乏風(fēng)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目可行性分析

張志洪, 晏乃強(qiáng)

(1. 上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240;2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

環(huán)保技術(shù)

乏風(fēng)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目可行性分析

張志洪1,2, 晏乃強(qiáng)1

(1. 上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200240;2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院， 上海 200240)

介紹了乏風(fēng)瓦斯發(fā)電技術(shù)的原理及工藝流程，并對(duì)乏風(fēng)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了具體分析，為國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目提供了一定的借鑒。

煤層氣； 乏風(fēng)瓦斯； 發(fā)電； 經(jīng)濟(jì)性

煤礦瓦斯，也叫煤層氣，是富集在煤炭中的一種共生氣體，主要成分是甲烷(CH4)，是一種無色、無臭、易燃、易爆的氣體。CH4是僅次于CO2的重要溫室氣體，CH4排入大氣而引起氣候異常以及對(duì)臭氧層的破壞，已經(jīng)成為全世界共同面臨的重大問題。

煤礦瓦斯按其來源可分為三大類：一是來自礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的瓦斯；二是來自地面礦井的瓦斯；三是來自礦井回風(fēng)井排出的瓦斯。

煤礦采礦過程中，為了降低礦井中的瓦斯?jié)舛?、提高煤礦生產(chǎn)的安全性，需要采用大量乏風(fēng)的方法將煤礦瓦斯排到礦井外，這部分煤礦瓦斯稱為乏風(fēng)瓦斯或通風(fēng)瓦斯(Ventilation Air Methane，VAM)。

1 乏風(fēng)瓦斯處理現(xiàn)狀

乏風(fēng)瓦斯中的CH4體積分?jǐn)?shù)非常低(一般在0.1%～0.75%)，且波動(dòng)范圍大，直接作為主燃料使用受到了一定的限制，目前幾乎所有的煤礦沒有嘗試回收和處理礦井乏風(fēng)中的CH4，而直接將其排放到大氣之中。乏風(fēng)瓦斯是最大的CH4工業(yè)排放源，收集和利用煤礦乏風(fēng)瓦斯，減少溫室氣體排放，是我國(guó)面臨的緊迫任務(wù)之一。

我國(guó)每年通過乏風(fēng)排入大氣的CH4約為(100～150)×108m3，相當(dāng)于(1 140～1 700)×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，而且基本沒有得到利用。由于CH4具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，相當(dāng)于CO2溫室效應(yīng)的21.5倍，對(duì)臭氧層的破壞能力是CO2的7倍。隨著國(guó)家對(duì)能源的需求越來越大，不斷發(fā)展分布式能源成為節(jié)約能源、解決當(dāng)前能源危機(jī)的主要途徑之一，而豐富廉價(jià)、現(xiàn)實(shí)存在的乏風(fēng)資源就是可靠的氣源保證[1]。然而由于煤礦乏風(fēng)CH4含量極低，如果進(jìn)行分離提純，耗能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過獲取CH4的能量，很不經(jīng)濟(jì)；另外這種濃度的CH4不能直接燃燒，所以長(zhǎng)期以來只能空排，造成了巨大的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，以及節(jié)能減排力度的加大，乏風(fēng)瓦斯的處理和利用技術(shù)正在得到越來越多的應(yīng)用。

2 乏風(fēng)瓦斯發(fā)電原理及流程

目前乏風(fēng)瓦斯的利用技術(shù)主要有恩姆易基機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)公司(MEGTEC)開發(fā)的熱逆流氧化器(TFRR)和加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心(CANMET)開發(fā)的催化熱逆流氧化器(CFRR)。兩者的區(qū)別在于催化劑的使用和反應(yīng)溫度不同。從實(shí)際商業(yè)運(yùn)行的角度來看，目前只有TFRR在煤礦領(lǐng)域有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

TFRR是一個(gè)固定在鋼架上的密封鋼制容器，容器內(nèi)是陶瓷床，陶瓷床內(nèi)部裝有電加熱器元件。TFRR的氧化反應(yīng)化學(xué)方程式如下[2]：

