礦井乏風瓦斯蓄熱氧化發電關鍵技術研究

金 剛 王 康

（1、安徽坤朗新能源科技有限公司，安徽 淮南232001 2、淮南礦業（集團）有限責任公司，安徽 淮南232001）

礦井乏風是指通過礦井通風系統抽排到大氣中的甲烷含量低于1%的混合氣體，約占我國煤層氣總資源量的70%以上[1]。我國煤層氣資源儲量豐富，埋深在2000 m 以內的煤層氣資源儲量約為36.81 萬億m3，和陸基常規天然氣資源量不差上下，資源儲量位居全世界第三，僅次于加拿大和俄羅斯[2]。

截至目前，我國主要有兩種煤層氣開采開發方式：地面抽采和井下抽采，然而不管井下還是地面抽采總抽采率不足50%[3]。一般而言，礦井井下通風系統排出的乏風瓦斯中甲烷濃度一般低于1%，因此，乏風甲烷具有濃度低、富集難、總量大，利用難等特點，極少被回收利用，長期排放大氣中不僅會加劇溫室效應污染環境，還造成資源的浪費[4]。

1 乏風蓄熱氧化技術原理及研究進展

乏風蓄熱氧化技術其基本運行原理如圖1 所示。首先，高溫煙氣預熱將反應器裝置內部溫度升高到1000℃以上，此溫度是乏風瓦斯（1.2%）的自燃點。預熱完成后，設備的閥1、閥4 打開，室溫下的乏風瓦斯按照實線箭頭方向流入反應器內，進氣經上段蓄熱陶瓷的預熱，溫度升高到將990℃以上，開始發生熱氧化反應并釋放大量的化學反應熱。其中一部分熱量用來加熱反應器下段的蓄熱陶瓷，同時通過換熱器提取剩余熱量，經過熱交換之后的低溫煙氣經閥4 從右端出口排出，這是前半個周期的操作過程。

圖1 熱逆流氧化反應器原理示意圖（TFRR）[5]

后半周期開始時，打開闊2、闊3，將閥1、閥4 關閉，切換流向，進口的乏風瓦斯按虛線箭頭方向流入，這時下段的蓄熱陶瓷內集聚的大量熱能可以將進口氣體溫度加熱至1000℃以上，再次發生氧化反應，釋放反應熱，高溫煙氣將反應放出的熱量蓄積在上段蓄熱陶瓷后，再通過闊3 流出反應器，此時，一個換向整周期結束。不斷進行流向切換可維持蓄熱氧化設備的自運行，而化學反應釋放的熱量能夠抽取出的高品位蒸汽可用來發電或者供熱。

二十世紀九十年代美國MEGTEG 公司成功的研發了熱逆流催化氧化反應器：VOCSIDIZER 裝置。該裝置主要用來處理低濃度的揮發性有機尾氣，后來有大量后續的裝置應用于其它領域。1994 年，MEGTEG 公司在英國某一煤礦安裝了第一臺熱逆流煤礦瓦斯氧化反應裝置，該裝置單機處理風量為80000m3/h，甲烷濃度為0.3%～0.6%，將其用于試驗性研究。隨后，該公司不斷擴大研發和推廣礦井乏風熱逆流氧化反應裝置，其它投入運營的項目見表1。隨后，美國的Biothermica 技術公司，德國的Eisenmann 公司、Harworth 能源公司、氣候變化資本集團和浙江億揚公司等也都相繼推出了用于處理礦井乏風的蓄熱氧化裝置。近年來，國內外科研機構或蓄熱氧化裝置生產企業在我國建成了十余個礦井乏風蓄熱氧化利用試驗項目，主要項目見表2 所示。

表1 MEGTEC 公司乏風氧化裝置示范項目

2 乏風蓄熱氧化發電原理與工藝

2.1 乏風蓄熱氧化發電原理

瓦斯抽排泵站的低濃度瓦斯和通風系統中的乏風瓦斯經參混裝置混合后進入蓄熱氧化爐中，爐中超低濃度甲烷被氧化發生化學反應放熱，產生高溫熱空氣通過引風裝置進入余熱鍋爐，在燃燒室內進行熱交換，產生過熱水蒸汽，過熱水蒸汽推動汽輪機發電[6]。

