礦井通風瓦斯綜合利用

楊俊輝

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司,河北 056031)

1 前言

礦井通風瓦斯 (VAM)特點是排放量大、甲烷含量低。鑒于國內煤炭地質復雜狀況,目前大多數礦井瓦斯抽采率不足50%,煤層氣不可避免的大量的以VAM形式排放。

2 VAM綜合利用途徑

結合國內礦井生產的實際情況,初步確定VAM綜合利用途徑兩個方向：VAM做為電站鍋爐燃燒空氣及VAM逆液氧化技術。

2.1 VAM做為電站鍋爐燃燒空氣

為了綜合利用礦井矸石、煤泥、中煤等劣質燃料,大部分礦井均配套建設綜合利用電廠,可以將VAM輸送到電廠做為鍋爐燃燒用空氣,VAM中的CH4在爐膛內高溫條件下燃燒。

2.2 VAM逆流氧化技術

VAM氧化技術主要研究方向是對礦井通風瓦斯實現控制氧化,在瓦斯濃度較低的情況下,脫開外部電源實現自身氧化,并且收集多余熱量實現供熱、制冷、發電。

3 VAM應用項目示例

3.1 VAM做為電站鍋爐燃燒空氣

3.1.1 概況

VAM做為電站鍋爐燃燒空氣在國內還沒有應用實例,我們選擇某一項目,針對該項目礦井VAM做為電站鍋爐燃燒空氣技術方案進行了規劃。

該礦井是一個特大型高瓦斯礦井,配套建設的綜合利用電廠裝機容量為2×135MW,配套2臺480t/h超高壓循環流化床鍋爐。礦井目前通風量為108～144萬m3/h,通風瓦斯含量約0.5%,礦井瓦斯抽放站瓦斯抽采濃度約為14%,抽采量 (純瓦斯)約為1000m3/h,全部對空排放。

3.1.2 燃燒空氣量計算

根據鍋爐容量參數、給水溫度、排污率、熱效率、燃料工業分析等基礎數據經計算,每臺鍋爐耗煤量為76705kg/h,進一步計算出2臺鍋爐需要的實際空氣約為903200m3/h。

3.1.3 VAM輸送

VAM輸送可以采用地面鋼制風道輸送方式,也可采用地下巷道輸送方式。地面鋼制風道輸送方式施工周期短、投資費用低,但風道穿越工業場地有礙觀瞻;地下巷道輸送方式施工周期長、投資費用高、但不影響地面總體效果,乏風輸送暫按地下巷道方式。靠近電廠主廠房側設施輸送風機,同時系統考慮各種情況下的閥門切換、調節、測量、計量等配套措施。

VAM輸送流速取15m/s,風道截面積為16.72m2。風道直管段長度約L=900m,經計算風道沿程阻力為681Pa,局部阻力為1077Pa,系統總阻力為1758Pa,VAM輸送起點通風機出口為微正壓,終點為鍋爐風機吸風口,風壓均按0考慮。該工程抽放低濃度瓦斯量不大,可以將低濃度抽放瓦斯摻混到系統中,濃度控制在0.5%以下。

VAM輸送風機參數為：流量為Q=540000m3/h,全壓為 P=2110Pa,配套電機功率為 N=450kW,離心風機設置2臺。

3.1.4 VAM輸送運行控制

輸送風機調節門控制：輸送量以鍋爐需要總風量為準,風量調節通過輸送風機入口調節擋板控制,或通過變頻調節實現,以匹配鍋爐一、二次風機。控制可以利用鍋爐現有DCS系統進行模塊擴充,主要調節方式為通過鍋爐蒸汽壓力、流量信號、鍋爐含氧量信號、鍋爐總風量信號、一、二次風機的轉速信號等,在DCS內編程完成對輸送風機的控制,實現乏風輸送風量自動控制,保證鍋爐正常運行。

