潞安礦區煤礦瓦斯梯級利用技術及工程實踐

栗 磊 傅國廷 崔寶庫 栗魯平 靳曙琛 華明國

(潞安化工集團有限公司，山西 046204)

潞安集團主要生產基地潞安礦區和武夏礦區合計面積約4328km2，煤層氣(原位高濃度瓦斯)資源儲量約4340×108m3，可采儲量1120×108m3。十三五期間，潞安集團共有高瓦斯礦井20座，突出礦井2座。2020年，潞安集團所屬礦井抽采瓦斯總量超5×108m3，利用瓦斯總量超2.5×108m3。其中地面井抽采量0.5×108m3,利用量0.5×108m3，井下煤層氣抽采量4.5×108m3，利用量2.0×108m3。

1 乏風瓦斯氧化利用(甲烷體積分數<0.75%)

2015年5月潞安集團與中煤科工重慶研究院、浙江億揚能源科技有限公司等相關單位合作建成了潞安高河乏風氧化發電項目正式并網發電并穩定運行。乏風蓄熱氧化發電原理及工藝如圖1所示，對煤礦回風井擴散塔排出的乏風通過引風罩進行收集，同時將抽采瓦斯從抽采泵站引出，通過混配裝置摻入乏風后提升乏風甲烷濃度至1%～1.2%，然后經脫水裝置脫水后，送入蓄熱氧化裝置(Regenerative Thermal Oxidizer，以下簡稱“RTO”)進行氧化放熱，RTO出來的高溫煙氣進入鍋爐換熱，產生高溫高壓蒸汽推動汽輪機轉子轉動，從而帶動發電機轉子發電，發出的電能通過升壓變壓器升壓后并入電網。鍋爐中的富裕熱量或蒸氣輪機發電后的蒸氣余熱還可以通過換熱器換熱后用于洗浴、冬季供暖或煤礦進風井空氣加熱。

圖1 乏風氧化利用工藝流程圖

高河乏風氧化項目采用BOT合作模式，總投資3.8×108元，設計乏風處理能力108×104m3/h，配備12臺氧化裝置(RTO)(單臺處理乏風量90000m3/h)和1臺30MW汽輪發電機組，年發電量2×108kWh、年溫室氣體減排140×104t二氧化碳當量、替代標準煤6.8×104t。2015年5月投運至2020年底，累計發電量達到6.5×108kWh，摧毀甲烷3.0×108m3，累計運行超過4.5×104h，實現減排455萬t二氧化碳當量。

2 熱源撬供熱瓦斯利用(甲烷體積分數≥5%)

2016年5月潞安集團常村煤礦與北京亞炬同創技術有限公司共同研發了熱源撬低濃度瓦斯利用技術首期工程在常村煤礦中試成功，技術原理如圖2所示，在熱源撬瓦斯利用裝置內，有多個氧化反應室，將煤礦抽采瓦斯氣體經脫水器脫水后與風機送入的空氣共同送入NOx抑制器進行摻混并抑制氮氧化物的產生，摻混后濃度大于5%的瓦斯氣體分多路正壓(>3kPa)通入熱源撬反應室，瓦斯經熱源撬反應室內催化床滲流至熱源撬反應室氧化出氣口，由電弧一次性激發燃燒，氧化反應開始并積儲熱能，隨之進入自維氧化態連續工作，產生950±50℃的熱空風，殼體出風口負壓將熱風引出至熱水鍋爐將經過軟化水系統軟化的自來水加熱后向供熱管網供應熱水用于洗浴等，熱水鍋爐中的尾氣有排風機通過煙囪排出。

圖2 熱源撬瓦斯利用工藝流程圖

目前常村煤礦運行的熱源撬瓦斯利用項目單臺熱源撬的處理能力為2～10m3/min純瓦斯，甲烷摧毀率大于96%，氧化熱效率大于90%。滿負荷運轉時，可將115t/h的自來水溫度升高40℃；或生產1MPa、179.9℃的飽和蒸汽6.2t/h，該項目利用瓦量達340×104m3/a，年節約職工澡堂供熱費用500×104余元。

3 內燃機發電瓦斯利用(甲烷體積分數6%～30%)

內燃機發電瓦斯利用是潞安集團應用最早也是目前最普遍的瓦斯發電技術，2006年5月26日，潞安集團五陽煤礦建成的山西省第一個低濃度瓦斯內燃機發電站投用運行，目前潞安集團已建成投運14座低濃度內燃機瓦斯發電站，總裝機容量達82.5MW，日利用瓦斯量總計48×104余m3/d。

4 井下抽采高濃度瓦斯作為燃料利用(甲烷體積分數≥30%)

按《煤礦安全規程》規定，瓦斯氣中甲烷含量≥30%時，可用于工業或民用燃料。潞安集團一緣煤業于2009年在地面工業廣場瓦斯抽放泵站附近建成一座地面供氣站，工藝流程如圖3所示。

圖3 井下高濃度瓦斯利用工藝流程圖

井下抽采的高濃度瓦斯，通過羅茨風機輸送至儲氣罐(容量為5000m3)，瓦斯儲氣罐中的瓦斯經壓縮機加壓后通過供氣管路供給公司內部食堂、鍋爐、酒店等用氣地點使用。2013年后與當地銀海集團合作，其中銀海集團提供100%的純瓦斯對該礦抽采瓦斯濃度不足30%時，將其配足30%，供給煤礦內部和銀海集團使用，目前該礦抽采量約11×104m3/d，日瓦斯利用利用量約為3×104m3/d。

5 地面井抽采高濃度瓦斯利用(甲烷體積分數>90%)

潞安集團自1996年開展了地面瓦斯抽采先導性試驗，積累了較為豐富的理論與實踐經驗。截止2019年底，潞安集團地面瓦斯抽采井正常排采運行414口，產氣量約2150×104m3/a，2020年新增地面瓦斯抽采井鉆井102口，壓裂和排采117口，穩產后預計增加產能1300×104m3/a。目前潞安集團建成地面井抽采高濃度瓦斯利用項目5個，分別為五陽煤礦、李村煤礦、余吾煤業采用集輸后壓縮儲氣(CNG)的方式進行利用，高河能源、李陽煤業采用集輸后增壓入管網的方式進行利用，年可利用瓦斯約1170×104余m3/a，未利用高濃度瓦斯進行焚燒減少溫室氣體排放。