(1)

氧化器先通過電加熱將陶瓷床中心加熱至1 000 ℃，當(dāng)乏風(fēng)瓦斯經(jīng)過高溫區(qū)時(shí)，發(fā)生上述的化學(xué)反應(yīng)，并釋放出熱量，通過熱量交換，熱量被傳遞到整個(gè)陶瓷床。

如果乏風(fēng)瓦斯中的CH4濃度達(dá)到某個(gè)平衡點(diǎn)，則系統(tǒng)不需要外部熱量就可以維持自身的運(yùn)行，而這個(gè)平衡點(diǎn)就是乏風(fēng)瓦斯中的CH4氧化產(chǎn)生的熱量，等于氧化器本身的熱量損失和出口煙氣帶走的熱量。如果乏風(fēng)瓦斯中的CH4濃度高于平衡點(diǎn)，而且沒有將氧化產(chǎn)生的多余能量通過熱交換導(dǎo)出，出口氣體溫度將非常高。將多余的熱量通過熱交換導(dǎo)出，則氧化器可以持續(xù)不斷地運(yùn)行，導(dǎo)出的熱量可以用來供熱或發(fā)電。要使余熱發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，通常需要CH4體積分?jǐn)?shù)不低于0.5%，當(dāng)乏風(fēng)瓦斯中的CH4體積分?jǐn)?shù)低于0.5%時(shí)，需要補(bǔ)充一些低濃度瓦斯(CH4體積分?jǐn)?shù)30%～40%)。

乏風(fēng)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

3 效益分析

重慶某煤礦風(fēng)井排風(fēng)量為700 000 m3/h，乏風(fēng)瓦斯中的CH4體積分?jǐn)?shù)為0.6 %，安裝8臺(tái)單臺(tái)處理能力為62 500 m3/h乏風(fēng)瓦斯的TFRR，總處理能力為500 000 m3/h。乏風(fēng)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

3.1 凈發(fā)電收益分析

每小時(shí)CH4氧化產(chǎn)生的熱功率：

Q1=1 000Vφη1q1/(22.4×3 600)

(2)

式中：V為每小時(shí)處理的乏風(fēng)瓦斯體積，m3/h；φ為乏風(fēng)瓦斯中的CH4體積分?jǐn)?shù)；η1為TFRR的CH4氧化效率；CH4氧化時(shí)產(chǎn)生的熱量q1=801.3 kJ/mol。以CH4體積分?jǐn)?shù)0.6%、CH4氧化效率97%計(jì)，Q1為28 916 kW。

TFRR自身散熱損失取1%，余熱鍋爐效率80%，汽輪發(fā)電機(jī)組效率26%，可發(fā)電量為5 954 kW。

可配6 MW汽輪發(fā)電機(jī)組一套，扣除1 400 kW廠用電，凈發(fā)電量可達(dá)4 554 kW。

煤礦瓦斯發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)比照生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目上網(wǎng)電價(jià)[3]。目前，重慶地區(qū)煤礦瓦斯發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)為0.583元/(kW·h)，按年運(yùn)行7 800 h計(jì)，凈發(fā)電年收益為2 070.89萬元。

3.2 減排收益分析

項(xiàng)目可減少溫室氣體的排放，所獲得的碳減排量可以用于碳交易。碳交易主要有兩種途徑：一種是通過清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)參與國(guó)際碳市場(chǎng)交易；二是參與國(guó)內(nèi)碳排放權(quán)交易。

由于近幾年歐洲經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不佳，國(guó)際碳價(jià)已經(jīng)由2008年前的10～30歐元/t跌至0.1歐元/t以下。除非國(guó)際碳價(jià)大幅度回升，否則依靠CDM獲得的經(jīng)濟(jì)收益將接近為零。

我國(guó)從2011年10月開始在北京市、天津市、上海市、重慶市、湖北省、廣東省及深圳市等7個(gè)省市開展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)，目前碳交易價(jià)格在20～50元/t。項(xiàng)目總的減排量為CH4消除引起的減排量加上凈發(fā)電替代電網(wǎng)電力所獲得的減排量[4]。估算得到的項(xiàng)目減排量見表2。

