超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用技術分析

王永保，黃鳳河，劉 虎

(淮滬煤電有限公司 丁集煤礦，安徽 淮南 232001)

我國在傳統能源方面具有多煤、少油、貧氣的特點。2010-2017 年煤層氣抽采量總體上升而近兩年略有回落，利用量逐年有增長，但利用率偏低(30%左右)[1-2]。而井下瓦斯利用量和利用率不高的問題，主要是因為低濃度瓦斯(甲烷濃度小于30%)的利用是一個難點[3-4]，尤其是甲烷濃度小于8%的超低濃度瓦斯，絕大部分直接排空，造成極大的環境污染和資源浪費。因此，開展超低濃度瓦斯利用技術的深入研究，形成低濃度瓦斯梯級利用技術體系，將極大地提高我國煤層氣整體利用率[5-6]。與此同時，隨著礦井開采深度增加，采掘工作面環境的熱害日益嚴重，極大地影響了工人勞動效率和人身健康，也嚴重威脅井下安全生產[7-10]。因此，創造清涼的井下勞動環境是國內外目前亟待解決的問題。

基于此，將超低濃度瓦斯進行蓄熱氧化，開展余熱鍋爐產生的高溫蒸汽發電(背壓式汽輪機組)，低溫蒸汽通過溴化鋰機組井下降溫的研究，形成高效、經濟的超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用技術，對促進超低濃度瓦斯的全面利用具有重要的現實意義[11-14]。

1 工程概況

丁集煤礦是淮南礦業(集團)公司熱害最嚴重的礦井之一，根據地質勘探鉆井測溫結果表明，為二級熱害區。因此，丁集煤礦建設并投運了礦井集中降溫系統。該系統分為地面集中制冷系統、井下供冷系統以及輸冷管路系統。其中，地面系統供回水溫度設計為2.5 ℃/18 ℃，由蒸汽型雙效溴化鋰冷水機組加離心式冷水機組串聯的兩級制冷裝置實現。第一級為蒸汽型雙效溴化鋰機組，將冷媒回水由18 ℃降至5～7 ℃；第二級為離心式冷水機組，將5～7 ℃冷媒水降至2.5 ℃。每臺蒸汽型雙效溴化鋰機組與一臺離心式冷水機組組成一個制冷單元，三個制冷單元互為備用。

由上述可見，礦井集中降溫系統的核心環節是制冷，蒸汽型溴化鋰冷水機組因其高效、穩定的優越性能在整個制冷系統中尤為重要。而蒸汽是溴化鋰機組穩定運行的原始驅動力。穩定連續的蒸汽供應是溴化鋰機組體現其優越性的重中之重。之前礦井蒸汽由4臺蒸發量為8 t/h的燃煤鍋爐提供，鍋爐2用2備。由于運行時間較長，鍋爐效率下降，供給降溫系統的蒸汽品質不能滿足需要。加上《國務院關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》(國發[2013]37號)、《安徽省人民政府關于印發安徽省大氣污染防治行動計劃實施方案的通知》(皖政[2013]89號)、《淮南市人民政府辦公室關于印發淮南市整治城區燃煤鍋爐工作方案的通知》(淮府辦[2013]119號)等文件要求，淮南潘謝礦區多數生產礦井均需對礦內的燃煤鍋爐房進行供熱改造，丁集礦燃煤鍋爐改造刻不容緩，必須盡快尋求新技術改變這一現狀。

2 瓦斯蓄熱氧化熱能梯級利用技術

該技術利用礦井抽采出的8%以下的超低濃度瓦斯經一、二次摻混系統進入氧化爐氧化，通過瓦斯氧化產生930 ℃的高溫煙氣供給煙氣余熱鍋爐。經過余熱鍋爐換熱后產生過高壓熱蒸汽用于背壓式汽輪機發電，同時過熱蒸汽經減溫減壓后(低溫蒸汽)通過溴化鋰機組供礦井降溫，其工藝流程如圖1所示。

圖1 超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用工藝流程

2.1 超低濃度瓦斯蓄熱氧化

RTO蓄熱氧化單元單體能處理90 000 m3/h的瓦斯氣，當甲烷濃度為1.2%時，甲烷摧毀效率達到98.0%。系統運行參數如表1所示。從裝置實際情況來看，各項參數達到了設計預期。

表1 氧化裝置核心實際運行工作參數

2.2 背壓式汽輪機發電組

合理選擇背壓機的容量，是關系到背壓發電經濟效益能否充分發揮的大問題。根據丁集礦RTO高溫煙氣流量、溫度等情況，背壓式汽輪機采用單缸、單軸單級或多級背壓式汽輪機。其參數為：①背壓機額定功率1.15 MW，額定進汽流量17.6 t/h，進汽壓力3.43 MPa，進汽溫度435 ℃，排汽壓力0.8 MPa，排汽溫度282 ℃；②減速箱額定功率1.5 MW，輸入轉速9 000 r/min，輸出轉速1 500 r/min；③發電機額定功率1.5 MW，額定電壓10 500 V，功率因數0.8，額定轉速1 500 r/min，額定頻率50 Hz，進風溫度≤40 ℃。

