通風瓦斯利用技術比較與設備選擇

桑逢云 趙國泉

(國家安全生產監督管理總局信息研究院,北京 100029)

通風瓦斯利用技術比較與設備選擇

桑逢云 趙國泉

(國家安全生產監督管理總局信息研究院,北京 100029)

針對通風瓦斯特點,本文對通風瓦斯熱氧化技術、催化氧化技術和混合燃燒技術進行了比較分析,得出熱氧化技術為當前相對成熟技術,推廣應用性廣泛。通過對主要熱氧化設備生產商的性能分析,對設備選擇的影響因素進行了歸納和總結。

風排瓦斯 熱氧化 催化氧化 利用方案

Abstract:Based on the features of ventilation air methane(VAM),comparison and analysisof three VAM utilization technology has been done,including thermal oxidization,catalyst oxidization and hybrid coal gas combustion.It is proved that thermal oxidization technology is relatively matured and can be wildly applied and promoted.The paper summarizes the influencing factors during equipment selection according to the performance analysis of some major thermal oxidization equipments.

Keywords:VAM;thermal oxidation;catalytic oxidation;utilization plan

目前在我國煤礦排放的甲烷中,甲烷排出量的80%是通過風排瓦斯排出的。我國通風瓦斯排放量由2000年83億m3增加到2008年161m3,是西氣東輸(一期)的120億m3天然氣量輸送量的1.3倍,相當于每年有2200萬t標準煤被白白浪費掉。由于甲烷的溫室效應是二氧化碳的21倍,每年通過風排瓦斯向大氣中排入161億m3的純甲烷,相當于排放約1.8億t二氧化碳。風排瓦斯的濃度雖小,但總量卻特別巨大,如果能采取合適的開發利用方案,對風排瓦斯加以利用,將產生巨大的經濟效益、社會效益和環境效益。

1 風排瓦斯利用技術

國內外風排瓦斯利用方式可以分為兩大類:一類是作為主燃料利用方式,采用逆流式熱氧化和逆流式催化氧化技術兩種,另一類是作為輔助燃料利用方式,采用混合燃燒技術。

1.1 逆流式熱氧化技術

逆流熱氧化技術利用氣體與固體熱交換原理,先將氧化裝置氧化床用外部能源(如電源)進行加熱,熱量被氧化床中的蓄熱陶瓷吸收,陶瓷溫度逐漸升溫,并形成一個拋物線形的溫度梯度場,當達到甲烷自燃溫度后停止電源加熱。通過引風機將風排瓦斯引入氧化裝置,蓄熱陶瓷放熱逐步預熱風排瓦斯,當達到其一定溫度后甲烷與氧氣發生氧化反應釋放熱量。利用雙向流反應器技術將產生的熱量一部分熱量被蓄熱陶瓷吸收,維持氧化床內部溫度,使下一循環進入的甲烷繼續發生氧化反應,維持氧化裝置自動穩定運行,多余部分通過內置換熱器取出,用于制冷、制熱或發電。風排瓦斯熱氧化技術趨于成熟,運行比較可靠,但初期耗能大,設備要求連續運行,抵抗突發事故能力差。

采用熱氧化方式利用風排瓦斯的技術主要有中國勝利動力機械集團公司的熱氧化技術、美國MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術、英國HARWORTH公司的熱氧化技術。目前熱氧化技術日趨成熟,在全球開展了多個示范項目,正進入商業化開發階段。

1.2 催化氧化技術

催化氧化技術的基本原理是在催化劑的作用下,將甲烷的自燃溫度降低到幾百攝氏度以下(低于350℃),使風排瓦斯中的甲烷在較低的溫度條件下發生氧化反應,產生熱量。熱量一部分維持氧化反應,多于部分通過熱交換,用于制冷、制熱或發電。催化氧化方式具有初期投資少,啟動速度快等優點,但催化劑維持時間短,需要定期更換,后期維護費用較高。

采用催化氧化方式利用風排瓦斯的技術主要有澳大利亞聯邦科學與工業研究院(CSIRO)的CAT技術、加拿大礦物與能源技術中心的CH4Min技術。目前催化氧化方式已經完成實驗室試驗,但由于催化劑價格和開機率等原因還未開展示范項目。

1.3 混合燃燒技術

混合燃燒技術是在利用其他燃料提供的熱量,在高溫條件下,將風排瓦斯中的甲烷氧化,產生熱量,達到節省主燃料的目的。燃料使用可采取不同的組合方式、混合方式、流量速度和濃度。混合燃燒方式具有氧化效率高,設備投資小等優點,但只能在熱源地點與風井距離合適時才可以應用,靈活性差。

采用混合燃燒方式利用風排瓦斯的技術熱源可以來自燃氣輪機、內燃機和風井附近火電廠鍋爐、制磚窯爐的供風系統。混合燃燒技術比較簡單易行,在美國和澳大利亞開展了多個示范項目。