表2 我國已建主要礦井瓦斯蓄熱氧化利用系統一覽表

乏風氧化發電技術最關鍵的設備就是蓄熱式氧化裝置（RTO），其原理是把參混的超低濃度甲烷導入RTO 中，高溫反應爐內甲烷被瞬間氧化為水和二氧化碳并釋放出巨大氧化熱。通常，當乏風甲烷濃度達到0.257%時，蓄熱氧化裝置產生的熱量就能維持設備的自運行；當乏風甲烷濃度在0.27%～0.8%時，系統可提供高溫熱水或飽和蒸汽；當乏風甲烷濃度在0.8%～1.2%時，設備不僅可提供過飽和蒸汽，還能推動蒸汽輪機組發電。

2.2 乏風蓄熱氧化發電工藝

為提高瓦斯蓄熱氧化項目的經濟效益及盈利能力，根據山西潞安集團高河礦井乏風及抽采瓦斯實際情況，本項目采用將乏風甲烷濃度通過混配抽采低濃度瓦斯，混配至1%～1.2%進行氧化利用。低濃度瓦斯從瓦斯抽排泵站取出，通過特殊的參混裝置參入乏風系統中，可以將乏風甲烷濃度提升到1.2%。

在混合后的乏風中，含約1.2%（體積濃度）甲烷氣體，由RTO 風機輸送到12 臺RTO。在RTO 中甲烷被氧化分解，轉化為CO2和H2O。這樣甲烷處理凈化后的氣體分為高低溫兩股氣流從RTO 排出，低溫氣流不再利用，高溫氣經鍋爐換熱降溫后與低溫氣混合，通過排氣煙囪一起排入大氣中（主要成分為CO2和H2O）。RTO 出來的高溫煙氣進入氧化熱鍋爐換熱，產生高溫高壓蒸汽，鍋爐產生的高溫高壓蒸汽帶動凝汽式汽輪機轉子轉動，從而帶動發電機轉子發電，通過升壓變壓器升壓至變電站并入電網，其發電工藝流程如圖2。

圖2 乏風氧化發電工藝流程圖

3 結論

“潞安集團高河能源礦井乏風蓄熱氧化發電工程項目”是我國第一個礦井乏風氧化發電工業化應用項目，是我國煤礦區最大的乏風蓄熱氧化發電示范項目以及BOT 模式減排項目。項目取得了以下主要研究成果：

3.1 開發了蓄熱氧化裝置，集氧化制熱與調控與一體，單臺乏風處理能力達到90000Nm3/h，熱自平衡濃度最低0.27%，濃度波動范圍0.27%～1.2%，實現熱風量的并聯提取和精確調節。能實現大氣量乏風氧化處理，高效率氧化、寬濃度范圍氧化、運行穩定可靠。可很好的滿足乏風蓄熱氧化發電核心設備要求。

3.2 實現了煤礦廢氣熱電聯供，發電的同時對煤礦新建裝車站和洗浴熱水進行了供暖，進一步提高了余熱利用效率。

3.3 礦井乏風氧化熱電聯供示范項目“山西潞安集團高河礦井乏風氧化發電項目”主要分為三個部分，第一部分是乏風的收集、輸送、摻混和脫水；第二部分是12 臺高溫蓄熱式氧化裝置，簡稱RTO，對乏風進行氧化；第三部分是余熱利用發電。這個項目創新性地把三部分技術整合在一起。該項目總投資3.2億，裝機容量30WM，預計年發電量2.4 億千瓦時，每小時處理乏風108 萬立方米，年處理乏風達94 億立方米。實現年供電量2 億千瓦時，每年減少溫室氣體排放140 萬噸二氧化碳當量，節約標煤8.08 萬噸。