJ。原有鍋爐產(chǎn)出142 390 GJ熱量時折合使用標(biāo)準(zhǔn)煤8071 t,項目實施后年耗電約50萬kW·h、柴油3 t,折標(biāo)準(zhǔn)煤約66 t,項目可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤8005 t。
項目建成后產(chǎn)出蒸汽供礦區(qū)辦公樓采暖和井口保溫使用,替代礦區(qū)原有燃煤鍋爐煤炭消耗,實現(xiàn)清潔供暖,項目年消耗瓦斯氣約500萬m3,減排CO2約7.4萬t,節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約0.8萬t,具有明顯的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。
通過采用蓄熱氧化法利用礦井低濃度瓦斯,制取飽和蒸汽進(jìn)行綜合利用,解決煤礦低濃度瓦斯直接對空排放造成的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染,有利于資源的綜合利用和保護(hù)環(huán)境,項目沒有固態(tài)污染物,氣態(tài)污染物極少,其排放污染物和控制總量均可滿足國家環(huán)保部門的要求。項目投產(chǎn)后,每年可減排CO2約7.4萬t、節(jié)約標(biāo)煤約0.8萬t。該項目具有一定的引領(lǐng)示范價值,值得向全國煤礦推廣。