對比分析三種風排瓦斯利用技術(見表1),熱氧化技術和混合燃燒技術,是經過現場試驗檢驗的、趨于成熟的技術,催化氧化技術還處于試驗階段。混合燃燒技術要求風井周圍必須有配套熱源,而熱氧化技術撬裝氧化裝置系統因效率高,安裝簡單、運行管理自動化程度高,推廣應用性廣泛。

表1 三種技術對比表

2 風排瓦斯熱氧化設備的選擇

國內外風排瓦斯熱氧化生產商主要有美國MEGTEC公司、中國勝利動力機械集團公司、英國HARWORTH公司,在開展風排瓦斯利用項目時,設備選擇主要考慮以下因素,優選合理的開發利用方案。

2.1 技術成熟度

風排瓦斯熱氧化技術在設備啟動時,需要外部熱源提供初始反應熱,因此要求設備穩定性高,技術成熟,能夠連續運行。

目前,MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術已在全球有5個工業化運行的煤礦風排瓦斯利用項目,其中在中國第一個風排瓦斯利用項目于2008年10月在河南省鄭州煤業集團成功運行。山東勝動集團的風排瓦斯利用裝置于2007年5月在阜新礦業集團王營礦北風井正式運行;2008年,陜西煤化集團與勝動集團簽署協議,購買勝動集團生產的10臺風排瓦斯氧化裝置,目前該項目已開始試運行。HARWORTH公司的氧化裝置與1994年在英國煤業集團下屬的一個煤礦進行了論證性的運行,至今未見其商業化運行案例。

2.2 甲烷氧化率

甲烷氧化率是瓦斯利用效果優劣的直接指標,也是其項目效益的直接指標。MEGTEC公司VOCSIDZER技術風排瓦斯甲烷氧化率最高,為97.5%;HARWORTH公司風排瓦斯氧化技術的甲烷氧化率為97%;勝動集團風排瓦斯氧化技術甲烷氧化率較低為95%,國內設備商的氧化效率有待提高。

2.3 氧化熱利用方案

風排瓦斯利用方案主要有銷毀、供熱和發電三種方式。MEGTEC公司和勝動集團風排瓦斯設備均可用于乏風銷毀、供熱和發電,而HARWORTH公司的技術只用于風排瓦斯氧化銷毀。

2.4 風排瓦斯甲烷濃度要求

氧化設備正常運行對瓦斯濃度有要求,瓦斯濃度達到一定值時,設備才能正常運轉,達到設計目標。對于MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術,若風排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時,氧化裝置正常運轉所需最小甲烷濃度為0.2%;若風排瓦斯氧化后回收熱量用于供熱或發電,氧化裝置正常運轉需要甲烷濃度平均值為0.4%以上。

對于勝動集團的技術,若風排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時,氧化裝置正常運轉所需最小甲烷濃度為0.3%;若風排瓦斯氧化后回收熱量用于供熱或發電,氧化裝置正常運轉需要甲烷濃度平均值為0.5%以上。

對于HARWORTH的技術,若風排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時,氧化裝置正常運轉所需最小甲烷濃度為0.2%。

3 總結

通過對風排瓦斯利用技術對比分析和風排瓦斯設備生產商的研究,對風排瓦斯設備選擇總結如下:

(1)熱氧化技術和混合燃燒技術,是經過試驗檢驗的、趨于成熟的技術,催化氧化技術還處于試驗階段。

(2)熱氧化技術氧化裝置系統因效率高,安裝簡單、運行管理自動化程度高,推廣應用性廣泛。

(3)國內外不同設備生產商生產熱氧化設備在技術、甲烷氧化率、氧化熱利用方案和對甲烷濃度要求不同,在設計設備選擇時,應針對不同的資源供應情況和企業利用方案綜合考慮,優選合理的開發利用方案。

[1] 翁一武,蘇適.煤礦通風氣中甲烷減排及發電技術[J].上海電力,2005,(6):588-594.

[2] 陳宜亮,馬曉鐘.煤礦通風瓦斯氧化技術及氧化熱利用方式[J].中國煤層氣,2007,4(4):27-30.

[3] 王鑫陽,杜金.濃度低于1%礦井瓦斯氧化技術現狀及前景[J].煤炭技術,2008,27(9):1-2.

[4] 劉文革.煤礦回風瓦斯利用最新進展及前景分析[J].煤炭科學技術,2009,37(120):25-27.

Comparison of VAM Utilization Technology and Equipments Selection

Sang Fengyun,Zhao Guoquan
(China Coal Information Institute,Beijing 100029)

桑逢云,男,工程師,畢業于山東科技大學,現從事煤層氣開發利用研究工作。

(責任編輯 劉 馨)