乏風發(fā)電技術在黃陵礦區(qū)應用的優(yōu)勢分析

馬功社，閆 贊

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業(yè)集團有限責任公司是陜西煤業(yè)化工集團所屬大型現代化核心企業(yè)，位于陜西省延安市黃陵縣店頭鎮(zhèn)，是國家“八五”重點建設項目，20項興陜工程之一。“十三五”期間，堅持發(fā)展循環(huán)經濟，形成煤矸石發(fā)電、粉煤灰治磚、治水泥的循環(huán)經濟產業(yè)鏈，實現了高碳產業(yè)低碳運營，黑色資源綠色開采的環(huán)保型經營模式。近年來，黃陵礦業(yè)公司響應國家號召，深化綠色礦山示范礦井建設，在礦井開采過程中形成廢棄物上下功夫，尤其把煤礦的“第一殺手”瓦斯當作一種新的資源開發(fā)和利用，先后在黃陵一號煤礦三號風井、黃陵二號煤礦二號風井實現了瓦斯抽放泵站抽排瓦斯發(fā)電技術，堅持企業(yè)發(fā)展生態(tài)優(yōu)先的戰(zhàn)略思想，減少瓦斯排空對大氣造成的污染[1-2]。但是在乏風利用方面一直處于空白狀態(tài)，沒有實現真正意義瓦斯全利用、零排放，對黃陵礦業(yè)公司所處天然林保護區(qū)造成污染，正值黃陵礦業(yè)公司編制“十四五”發(fā)展規(guī)劃之際，乏風發(fā)電技術在“十四五”發(fā)展期間得到應用和推廣很有必要。

1 工程背景

1.1 工程概況

黃陵礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣，屬于煤、油、氣共生礦區(qū)。井田含煤地層位侏羅系延安組，厚度50.64～150.81 m，平均厚度92.29 m，共含煤4層，自上而下依次為0號煤層、1號煤層、2號煤層和3號煤層。2號煤層為主要可采煤層，結構簡單，厚度0.8～6.3 m，平均厚度3.12 m，傾角3°～5°。煤層原始瓦斯含量1.47～7.9 m3/t，本煤層瓦斯、頂底板油型氣賦存極不均勻。黃陵礦業(yè)公司下屬四對生產礦井，其中一號煤礦、二號煤礦和雙龍煤業(yè)為高瓦斯礦井，瑞能煤業(yè)為低瓦斯礦井。為了確保礦井安全生產，對高瓦斯礦井堅持“邊抽邊掘、先抽后采”的原則，每年排放到大氣中純瓦斯達1.54億Nm3，相當于CO2排放量232萬t。在這1.54億Nm3純瓦斯中，有1.04億Nm3純瓦斯經過地面瓦斯抽放泵站抽排到大氣中。黃陵礦業(yè)公司近幾年踐行“高碳產業(yè)、低碳發(fā)展”綠色發(fā)展模式，先后在黃陵一號煤礦的三號風井、二號煤礦的二號風井建立了瓦斯發(fā)電廠，對瓦斯泵站抽排的瓦斯得到了充分利用，減少對大氣造成污染。但對0.5億Nm3風排純瓦斯沒有利用，在“十四五”期間應用乏風發(fā)電技術很有必要，徹底實現黃陵礦業(yè)公司瓦斯“零排放”。

1.2 煤礦瓦斯分類及利用現狀

甲烷濃度高于30%的瓦斯，即為高濃度瓦斯。30%以上的抽放瓦斯被用作高濃度內燃發(fā)電、管道民用燃氣、LNG、CNG等，容易利用。甲烷濃度低于30%的瓦斯，即為低濃度瓦斯。8%～30%的抽放瓦斯部分用于低濃度內燃發(fā)電，低濃度內燃機運行受瓦斯氣源濃度、流量、壓力波動影響，大部分低濃度瓦斯內燃機運行小時數偏低、維護成本高，且氮氧化物排放超標[3]。甲烷濃度8%以下的抽放瓦斯和乏風目前幾乎全被排空，利用率很低，對環(huán)境污染很大。