VAM計量：乏風輸送應進行流量測量和瓦斯濃度測量,從而可以實現經濟核算,該部分功能可以在鍋爐DSC系統中集成。

VAM輸送風機的控制：電源引自熱電廠高壓廠用母線段,鍋爐啟動時,一次風機、二次風機入口切換門開啟。鍋爐運行平穩后,在乏風輸送風機入口調節擋板關閉狀態下,啟動乏風輸送風機,逐漸開啟入口調節擋板,逐個關閉一次、二次風機入口切換風門,設置合適的間隔時間,防治切換造成較大負荷波動,影響鍋爐平穩運行。當鍋爐需要停爐,一次風機停運連鎖乏風輸送風機停運。

礦井通風機房切換閥門控制：礦井通風機為一用一備,VAM輸送系統需要從2臺礦井通風機出口分別引接。乏風輸送和礦井風機要實現風門切換同步聯動。VAM輸送量根據熱電廠需求而定,多余VAM通過原有設施排放,保證任何情況下,礦井通風系統均能獨立可靠運行。VAM輸送系統見圖1。

圖1 VAM輸送系統圖

3.1.5 安全措施

為了防止在生產過程中發生瓦斯超標、泄露而發生火災、爆炸等安全事故,針對乏風輸配系統采取如下防范措施。

(1)任何情況乏風對外輸送系統不能影響礦井通風系統,在礦井通風系統進出口管路上不能設置任何閥門裝置,保證礦井正常生產。

(2)乏風輸送系統不能影響發電廠正常生產,除了必要的風量調節措施外,需要配套乏風瓦斯測量裝置,當瓦斯突出事故引起乏風瓦斯濃度超過0.5%時,連鎖乏風輸送風機停機,關閉礦井通風機房出風口切換閥門。

3.1.6 投資估算及經濟分析

估算投資范圍為礦井通風機房至發電廠鼓風機進口輸送系統所需建設的土建工程、設備及工器具購置、安裝工程和工程建設其它費用,概算投資為4000萬元。

(1)直接經濟效益

發電廠鍋爐額定工況下,需要VAM為903200m3/h,濃度按平均0.5%計算,則每小時消耗純瓦斯4516m3/h,折合標煤5282kg/h,相當于綜合發電效率提高了5.6%,節能效益非常明顯。年節約標煤31692t,標煤價格按500元/t考慮。VAM輸送風機年耗電量為2×400×6000=480萬kWh,上網電價按 0.36元/kWh,則熱電廠年收益為3.1692×500-480×0.36=1412萬元,經濟效益十分明顯。

(2)電價補貼

利用礦井通風瓦斯發電還可享受電價補貼,通風瓦斯發電量31692000÷0.36(發電標煤耗)=8803萬kWh,扣除綜合廠用電10%,年供電量為7922萬kWh,政府補貼收益為7922×0.25=1980萬元。

(3)環境效益

圖2 VAM氧化項目工藝圖

CH4是造成環境溫室效應的主要氣體之一,其溫室效應相當于CO2的21倍,發電廠年運行小時數為按6000小時考慮,2臺鍋爐年消耗純瓦斯2540萬Nm3,本項目每年可減少溫室氣體排放折算為CO2為40.816萬t,環境效益非常明顯。

3.2 礦井通風逆流氧化技術應用示例

以上述礦井為例,VAM處理量為100萬m3/h,瓦斯濃度約為0.5%。規劃VAM氧化裝置富裕熱量用來生產蒸汽,驅動汽輪發電機發電。

目前VAM逆流氧化技術在國內已經取得突破,并成功地進行了工業性實驗,效果驗證理想,單臺處理規模可以達到100萬m3/h,為市場推廣創造了條件。

3.2.1 規劃方案

經過理論計算和工業性試驗可知,當VAM甲烷氧化率為95%時,排風溫度溫升為 70℃時,VAM甲烷濃度為0.25%即可維持自身氧化而不需要外界提供熱量。VAM濃度為0.5%。可以對外輸出熱量為 8676MJ,生產 2.5MPa/390℃的蒸汽2.886t/h。當VAM濃度較低時,運行時可以將低濃度瓦斯摻混到系統中。

3.2.2 規劃方案主要設備

(1)VAM氧化裝置

單套VAM處理標定流量：10萬m3/h,共計10套,進口VAM溫度為 20℃,設計工作濃度為0.25%～1%,引風機功率為75kW/套,VAM氧化率＞95%,排風溫升為70℃,2.5MPa/390℃的蒸汽產量為2.886t/h。