表2 碳減排量估算 t

按碳價(jià)25元/t計(jì)，碳交易年收益約為916.75萬元。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》[5]，由以上數(shù)據(jù)計(jì)算后得到的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見表3。

表3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

由表3可知：財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為23.92%，遠(yuǎn)大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率8%；累計(jì)財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值6 060.18萬元，遠(yuǎn)大于零；投資回收期3.69年。以上表明，項(xiàng)目的財(cái)務(wù)盈利能力較強(qiáng)，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 其他因素分析

項(xiàng)目的總投資、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)、上網(wǎng)電價(jià)、售碳價(jià)是主要的不確定因素。各因素的單因素敏感分析見表4～表7。

表4 總投資敏感性分析

表5 上網(wǎng)電價(jià)敏感性分析

表6 年運(yùn)行小時(shí)數(shù)敏感性分析

表7 售碳價(jià)敏感性分析

由表4～表7可以看出：在考慮了總投資、上網(wǎng)電價(jià)、年運(yùn)行小時(shí)10%的變化范圍后，項(xiàng)目的盈利能力仍然好；考慮到售碳價(jià)受政策影響較大，即使售碳價(jià)為零時(shí)，內(nèi)部收益率還是能夠達(dá)到9.08%，投資回收期為6.4年，項(xiàng)目仍然可行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 乏風(fēng)瓦斯發(fā)電利用項(xiàng)目，能夠減少溫室氣體排放，獲得巨大的環(huán)保效益。通過向電網(wǎng)出售電力以及碳交易，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)收益。

(2) 即使不考慮碳交易收益，僅僅考慮售電獲得的收益，乏風(fēng)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目仍然是可行的。

(3) 國(guó)家能源局提出要“加快實(shí)施低濃度瓦斯液化濃縮和風(fēng)排瓦斯利用示范項(xiàng)目”[6]，為乏風(fēng)瓦斯發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施提供了政策支持，預(yù)示此類項(xiàng)目將會(huì)有更大的發(fā)展前景。

[1] 王鑫陽(yáng),杜金.濃度低于1%的礦井瓦斯氧化技術(shù)現(xiàn)狀及前景[J]. 煤炭技術(shù)，2008(9):1-3.

[2] 袁亮. 中國(guó)煤礦區(qū)煤層氣清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目開發(fā)理論與實(shí)踐[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[3] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). 國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)關(guān)于利用煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電工作的實(shí)施意見的通知：發(fā)改能源(2007)721號(hào)[A/OL]. [2007-04-16]. http://www.gov.cn/zwgk/2007-04/16/content_583702.htm.

[4] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). 回收煤層氣、煤礦瓦斯和通風(fēng)瓦斯用于發(fā)電、動(dòng)力、供熱和/或通過火炬或無焰氧化分解[EB/OL]. [2013-01-29]. http://www.ccchina.gov.cn/archiver/cdmcn/UpFile/Files/Default/20130311165532236827. pdf.

[5] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì), 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)[M]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

[6] 國(guó)家能源局. 國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)煤層氣勘探開發(fā)行動(dòng)計(jì)劃的通知：國(guó)能煤炭[2015]34號(hào)[A/OL]. [2015-02-03]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto85/201502/ t20150216_1890.htm.

Feasibility Analysis on Power Generation with VAM

Zhang Zhihong1,2, Yan Naiqiang1

(1. School of Environmental Sciences and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

An introduction is being presented to principles and process flow of the power generation technology with ventilation air methane (VAM), together with an analysis on economic feasibility of corresponding power generation projects using VAM, which may serve as a reference for similar domestic projects.

coalbed methane; ventilation air methane; power generation; economy

2015-03-04

張志洪(1981—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電站鍋爐、環(huán)保專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

E-mail: zhangzhihong@speri.com.cn

X701

A

1671-086X(2015)04-0291-03