低濃度瓦斯綜合利用技術(shù)研究

侯杰+藺瑩瑩

（華晉煤層氣綜合利用有限責(zé)任公司瓦斯發(fā)電廠 山西呂梁 033300）

摘要：本文指出礦井低濃度瓦斯利用技術(shù)將在促進(jìn)煤層氣利用的同時(shí)，推動(dòng)煤礦瓦斯的全面綜合利用，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：低濃度瓦斯；綜合利用技術(shù)；研究

前言

低濃度瓦斯是指甲烷濃度低于30%的煤層氣，分為風(fēng)排瓦斯（乏風(fēng)） 和抽放瓦斯兩部分，其中“乏風(fēng)”是指甲烷質(zhì)量濃度低于0.75%的煤礦瓦斯。目前，質(zhì)量濃度高于30%的瓦斯在利用上已沒有技術(shù)瓶頸；質(zhì)量濃度在9%～30%范圍的瓦斯用于發(fā)電也已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用；而質(zhì)量濃度低于9%以及乏風(fēng)的利用則已成為實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯綜合利用的關(guān)鍵。提高乏風(fēng)質(zhì)量濃度，將風(fēng)排瓦斯?jié)舛扔赡壳暗?.22%提升至0.35%以上甚至更高，將對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)熱量的充分回收利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少外部天然氣的利用非常關(guān)鍵。若乏風(fēng)濃度能提升至0.5%以上，將能實(shí)現(xiàn)礦井熱能的自身平衡而不需外供

1 國內(nèi)外瓦斯利用技術(shù)

1.1 煤層瓦斯主要參數(shù)

煤層瓦斯賦存基礎(chǔ)參數(shù)是礦井瓦斯防治和瓦斯抽放設(shè)計(jì)的依據(jù)，進(jìn)行瓦斯抽放設(shè)計(jì)所需的煤層瓦斯主要實(shí)測參數(shù)包括：煤層瓦斯壓力、含量、煤中的殘存瓦斯含量、煤的孔隙率、煤層透氣性系數(shù)以及鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等一些瓦斯的基礎(chǔ)參數(shù)。對(duì)于基建礦井，如果沒有開拓系統(tǒng)揭露煤層，則無法在采掘空間內(nèi)各煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，只能借鑒地質(zhì)勘探過程進(jìn)行測定部分瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)。

1.2 礦井瓦斯來源及涌出構(gòu)成

根據(jù)對(duì)龍泉煤礦瓦斯涌出量的預(yù)測，可以得出該礦井在達(dá)產(chǎn)時(shí)瓦斯來源由以下3 個(gè)部分組成：回采工作面（包括圍巖及鄰近層）的瓦斯涌出、掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出和采空區(qū)（包括圍巖和鄰近層）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占礦井瓦斯的涌出比例與礦井的開采深度和礦井的生產(chǎn)接續(xù)布局、采掘強(qiáng)度等有關(guān)。經(jīng)對(duì)礦井各部分進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測，可以得出各涌出源所占該礦井瓦斯涌出量的百分比。在現(xiàn)有的通風(fēng)條件下掘進(jìn)面瓦斯經(jīng)常超限，所以掘進(jìn)工作面的瓦斯治理非常必要。在整個(gè)礦井瓦斯治理工作中，回采工作面和采空區(qū)瓦斯治理占重要地位。

1.3 抽放瓦斯的必要性

根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局部頒布的《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，有下列情況之一者，礦井必須建立地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)或井下臨時(shí)抽放瓦斯系統(tǒng)。

1.4 煤礦瓦斯基本分類及利用方法

煤礦瓦斯按體積分?jǐn)?shù)分3 類（參照勝動(dòng)集團(tuán)分類方法）：第一類是質(zhì)量濃度大于30%的高濃度瓦斯；第二類是質(zhì)量濃度在9%～30%的低濃度瓦斯；第三類是質(zhì)量濃度在9%以下的低（超） 濃度瓦斯（含煤礦通風(fēng)乏風(fēng)）。其瓦斯利用技術(shù)大致如下：第一類：質(zhì)量濃度大于30%的高濃度瓦斯，采用高濃度瓦斯直接燃燒供發(fā)電機(jī)組發(fā)電；第二類：質(zhì)量濃度在9%～30%的低濃度瓦斯，采用低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)組進(jìn)行發(fā)電利用；第三類：質(zhì)量濃度在9%以下的低濃度（超）瓦斯（含煤礦通風(fēng)乏風(fēng)），甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～5%，采用煤礦乏風(fēng)氧化裝置直接或經(jīng)過摻混、稀釋后利用；超低濃度瓦斯（甲烷體積分?jǐn)?shù)6%～9%）也可采用柴油引燃技術(shù)發(fā)電利用。

