低濃度瓦斯熱源供暖技術(shù)的礦用實踐分析

李硯博

（山西韜拓云聯(lián)礦山技術(shù)有限公司， 山西 太原 030012）

0 引言

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，每年我國煤礦排放的甲烷量大約為190 億m3，為世界第一，約占我國工業(yè)生產(chǎn)排放的總甲烷量的1/3，其中，通過煤礦通風(fēng)瓦斯排放的甲烷量約為130～170 億m3，折合1 510～1 975 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤，與西氣東輸?shù)奶烊粴饬?20 億m3相當(dāng)[1]。甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的21 倍，對臭氧的破壞能力是CO2的7 倍。

隨著雙碳政策的不斷落地，礦井瓦斯也逐步被當(dāng)成一種清潔、高效的能源進行開發(fā)利用。低濃度瓦斯是一種危害較小、雜質(zhì)較低的礦井瓦斯[1-2]。目前細分能源的應(yīng)用越發(fā)成熟，以低濃度瓦斯為主要燃料，推動設(shè)備發(fā)電，再向終端供熱供暖成為了低濃度瓦斯利用的重要方式。但這種方式存在低濃度瓦斯進行燃燒不充分的弊端，為解決這一問題，筆者針對現(xiàn)有的設(shè)備提出了新的升級改造思路。

1 瓦斯資源及抽采情況

晉城某礦為低瓦斯礦井，但局部瓦斯聚集量較大，周邊煤礦多為高瓦斯礦井，因此該礦按高瓦斯礦井進行管理，配有一套瓦斯抽采系統(tǒng)，瓦斯泵站抽采瓦斯平均純量20.4 m3/min，平均瓦斯?jié)舛?%。

2 低濃度瓦斯利用方案

2.1 存在問題

目前該礦對低濃度瓦斯的抽采積極性不高，主要有以下兩點原因及解決方法：首先是CH4濃度低。當(dāng)煤礦瓦斯中CH4含量低于6%時則無法直接點燃，即使點燃也難以維持燃燒；其次是流量與濃度不穩(wěn)定。由于煤礦工作面變化，通風(fēng)瓦斯流量和濃度都存在大幅波動。

2.2 主要方案

目前，低濃度瓦斯綜合利用技術(shù)主要包括低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)、低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)和低濃度瓦斯氧化技術(shù)[4]。其中，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)使用范圍有限、利用效率低、前期投資大、維修量大；低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)投資高、功耗高、占地面積大、經(jīng)濟效益極差；低濃度瓦斯氧化技術(shù)運行費用高、投資高、占地面積大、經(jīng)濟效益極差。綜合來看，以上三種方案各有其弊端，因此筆者提出低濃度瓦斯直燃供暖技術(shù)。

3 低濃度瓦斯熱源撬供暖技術(shù)應(yīng)用

晉城某礦從瓦斯抽采泵站將低濃度瓦斯輸送至瓦斯直燃系統(tǒng)；低濃度瓦斯在燃燒室內(nèi)燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔猓缓筮M入余熱蒸汽鍋爐；在余熱蒸汽鍋爐中進行熱交換，最終產(chǎn)生蒸汽，進入礦使用的熱力管網(wǎng)，滿足礦上的用熱需求。本項目建設(shè)包括低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)一套、6 套低濃度瓦斯直燃控制撬和配套的6 個燃燒室、2 臺6 t 的余熱鍋爐，具體如下：

3.1 低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)

低濃度瓦斯氣源從泵站高壓管路接入低負壓抽采管，然后匯入混氣總管。安全輸送管路系統(tǒng)如圖1所示，主要由水封阻火泄爆裝置、自動噴粉抑爆裝置、自動阻爆裝置、監(jiān)測控制系統(tǒng)等組成的低濃度瓦斯安全輸送保障系統(tǒng)。

圖1 瓦斯安全輸送系統(tǒng)

低濃度瓦斯由參混裝置進入，經(jīng)水封阻火泄爆裝置后進入自動噴粉擬爆裝置。其中水封阻火泄爆裝置設(shè)計安置于摻混裝置入口較近的位置，自動噴粉抑爆器的安設(shè)位置應(yīng)距離相關(guān)輸送管路上安裝的最近的火焰?zhèn)鞲衅鬏S向距離40～50 m；當(dāng)有火花、壓力突變等情況出現(xiàn)時，各系統(tǒng)傳感器將在第一時間將信號傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)，在多重防護裝置共同作用下，確保瓦斯輸送安全。

3.2 直燃控制系統(tǒng)