2 乏風發(fā)電技術

2.1 基本原理

煤礦在開采時，為防止瓦斯爆炸、保障煤礦安全，向礦井鼓入新風，從回風井口排回空中的通風氣流攜帶濃度低于0.75%的甲烷，稱為風排瓦斯，俗稱“乏風”。把抽放泵站的低濃度瓦斯摻混到乏風里，使?jié)舛冗_到1.2%再導入蓄熱式高溫氧化裝置。極低濃度甲烷在高溫反應腔里瞬間無火焰地氧化為水和二氧化碳[4]，圖1為乏風及抽放瓦斯氧化技術發(fā)電與供熱基本原理示意圖。發(fā)電時，極低濃度甲烷在高溫反應腔里瞬間氧化，并釋放出巨大氧化熱。熱能的一小部分用于維持反應溫度，大部分熱能被導出到余熱鍋爐和水進行熱交換，產出過熱高壓水蒸氣，驅動汽輪機發(fā)電。供熱時，冬季從汽輪機中間級抽出部分熱水蒸氣，并可利用汽輪機末端乏汽，為煤礦通風系統(tǒng)的進風井供暖，幫助煤礦完成政府下達的淘汰小型燃煤鍋爐的任務指標[5]。

圖1 乏風及抽放瓦斯氧化技術發(fā)電與供熱基本原理

2.2 關鍵技術

蓄熱式高溫氧化裝置系統(tǒng)是乏風發(fā)電的關鍵技術。在啟動系統(tǒng)時，先用柴油(或者丙烷、液化氣)噴燃器把兩個塔里的陶瓷床加熱到900 ℃以上。當乏風通過第一個陶瓷床進入上方的增壓燃燒室時，空氣的溫度上升到空氣里的甲烷被氧化。甲烷氧化的放熱反應釋放出熱量。當氣體進入第二個較冷的陶瓷床時，陶瓷材料能有效地吸收熱量。只要乏風中的甲烷濃度達到0.2%，這個系統(tǒng)就可以自動循環(huán)運行，用氧化熱能維持氧化過程，其工作原理如圖2所示。

圖2 雙塔蓄熱式高溫氧化裝置

為了保持在兩個陶瓷床之間(上方)的高溫區(qū)的溫度，需要每隔2 min就變換乏風流入的方向(從一個塔的入口變到另一個塔的入口)。陶瓷床材料層，溫度分布均勻，不會因某處的高溫產生嚴重的熱氧氮化物。經過熱平衡計算，在入口乏風風量為90 000 Nm3/h，甲烷濃度1.2%(每分鐘處理折純甲烷18 Nm3)，RTO可從蓄熱反應室頂部產出950 ℃高溫熱風24 000 Nm3/h，其余66 000 Nm3/h低溫排氣在50 ℃左右，通過低溫端直接排走。

3 創(chuàng)新點及政策優(yōu)勢

3.1 乏風發(fā)電技術創(chuàng)新點

乏風及抽放瓦斯氧化利用技術填補了乏風及濃度低于8%的抽放瓦斯無法利用的技術空白。可以銷毀利用包括乏風、低濃度和高濃度抽放瓦斯，在抽放瓦斯足夠的情況下可以銷毀全部乏風，真正實現煤礦瓦斯零排放，極大提高瓦斯利用率。解決了乏風直接排空過程中溫室氣體排放和煤塵微粒排放的問題；克服了內燃機發(fā)電引發(fā)的氮氧化物次生污染，目前該技術經第三方檢測機構檢測氮氧化物排放低于檢出限2 mg/m3，為近零排放。實現了溫室氣體減排，甲烷的溫室氣體效應是二氧化碳的25倍，以一個25 MW的乏風及抽放瓦斯氧化熱電聯供項目為例，每年可實現碳減排134萬t。可實現穩(wěn)定的熱電聯供，從而可以替代煤礦燃煤鍋爐，解決煤礦面臨的環(huán)保壓力，冬季供暖期間可大大提高系統(tǒng)的熱能利用效率。

