回熱氧化系統(tǒng)在煤礦瓦斯熱氧化供熱項自中的計算分析

近年來，煤炭行業(yè)深入推進綠色低碳理念落地，對于煤礦生產(chǎn)企業(yè)而言，碳減排除了 減排外，煤礦瓦斯的甲烷逃逸排放也是重要組成部分。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，是一種優(yōu)質(zhì)清潔的氣體能源，但也是一種溫室氣體，其溫室效應達到了 的27.9倍[2]。煤礦生產(chǎn)過程中排出的大部分為低濃度瓦斯，限制了煤礦瓦斯的利用[3]。

煤礦低濃度瓦斯的直接排放造成了環(huán)境污染與能源浪費[4]，因此，探索煤礦低濃度瓦斯有效利用的方式顯得尤為重要，不僅可以節(jié)約能源，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，還可以減緩溫室效應5。

煤礦低濃度瓦斯的排放源分散，且濃度變化范圍廣，導致想要其資源化利用和碳減排面臨諸多挑戰(zhàn)，目前主要采用的技術(shù)包括：分離提純技術(shù)，超低濃度甲烷可以被濃縮并用于發(fā)電或作為化工原料，從而實現(xiàn)其經(jīng)濟價值；熱氧化利用技術(shù)，甲烷可以被完全氧化成 和水，同時釋放出大量熱能，可用于發(fā)電或供熱；生物催化利用技術(shù)，通過微生物的作用，將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇等高附加值化學品。但是目前由于技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟性原因，只有一小部分的低濃度瓦斯被有效利用，大部分都是采用直接排空的處理方式。為了使煤礦低濃度瓦斯得到充分利用，并減少煤礦瓦斯直接排放對環(huán)境造成的危害，本文以低濃度瓦斯熱氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦自身瓦斯抽放情況及用熱需求，設(shè)計了一套煤礦低濃度瓦斯熱氧化供熱的方案，并對系統(tǒng)產(chǎn)熱量、供熱情況、減排量進行了計算，也為回熱氧化系統(tǒng)的工業(yè)化應用提供參考。

1.低濃度瓦斯熱氧化技術(shù)

熱逆流氧化技術(shù)（ThermalFlowReversalReactor，TFRR）是有效處理煤礦乏風的主要技術(shù)之一，TFRR的關(guān)鍵在于氧化裝置內(nèi)部的多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)。反應過程是利用內(nèi)置多孔介質(zhì)蓄熱填料，在非穩(wěn)定狀態(tài)下，依靠燃料氣流速度與反應熱前鋒移動速度差異，合理控制循環(huán)周期時長，使得裝置內(nèi)部釋放儲存的熱量維持系統(tǒng)的自熱平衡，并抽出高溫煙氣進行余熱利用[6]。

下文項目使用的是回熱氧化裝置，回熱氧化也叫做過焓氧化，即氧化區(qū)最高溫度高于絕熱反應溫度，但是高溫煙氣的最終溫度與常規(guī)反應溫度相同?；責嵫趸暮诵奶攸c是熱量回流，熱量回流是降低預混氣體氧化反應濃度要求并穩(wěn)定氧化反應的根本原因?；責嵫趸夹g(shù)與普通熱氧化技術(shù)相比，可以降低瓦斯起始反應濃度，氧化反應更平緩、更安全，可實現(xiàn)煤礦低濃度瓦斯持續(xù)、穩(wěn)定氧化，適用濃度范圍大。回熱氧化裝置和熱氧化裝置相比，具有以下特點：超低濃度瓦斯回熱氧化裝置與余熱回收裝置有機結(jié)合，可提高裝置的經(jīng)濟性和熱效率；系統(tǒng)排煙溫度低，能量回收效率高；啟動裝置加熱功率大、啟動速度快、設(shè)備投資少、運行費用低。

2.項目簡介

三寶煤礦抽采泵站當前排采瓦斯純量約為 ，平均濃度約為 3 % 因濃度過低不能發(fā)電，目前全部排空放散。項目計劃在三寶煤礦建立一套回熱氧化制熱系統(tǒng)，包括抽采瓦斯安全輸送裝置、配氣裝置、回熱氧化裝置、換熱器、測控元件及控制系統(tǒng)，工藝流程簡化圖如圖2所示。

將煤礦抽采泵站抽采濃度為 8 % 以下的瓦斯與空氣摻混至 0 . 2 5 % 至1 . 2 % 進行氧化利用，產(chǎn)生的高溫余熱用于煤礦以及周邊的冬季供暖、制冷和發(fā)電，可替代煤礦原有的產(chǎn)能裝置，如燃煤燃氣鍋爐、空調(diào)和電力能源，實現(xiàn)煤礦瓦斯排放及碳排放量的降低，既獲得了經(jīng)濟收益，同時也實現(xiàn)了環(huán)境保護效益。

該系統(tǒng)利用煤礦低濃度瓦斯氧化產(chǎn)生的熱量供熱，降低了煤礦電能和其它燃料的消耗量，減少了溫室氣體的排放，是一套經(jīng)濟合理、低碳環(huán)保的供熱方案。