(2)蒸汽輪機發電機組

額定功率：5000kW,進汽參數進為2.5MPa/370℃。

3.2.3 工藝系統

10套VAM氧化裝置。產生約28t/h蒸汽,配套1臺汽輪發電機組,系統工藝見圖2。

3.2.4 投資估算及經濟分析

估算投資范圍為礦井通風機房至蒸汽輪機發電所需建設的土建工程、設備及工器具購置、安裝工程和工程建設其它費用。本項目估算投資為8600萬元。

(1)直接經濟效益

規劃VAM氧化發電系統處理VAM規模為100萬Nm3/h,乏風瓦斯含量按平均0.5%計算,則每小時消耗純瓦斯5000Nm3/h,系統生產28t/h蒸汽(2.5MPa/390℃),發電量為5000kW,年處理瓦斯純量3600萬Nm3,年發電量為3600萬kWh,年供電量為2700萬kWh,上網電價按0.59元kWh,供電成本約為0.20元/kWh,則熱電廠年收益為2700×0.39=1053萬元。項目靜態投資回收期約10年。經濟效益一般。

(2)環境效益

3600萬Nm3CH4燃燒后減排量折算成為CO2約為47萬t,環境效益明顯。

4 結論

4.1 VAM作為電站鍋爐燃燒空氣

通過VAM綜合利用兩個典型方案分析可知,VAM作為電站鍋爐燃燒空氣方案優點體現在：

(1)投資較低,處理90萬Nm3/h的VAM投資約4000萬元;

(2)不受VAM濃度限制,VAM濃度范圍為0～0.5%;

(3)瓦斯利用率高,發電效率約35%;瓦斯氧化率高,接近100%;

(4)經濟效益好,VAM濃度為0.5%時,直接收益就能有效收回投資。

(5)運行管理簡單,VAM輸送到鍋爐做為助燃空氣,系統配置簡單、運行維護要求較低。

同時VAM作為電站鍋爐燃燒空氣方案也有不可回避的缺點,主要體現在：

(1)需要風井場地附近建有較大坑口電站,輸送距離不宜太遠;

(2)坑口電站所需風量往往和礦井通風量不匹配,節能減排不徹底。

當條件具備時應優先考慮采用此種方案,礦井通風量采用此方案富裕量較大時,可以結合VAM逆流氧化技術同時實施。

4.2 逆流氧化技術

VAM逆流氧化技術缺點主要體現在：

(1)投資較高,處理100萬Nm3/h的VAM配套發電系統,投資約8600萬元;

(2)受VAM濃度限制較大,VAM濃度小于0.25%時;系統不能維持自身氧化,需要消耗大量電力,VAM濃度小于0.5%時,配套蒸汽發電系統收益不高;

(3)場地占用大,系統較為復雜;

(4)單純依靠發電、供熱收益不高;

VAM逆流氧化技術優點主要體現在：可根據礦井通風量規劃VAM逆流氧化規模,節能減排較為徹底。

4.3 積極推廣

VAM綜合利用技術已經成熟,市場潛力巨大,應根據礦井自身特點制定合適的綜合利用方案。在礦井配套建設坑口電站時,應優先考慮VAM作為電站鍋爐燃燒空氣,該方案系統簡單、投資小、回報率高,當VAM遠高于坑口電站消耗量時,可以考慮同時配置兩種VAM綜合利用技術,最大限度的利用VAM。在礦井沒有配套坑口電站時,應根據VAM流量、礦井工業場地實際情況、當地自然條件,綜合考慮設置VAM逆流氧化裝置,或單純進行通風氧化、或供熱制冷、或進行發電。

我國VAM數量可觀,分布廣泛,綜合利用技術市場潛力巨大,該技術成功應用和推廣將使我國的節能減排工作達到一個新的高度,為國內經濟發展提供充足空間。

[1] 中煤國際工程集團南京設計院.G B50215-2005煤炭工業礦井設計規范.北京：中國計劃出版社,2005.

[2] 馬曉鐘.煤礦通風瓦斯氧化技術及氧化熱利用方式[J].中國煤層氣,2007,4(4).