3.2 國家和地方優(yōu)惠政策

3.2.1 國家優(yōu)惠政策

國務院辦公廳關于加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的意見(國辦發(fā)〔2006〕47號)[6]、國家發(fā)展改革委印發(fā)關于利用煤層氣發(fā)電工作實施意見(發(fā)改能源〔2007〕721號)[7]、國務院辦公廳關于進一步加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的意見(國辦發(fā)[2013]93號)[8]，從電價、財政補貼、增值稅優(yōu)惠、所得稅優(yōu)惠等方面制定政策，以便促進產業(yè)的發(fā)展。根據財政部、國家稅務總局(財稅〔2015〕78號)文件相關規(guī)定，利用煤炭開采過程中產生的煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電，并且達到技術標準和相關條件(產品燃料95%以上來自所列資源)的一般增值稅納稅人，享受100%退稅比例[9]。國家發(fā)改委于2019年11月發(fā)布的《產業(yè)結構調整指導目錄(2019年版)》[10]，“乏風瓦斯發(fā)電技術及開發(fā)利用”入選列為鼓勵類投資項目。關于組織申報煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用財政補貼資金的通知(財辦建〔2008〕34號)：發(fā)電自用可申請財政補貼[11]。《資源綜合利用企業(yè)所得稅優(yōu)惠目錄(2008年版)》：應納稅額按照90%計提[12]。

3.2.2 地方優(yōu)惠政策

根據陜西省人民政府辦公廳《關于進一步加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的實施意見》(陜政辦發(fā)〔2014〕108號)的規(guī)定，由省財政對煤炭、煤層氣企業(yè)開采的煤層氣(煤礦瓦斯)出售或用作民用燃氣、化工原料及用于發(fā)電的，根據可計量的實際利用量對企業(yè)給予0.1元/m3(折純)的補貼[13]。2019年5月29日，習近平總書記主持召開中央全面深化改革委員會第八次會議，審議通過了《關于在山西開展能源革命綜合改革試點的意見》，要求山西發(fā)揮在推進全國能源革命中的示范引領作用，促進資源型地區(qū)經濟轉型和高質量發(fā)展，增強能源安全保障能力，提升綠色低碳發(fā)展水平[14]。2019年9月16日，山西省召開了全省能源革命綜合改革試點動員部署大會，駱惠寧書記深刻闡述了開展能源革命綜合改革試點的重大意義，對推進能源革命綜合改革試點作出全面部署，樓陽生省長圍繞抓好任務落實提出了具體要求，山西省政府推出了15項變革性、牽引性、標志性重大舉措，其中在第2項“創(chuàng)新煤炭利用方式，提升清潔高效利用水平”明確提出建設乏風及低濃度瓦斯發(fā)電項目，實現氮、硫、塵近零排放。關于“十三五”期間煤層氣(瓦斯)開發(fā)利用補貼標準的通知(財建〔2016〕31號)、山西省人民政府辦公廳關于印發(fā)《山西省煤礦瓦斯抽采全覆蓋工程實施方案》的通知(晉政辦發(fā)〔2015〕69號)：山西省省財政補貼從0.05元/方提高到0.1元/方，中央財政補貼從0.2元/方提高到0.3元/方，瓦斯利用財政補貼合計0.4元/方[15]。山西省物價局《關于煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電上網電價有關問題的通知》(晉價商字〔2011〕13號)，規(guī)定上網電價為0.509元/度[16]。

4 結語

乏風發(fā)電技術是對地面泵站抽排瓦斯發(fā)電的補充，是徹底實現瓦斯“零排放”的有力舉措。該項技術堅持了企業(yè)發(fā)展生態(tài)優(yōu)先的戰(zhàn)略思想，每年消耗風排純瓦斯0.5億Nm3，減少碳排放77.3萬t，并享受國家和地方優(yōu)惠政策，降低了財務成本。此項技術將給企業(yè)帶來良好的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益，值得“十四五”期間在黃陵礦區(qū)進行推廣和應用。