2.3 溴化鋰機組

溴化鋰機組內部工作流程由冷劑水、溴化鋰濃溶液的循環組成，機級內部為真空，內部由發生器、冷凝器、吸收器、蒸發器四部分組成。供給礦井集中降溫系統的蒸汽壓力為0.6 MPa，溫度為195 ℃，流量為5.5 t/h(單臺溴化鋰機組)，完全超過溴化鋰機組所要求的蒸汽品質。通過應用該技術，能夠滿足蒸汽型雙效溴化鋰機組的蒸汽需求。溴化鋰機組設備配置情況見表2。

表2 溴化鋰機組設備

3 應用效果分析

3.1 RTO運行測試分析

根據RTO現場測試，低濃度瓦斯氧化系統氣體進出口參數見表3。在低濃度瓦斯氧化系統中，CH4與O2發生化學反應，1體積CH4和2體積O2生成1體積CO2和2體積氣態H2O，總氣體體積保持不變。

表3 設計氧化裝置進出口氣體組分

從表3的測試結果來看，RTO含濕量在進氣口較低，在出氣口較高，這是因為CH4與O2發生化學反應后，生成水汽，進而增大了出氣口的含濕量。2019年6月27日的煙氣流速比6月28日測試的煙氣流速大，進而導致其靜壓比6月28日測試的靜壓偏大。在RTO進汽含氧量相同的情況下，6月28日測試出口含氧量比6月27日測試的降低了一個百分點，這是因為6月27日進氣口流量較大，降低了CH4與O2的反應幾率。總體而言， RTO運行CH4與O2發生化學反應的效果較好。

3.2 背壓式汽輪機組

分別對不同進汽壓力、進汽溫度、排汽壓力下汽輪機組功率變化率的變化規律進行了測試，以及進氣量對汽輪機組功率的影響規律進行了測試。測試結果如圖2。從圖2(a)可以看出，隨著進汽壓力增大，汽輪機功率變化率近似呈指數增大；從圖2(b)可以看出，隨著進汽溫度增大，汽輪機功率變化率呈線性增大；從圖2(c)可以看出，隨著排汽壓力增大，汽輪機功率變化率呈線性減小。

圖2 背壓機進汽壓力、進汽溫度、排汽壓力對功率修正曲線

從圖3可以看出，背壓式汽輪機組利用高溫蒸汽月發電量可達到800 000 kW·h，其中2月份是系統調試階段，6月份系統驗收，期間系統停機狀態，所以相對發電總量較少。其它3個月份正常運行，月發電量700 000～800 000 kW·h，該系統運行穩定，高溫蒸汽得以充分利用。同時，從圖3可以看出，丁集礦區月用電量在650 000 kW·h左右，低于發電量，即背壓式發電機組的發電量完全可滿足整個礦區的用電量。

圖3 背壓式汽輪機組月發電量及廠區用電量

3.3 井下實際降溫效果對比

溴化鋰機組應用前后制冷量對比如表4所示，從表4可以看出，背壓式發電機組排出的低溫蒸汽用于溴化鋰機組之后，蒸汽壓力和流量都得到顯著提高，尤其是制冷量提高40%以上。

表4 溴化鋰機組實際制冷量統計

同時，在丁集礦采用低溫蒸汽溴化鋰機組后對井下不同位置的降溫效果進行考察，如表5所示(選取了3個工作日)。從表5可以看出，井下不同地點在新技術使用前(供冷前)的溫度均在28 ℃以上，甚至達到32 ℃，相對濕度96%以上。在供冷降溫后，井下溫度均降至27 ℃以下，相對濕度基本控制在78%以下，達到了《煤礦安全規程》對井下空氣溫度的要求。

表5 丁集礦采掘工作面溫度、濕度統計

4 結 語

針對超低濃度瓦斯排空的資源浪費和環境污染問題，采用RTO對超低濃度瓦斯進行蓄熱氧化，通過余熱鍋爐的熱能轉換，形成高溫蒸汽發電、低溫蒸汽井下降溫的熱能梯級利用技術。該新技術在丁集礦的應用表明，超低濃度瓦斯氧化后的熱能，采用背壓式發電機組的發電量不僅可滿足整個礦區的用電量，而且降溫系統運行所需的低溫蒸汽供應穩定，采取井下供冷措施以后，各掘進頭面溫度普遍降低3～5 ℃，平均溫度在25～26 ℃，濕度降低了20%，有效保證了煤礦安全生產的高效運行。同時該技術在丁集礦的成功實施，將為其它礦區節能環保提供有力的技術支撐。