關于大寧煤礦瓦斯利用方法的探討

員利民

(煤炭工業太原設計研究院,山西 030001)

1 大寧煤礦瓦斯抽放現狀

大寧煤礦位于山西省晉城市陽城縣境內,沁水煤田南部,屬上黃崖精查勘探區的一部分。礦井井田劃定范圍面積38.8293km2。含煤 (氣)地層為上石炭統太原組和下二疊統山西組,總厚度151m,含煤10～22層,其中3#煤和15#煤為全區可采,6#煤、7#煤、9#煤為局部可采。礦井煤炭地質儲量6.735億t,其中3#煤可采儲量2.867億t,礦井年設計能力400萬t,服務年限84.9年,3#煤的服務年限30.7年,經過幾年建設,2008年6月份正式投產達到設計生產能力。由于井下煤層瓦斯含量高,3#煤、6#煤、15#煤瓦斯平均含量為 14～15m3/t,井下采用3臺千米鉆機定向鉆井抽放瓦斯,在地面建有八里彎、南山兩個瓦斯抽放站,主要抽取井下本煤層、鄰近層及采空區瓦斯。上述瓦斯抽放站相關技術參數及瓦斯利用情況見表1。

由表1可知,兩個瓦斯抽放站中,只有甲烷濃度30%以上的瓦斯在電站和燃氣鍋爐得到利用,瓦斯實際抽放量18～20萬m3/d;而濃度在30%以下的瓦斯,由于礦上現有的設備不能使用,只能直接排空浪費掉。

表1 瓦斯抽放站相關技術參數及利用情況

2 大寧煤礦供熱負荷現狀

2.1 大寧煤礦熱負荷統計

大寧煤礦供熱負荷為井下用熱、生產區及生活區采暖洗浴等,見表2。

表2 煤礦熱負荷統計

2.2 大寧煤礦現有瓦斯利用設備情況

最近幾年來,大寧煤礦利用濃度30%瓦斯作燃料,新建熱風爐、燃氣鍋爐以滿足礦井供熱需求,另建瓦斯燃氣內燃機組發電。詳見表3。

由于上述燃氣鍋爐、熱風爐及瓦斯發電機組均燃用甲烷濃度30%以上的瓦斯,實際耗氣折純19533m3/h,由于采暖季必須保證主斜井、生活區等礦井生產生活用氣5112m3/h,只能提供瓦斯電站的氣量2400～3200m3/h;非采暖季兩個瓦斯電站滿負荷發電也需要14421m3/h,這樣常年出現瓦斯電站機組閑置不能發揮其經濟效益的局面,如何全面利用不同濃度的瓦斯,即能保證礦井用熱又能最大效率發電,應該依據實際情況制定一個切實可行的技術方案。

表3 煤礦瓦斯利用設備情況統計

3 瓦斯利用新方案

根據大寧煤礦瓦斯抽放站資料,甲烷濃度30%以上日實際抽放量為18～20萬m3,30%以下日實際抽放量合計15～18萬m3。以及新型國產機組在甲烷濃度6%以上就能穩定發電的成熟設備,我們對大寧煤礦的供熱設備及瓦斯發電機組進行科學合理的梳理,制定新的技術方案：(1)保留現有35MW瓦斯電站,其配置為8×4MW進口燃氣內燃機組+4×4.38t/h余熱鍋爐+3MW組合快裝凝汽式汽輪發電機組。電站于2008年7月開工,2010年3月投產,設計年發電量2.452×108kWh,年供電量2.322×108kWh,年耗瓦斯氣量折純為5.368×107m3,性質為公共電廠。電站所用燃氣內燃機組為德國道依茨設備,型號TCG2032V16,額定功率4000KW,發電機電壓等級10.5kV,廠房式布置。余熱蒸汽鍋爐為上海益格新技術工程有限公司提供的臥式不補燃型單壓自然循環余熱鍋爐,型號EGS4.3-2.45/400NSV,額定蒸發量4.38t/h,額定蒸汽壓力2.45MPa,額定蒸汽溫度400℃,露天布置。蒸汽輪機為洛陽發電設備廠生產的N3-2.35組合快裝凝汽式機組,額定進汽量15.6t/h,額定進汽壓力2.35MPa,額定進汽溫度400℃。(2)由于現有13MW國產機組瓦斯電站只有簡單的機組及其輔助系統,沒有煙氣余熱回收裝置,將其淘汰,引用低濃度瓦斯發電機組,置換出高濃度瓦斯以保證現有的進口機組盡可能滿負荷發電,同時對兩個瓦斯電站的煙氣余熱及機組缸套水熱能進行回收,替代煤礦熱風爐及燃氣鍋爐,從而提高瓦斯熱能利用率。利用方案如圖1所示,其配置見表4。

圖1 瓦斯利用方案示意圖

表4 瓦斯電站發電及供熱匯總表

由表4可知,35MW瓦斯電站按發電3.8kWh/m3,單機容量按滿負荷4000KW計算,可以運行數量為6～8臺,回收高溫煙氣熱能12.8～14.2MW,回收缸套水熱能9.8～10.9MW。新建低濃度瓦斯電站按發電3kWh/m3,單機容量按500KW計算,可安裝發電機組37～45臺,回收高溫煙氣熱能10.5～12.6MW,回收缸套水熱能8.3～9.9MW。兩個電站采用余熱鍋爐回收高溫煙氣提供飽和蒸汽熱能23.3～26.8MW,替換現有煤礦5臺熱風爐,保證主斜井、副斜井、進風行人斜井及進風立井合計19.6MW熱能的需求;新建低濃度瓦斯電站可回收缸套水熱能8.3～9.9MW,通過換熱器提供50～60℃的熱水,替代現有生產區洗浴鍋爐6.4MW;35MW瓦斯電站回收缸套水熱能9.8～10.9MW,提供60℃熱水,基本可以替換現有生產區和生活區的采暖鍋爐,不足部分用高溫煙氣熱能來補充。

4 大寧煤礦供熱方案改造前后經濟分析

通過本次技術改造,可將大寧煤礦瓦斯抽放站的高低濃度瓦斯進行充分的利用。拆除現有耗用高濃度、效率較低的國產機組,新建一座低濃度瓦斯電站,充分利用機組缸套水、高溫煙氣熱能;另將進口機組缸套水熱能加以利用以取代現有分散的鍋爐房,便于煤礦集中管理,不僅保證了大寧煤礦生產生活用熱需求,而且兩個電站一年多發電4.52億kWh,扣除廠用5%,年供電4.30億kWh,按山西省瓦斯電站2011年上網電價0.509元/kWh計算,發電收益達2.19億人民幣。大寧煤礦的瓦斯由單一利用途徑發展到分層次利用,從而保證了大寧煤礦瓦斯經濟收益、利用效率最大化。

[1] 張亮.山西煤層氣資源評價及開發利用 [M].太原：山西出版集團,2007.

[2] 華東電力設計院.DL/T5174-2003燃氣-蒸汽聯合發電循環電廠設計規定 [S].北京：中國電力出版社,2003.

[3] 張增平.煤礦低濃度瓦斯提純技術及經濟性分析[J].中國煤層氣,2010.1.