利用低濃度瓦斯直燃技術(shù)，該技術(shù)采用金屬纖維表面燃燒器，直接燃燒器采用的是非常成熟的用于燃氣鍋爐的預(yù)混式表面燃燒器，這種燃燒器通過風(fēng)機配比為低濃度甲烷，在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定、可靠的燃燒，所以用于低濃度瓦斯的燃燒器也是安全可靠的。

直燃機控制系統(tǒng)主要由超低瓦斯?jié)舛热紵龣C、甲烷濃度監(jiān)測、燃氣電磁閥、空燃比例閥、球閥及流量孔板等組成。通過直燃監(jiān)控系統(tǒng)對各管路中的氣體狀況進行監(jiān)測，協(xié)調(diào)各設(shè)備高效運作，服務(wù)直燃系統(tǒng)的穩(wěn)定運作。燃燒控制系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 燃燒控制系統(tǒng)

3.3 燃氣管路改造

燃燒機的爐頭經(jīng)過采用特殊合金編織成金屬絲網(wǎng)用無縫織線技術(shù)處理。當(dāng)?shù)蜐舛韧咚购涂諝鈪⒒旌螅旌蠚怏w在合金纖維絲網(wǎng)上出現(xiàn)紅色火焰，此時燃燒強度可以接近2 500 kW/m2，整個燃燒過程更加充分、均勻。避免了局部高溫區(qū)的產(chǎn)生，有效抑制了熱力型氮氧化合物的生成，達到靜音燃燒，超低排放效果，實現(xiàn)NOx排放在30 mg/m3以下的環(huán)保目標(biāo)。低濃度瓦斯在燃燒室內(nèi)充分燃燒后，釋放出熱風(fēng)，從燃燒室出口排出，進入余熱鍋爐。現(xiàn)整個燃燒過程的燃燒方向、燃燒烈度和燃燒時限都是可控工作狀態(tài)，保證了燃燒過程全面受控，安全、可靠地完成整個燃燒制熱過程，完全符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。安裝示意圖如圖3所示。

圖3 直燃系統(tǒng)安裝

4 應(yīng)用效益

4.1 經(jīng)濟性

首先該瓦斯直燃技術(shù)可以將6%以上的低濃度瓦斯直接燃燒，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，工藝流程簡化，填補了國內(nèi)低濃度瓦斯直燃利用的技術(shù)空白。其次具有較低的運行成本，在項目運行中，直燃設(shè)備除了正常的運行維保外，只需定期更換燃燒器，無需其他成本。相比較更換催化劑，直燃項目的成本最低。

按照測算，由六臺直燃控制撬和兩臺六蒸噸的余熱鍋爐組成的低濃度瓦斯供熱系統(tǒng)，只要消耗20 m3/min純瓦斯，其釋放出來的熱能，完全可以替代一臺冬季使用的12T 蒸汽鍋爐和夏季使用的1 臺4T 蒸汽鍋爐。

4.2 環(huán)保效益

系統(tǒng)采用低瓦斯直燃技術(shù)，燃燒效率更高，火苗更集中、燃燒更充分，燃燒溫度控制在1 000 ℃以內(nèi)，有效抑制了NOx化合物的產(chǎn)生。如果對所有的抽采瓦斯回收利用，可以減排600 萬m3低濃度瓦斯/a，減排27 萬t 二氧化碳/a，碳排放減排效益顯著。

燃燒設(shè)備的均勻透氣性和燃氣與空氣的均勻預(yù)混，燃燒十分穩(wěn)定和溫度分布均勻，沒有局部高溫存在。預(yù)混又有足夠的空氣供給，故CO 的排放也低。如表1，根據(jù)對燃燒管路所排放的污染物進行采樣發(fā)現(xiàn)，顆粒物、NOx和CH4的排放量都大幅減少，符合大氣排放要求。

表1 排放物抽樣檢測表 單位：mg/m3

4.3 安全效益

這項技術(shù)的運用可使爆炸濃度的抽采瓦斯可進行安全可控地燃燒利用。大量的低濃度抽采瓦斯，能不受抽采瓦斯?jié)舛取⒘髁坎▌有杂绊懀窟M行可控的燃燒供熱及熱富集發(fā)電，便可真正實現(xiàn)礦井廢氣回收利用，實現(xiàn)大量減排指標(biāo)。

5 結(jié)語

低濃度瓦斯直燃熱源撬供暖一體化技術(shù)具有占地面積小、投資省、供熱效率高等特點，充分利用低熱值燃氣燃燒理論和技術(shù)，通過安全裝置、燃燒裝置與制熱裝置的集成，利用安全控制系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了低濃度瓦斯安全燃燒制熱的工業(yè)化應(yīng)用，開辟了一條低濃度瓦斯利用的新路線、新工藝，達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。