1.5 乏風(fēng)利用不高的原因分析

煤炭開采中，瓦斯排出量的70%是通過乏風(fēng)（風(fēng)排瓦斯） 排出的。由于煤礦乏風(fēng)的甲烷含量極低，若進(jìn)行提濃或提純，不論是變壓吸附，還是變溫吸附分離，面對(duì)含量巨大的空氣和稀少的甲烷，必須提供相對(duì)于甲烷產(chǎn)量更多的加壓能耗或加溫能耗。所耗的能量，遠(yuǎn)超過所獲取甲烷的能量。因而無論從能源利用的角度，還是從經(jīng)濟(jì)利益的考量，都是行不通的。此外，由于乏風(fēng)中的甲烷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了甲烷的空燃比范圍，用直接燃燒的辦法處理技術(shù)上也是行不通的。兩種傳統(tǒng)辦法均不能解決乏風(fēng)的有效利用問題?；诖?，目前多數(shù)煤礦仍選擇直接排放，造成了巨大的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

2.低濃度瓦斯余熱利用系統(tǒng)

礦井建有水源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置6 臺(tái)1.46MW 水源熱泵和2 臺(tái)0.64 MW 水源熱泵，總?cè)萘繛?0 MW，利用礦井涌水作為熱源采取水源熱泵形式向礦井供熱，水源熱泵基本可以取代原有燃煤鍋爐房。由于礦井涌水波動(dòng)比較大，且存在很多不穩(wěn)定因素，目前燃煤鍋爐仍需保留作為備用。瓦斯電站建成后，電站的余熱鍋爐及水源熱泵可相互補(bǔ)充使用，取消燃煤鍋爐。考慮到機(jī)組檢修、負(fù)荷波動(dòng)等情況，供熱能力按照6 臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷計(jì)算。6 臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，余熱鍋爐供熱量約2.4 MW，6 臺(tái)機(jī)組缸套水可供熱負(fù)荷約1.8 MW，瓦斯發(fā)電對(duì)外總的供熱負(fù)荷約4.2 MW。礦井采暖季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為12.9MW，瓦斯發(fā)電站余熱能夠滿足礦井供熱部分需要，可作為礦井補(bǔ)充熱源。

3.低濃度瓦斯利用效益分析

低濃度瓦斯利用系統(tǒng)建設(shè)總投資2 560.85 萬元，正常每年可發(fā)電3 185×104 kW·h，年上網(wǎng)電量3 025×104 kW·h，工程按自發(fā)自用考慮，售電價(jià)格按0.435 元/ kW·h （不含稅價(jià)），電廠年對(duì)外供熱量為5.79×104 GJ，免費(fèi)供給礦井。根據(jù)年上網(wǎng)電量與電廠年對(duì)外供熱量進(jìn)行計(jì)算，正常年份供電銷售收入為1 315 萬元，經(jīng)計(jì)算，所得稅前總投資回收期為2.97 a，所得稅后投資回收期為3.64 a。余熱利用系統(tǒng)減少了水源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用。采用本技術(shù)后，每個(gè)供暖季節(jié)可減少井下熱水的使用，采用電廠余熱向水源熱泵提供低溫?zé)崴?，減少井下抽水費(fèi)用，因井下水氯離子含量多，對(duì)設(shè)備損壞大，間接減少了水源熱泵配套設(shè)備維護(hù)成本。低濃瓦斯的綜合利用，充分利用煤礦生產(chǎn)過程中抽采的大量瓦斯，減少了直接排放造成的環(huán)境污染，達(dá)到了資源利用目的，根據(jù)煤礦生產(chǎn)“以瓦斯定產(chǎn)” 和“ 不抽不采（ 掘）、先抽后采（掘）”的安全保障原則，隨著礦井生產(chǎn)能力的提高，要求瓦斯的抽采量也隨著增加，建設(shè)瓦斯發(fā)電站以用促抽、以抽保用，有利于煤礦安全生產(chǎn)。

4.小結(jié)

低濃度瓦斯的利用對(duì)礦井實(shí)現(xiàn)熱量的充分回收利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少外部天然氣的利用非常關(guān)鍵。該項(xiàng)工作的推進(jìn)，將在促進(jìn)煤層氣利用的同時(shí)，推動(dòng)煤礦瓦斯的全面綜合利用，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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