裝置選擇方面，設(shè)計選擇1臺ZYYH10-1.2-S1.4-90/70型回熱氧化裝置，其技術(shù)參數(shù)見表1。

熱能回收裝置方面，選擇1臺TSXD05/900-S1.4-90/70熱能回收裝置，其技術(shù)參數(shù)見表

3.方案預期

3.1用熱需求計算

三寶煤礦工業(yè)建筑面積為 ，行政、公共建筑面積為 ，除燈房、浴室考慮集中供暖外，職工食堂、礦山救護大隊等均未考慮集中供暖，礦辦公樓、單身公寓樓等部分建筑采用空調(diào)或電加熱器等臨時采暖措施。采用集中供熱方式供暖，所需供熱負荷為4193kW。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，工業(yè)廠房供暖體積耗熱指標估算在 2 . 5 W/ ，取廠房平均高度4.5米、室內(nèi)作業(yè)溫度 室外采暖溫度 計算，廠房平均面積熱負荷：

3.2瓦斯利用補貼計算

采用瓦斯減排利用系統(tǒng)供熱，每年可以利用瓦斯（純量）196.22萬立方米，三寶煤礦可以獲得瓦斯利用補貼98.11萬元。

利用瓦斯純量

天× 3 6 5 天

利用瓦斯補貼

= 1 9 6 . 2 2 萬 元／ 萬元

3.3減排計算

三寶煤礦傳統(tǒng)熱泵供熱方案總用電量為173萬（kW·h）。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年度西南區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子（容量邊際排放因子）為0.4407（ W·h），熱泵系統(tǒng)用電年碳排放量為762.4噸。

回熱氧化系統(tǒng)利用煤礦低濃度瓦斯每年可以減排瓦斯（純量）196.22萬立方米，折合碳減排量35025.3噸?；責嵫趸到y(tǒng)總用電量為22.1萬（kW·h），碳排放量為97.4噸?；責嵫趸到y(tǒng)年碳減排量為34927.9噸。

在同等供熱能力下，瓦斯減排利用系統(tǒng)比熱泵供熱系統(tǒng)每年多減排二氧化碳35690.3噸，可為煤炭企業(yè)節(jié)約大量碳排放配額，使煤炭企業(yè)生產(chǎn)符合環(huán)保政策，確保正常生產(chǎn)。

目前，同型號的回熱氧化裝置已在唐山煤礦試運行，并取得了不錯的效果，證明該方案配置是可行的。表3是試運行的部分數(shù)據(jù)。

4.結(jié)論

本項目以熱氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一套煤礦低濃度瓦斯熱氧化供熱的方案，建立回熱氧化系統(tǒng)，利用煤礦低濃度瓦斯進行熱氧化供熱，通過理論計算，得出以下結(jié)論：

（1）煤礦工業(yè)場地每天的熱負荷需求為4558kW，設(shè)計使用的回熱氧化系統(tǒng)完全可以滿足煤礦工業(yè)場地的全部熱負荷需求。

（2）回熱氧化系統(tǒng)利用煤礦低濃度瓦斯供熱，年碳減排量達到34927.9噸；可獲得瓦斯利用補貼98.11萬元；同等供熱能力下，比傳統(tǒng)熱泵供熱系統(tǒng)每年多減排二氧化碳35690.3噸；

（3）回熱氧化系統(tǒng)的應用解決了煤礦用熱需求，實現(xiàn)了煤礦瓦斯能源利用和碳減排，在環(huán)保、節(jié)能方面具有顯著效益，具有廣闊的推廣前景。

目前該項目處于建設(shè)過程中，僅通過理論計算得出研究結(jié)果，為項目運行提供參考。能

參考文獻：

[1]吳奎斌、吳昊、李瑞華。“雙碳”戰(zhàn)略下煤礦減碳實施路徑研究[J]中國煤炭，2024，50：13-17.

[2]任世華、謝亞辰、焦小淼等。煤炭開發(fā)過程碳排放特征及碳中和發(fā)展的技術(shù)途徑[J].工程科學與技術(shù)，2022，54（1）： 60-68.

[3]祖秉輝、李長松。“雙碳”背景下煤炭生產(chǎn)企業(yè)碳減排路徑研究[J].礦業(yè)科學學報，2024：464-474.

[4]曹敏敏、王雪峰、王荀等。煤礦低濃度甲烷利用技術(shù)研究進展[J].煤炭技術(shù)，2022，41（1）：101-105.

[5]高鵬飛、孫東玲、霍春秀等。超低濃度瓦斯蓄熱氧化利用技術(shù)研究進展[J].煤炭科學技術(shù)，2018，46（12）：67-73.

[6]劉玉航、李希建、蕭琦等。煤礦低濃度瓦斯熱氧化中蜂窩陶瓷燃燒流場數(shù)值計算[J].化學工程，2024，52： 70-74，81.

作者單位：

馮育艷：黔西南州晴隆安寶煤礦有限公司晴隆縣三寶煤礦

董擊來、周軍：貴州煤礦安全監(jiān)察局安全技市中心

劉玉航：貴州大學礦業(yè)學院