乏風發電技術在黃陵礦區應用的優勢分析

馬功社，閆 贊

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

黃陵礦業集團有限責任公司是陜西煤業化工集團所屬大型現代化核心企業，位于陜西省延安市黃陵縣店頭鎮，是國家“八五”重點建設項目，20項興陜工程之一。“十三五”期間，堅持發展循環經濟，形成煤矸石發電、粉煤灰治磚、治水泥的循環經濟產業鏈，實現了高碳產業低碳運營，黑色資源綠色開采的環保型經營模式。近年來，黃陵礦業公司響應國家號召，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電技術，堅持企業發展生態優先的戰略思想，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，沒有實現真正意義瓦斯全利用、零排放，對黃陵礦業公司所處天然林保護區造成污染，正值黃陵礦業公司編制“十四五”發展規劃之際，乏風發電技術在“十四五”發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

黃陵礦區位于鄂爾多斯盆地東南緣，屬于煤、油、氣共生礦區。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為高瓦斯礦井，瑞能煤業為低瓦斯礦井。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。黃陵礦業公司近幾年踐行“高碳產業、低碳發展”綠色發展模式，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”期間應用乏風發電技術很有必要，徹底實現黃陵礦業公司瓦斯“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，對環境污染很大。

2 乏風發電技術

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，使濃度達到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電與供熱基本原理示意圖。發電時，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是乏風發電的關鍵技術。在啟動系統時，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%，這個系統就可以自動循環運行，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 創新點及政策優勢

3.1 乏風發電技術創新點

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；克服了內燃機發電引發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，解決煤礦面臨的環保壓力，冬季供暖期間可大大提高系統的熱能利用效率。

3.2 國家和地方優惠政策

3.2.1 國家優惠政策

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〔2006〕47號)[6]、國家發展改革委印發關于利用煤層氣發電工作實施意見(發改能源〔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[2013]93號)[8]，從電價、財政補貼、增值稅優惠、所得稅優惠等方面制定政策，以便促進產業的發展。根據財政部、國家稅務總局(財稅〔2015〕78號)文件相關規定，利用煤炭開采過程中產生的煤層氣(煤礦瓦斯)發電，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]。國家發改委于2019年11月發布的《產業結構調整指導目錄(2019年版)》[10]，“乏風瓦斯發電技術及開發利用”入選列為鼓勵類投資項目。關于組織申報煤層氣(瓦斯)開發利用財政補貼資金的通知(財辦建〔2008〕34號)：發電自用可申請財政補貼[11]。《資源綜合利用企業所得稅優惠目錄(2008年版)》：應納稅額按照90%計提[12]。

3.2.2 地方優惠政策

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〔2014〕108號)的規定，由省財政對煤炭、煤層氣企業開采的煤層氣(煤礦瓦斯)出售或用作民用燃氣、化工原料及用于發電的，根據可計量的實際利用量對企業給予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，促進資源型地區經濟轉型和高質量發展，增強能源安全保障能力，提升綠色低碳發展水平[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《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〔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)發電上網電價有關問題的通知》(晉價商字〔2011〕13號)，規定上網電價為0.509元/度[16]。

4 結語

乏風發電技術是對地面泵站抽排瓦斯發電的補充，是徹底實現瓦斯“零排放”的有力舉措。該項技術堅持了企業發展生態優先的戰略思想，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惠政策，降低了財務成本。此項技術將給企業帶來良好的經濟效益、環境效益和社會效益，值得“十四五”期間在黃陵礦區進行推廣和應用。