霍爾辛赫煤礦低濃度瓦斯蓄熱氧化供熱設計

羅申國

(煤炭工業太原設計研究院，山西 太原 030001)

0 引言

為了積極響應國家和山西省大氣污染行動計劃，霍爾辛赫煤礦2017年將燃煤鍋爐改造為天然氣鍋爐，鍋爐總容量為25 t/h，安裝有2臺10 t/h和1臺15 t/h天然氣鍋爐，燃料來源為城市管網天然氣，運行方式為采暖季3臺鍋爐全部運行，非采暖季只運行1臺10 t/h鍋爐，用于為煤礦洗浴熱水提供加熱蒸汽。天然氣鍋爐于2017年10月底投入運行，2017年采暖季5個月燃用天然氣514萬m3，共支付天然氣燃料費用1 997萬元。為了節省鍋爐的運行燃料成本，擬將煤礦瓦斯抽采泵站目前排空的低濃度瓦斯回收廢物利用，通過安裝蓄熱氧化機組將低濃度瓦斯氧化，尾部配置余熱鍋爐回收氧化機組排放的煙氣余熱，產生飽和蒸汽替代現有部分天然氣鍋爐為煤礦供熱，從而減少天然氣鍋爐運行時間，減少天然氣使用量。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦開采3#煤層，井田面積71.394 6 km2，3#煤層資源量共計545.30 Mt，可采儲量為240.01 Mt，礦井設計生產能力3 Mt/a，服務年限61.5 a。礦井瓦斯平均含量6.87 m3，礦井瓦斯儲量41.20億m3，可抽放瓦斯總量19.57億m3，瓦斯資源較豐富。地面固定瓦斯抽采泵站已建成投產，安裝有4臺水環真空泵，2運2備；根據霍爾辛赫瓦斯抽采泵站近3年抽采報表統計數據，2016年抽采瓦斯量941萬m3、2017年抽采瓦斯量880萬m3、2018年1月—8月19日抽采瓦斯量475.24萬m3，抽采濃度在1%～30%(其中1%～5%濃度區間瓦斯抽采量)，抽采純量6～22 m3/min，平均抽采純量20.4 m3/min。利用煤礦固定地面瓦斯抽采泵站抽采系統抽放的瓦斯，燃料來源有保證。

2 氧化機組選型

從霍爾辛赫煤礦瓦斯抽放泵站抽放記錄表的瓦斯參數可知，瓦斯抽采泵站抽采瓦斯平均純量20.4 m3/min，平均瓦斯濃度5%，按混合空氣后甲烷濃度1%計算，混合后的混合氣量為122 400 m3/h。目前，國內外低濃瓦斯的利用主要有熱氧化、催化氧化和作為輔助燃料3種利用方式[1-3]。采用熱氧化方式利用低濃瓦斯的技術主要有重慶研究院和中國勝利動力機械集團公司(以下簡稱勝動集團)的熱氧化技術、美國Megtec公司的Vocsidizer技術、德國EISENMANN的熱氧化技術、英國Harworth公司的熱氧化技術、加拿大Biothermica公司的VAMOXTM技術；采用催化氧化方式利用低濃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。熱回流氧化器(TFRR)或再生熱氧化器(RTO)由在工業領域得到廣泛應用的VOC氧化器發展而來，其核心溫度達1000℃，適用瓦斯濃度范圍為0.2%至1.2%之間；是經過檢驗的切實可靠的技術，應用也已經得到證明，可以處理煤礦通風排出的所有低濃瓦斯[4-7]；但溫度高，體積大，成本高昂。再生催化氧化器(RCO)工業應用已被證實，專用催化劑的技術已經獲得很多國家認可，工作溫度600～800 ℃，適用瓦斯濃度范圍為0.2%～1.0%之間；相對前者來說其工作溫度更低，因此很可能是成本最低的低濃瓦斯減排方案。可以處理煤礦通風排出的所有低濃瓦斯[8-10]；但體積較大，暫時無商業應用。將低濃瓦斯用做助燃空氣使用適用于燃煤燃氣鍋爐，瓦斯發電機組，適用于任何濃度的瓦斯氣體，無需特殊技術，煤礦排風井和瓦斯抽采泵站距離瓦斯電站較近時，其相對成本較低，可以利用部分低濃瓦斯；如果煤礦排風井和瓦斯抽采泵站距離瓦斯電站較遠，通過管道輸送大量低濃瓦斯供瓦斯電站用作燃燒空氣投資費用大，經濟性較差。

綜上所述，雖然已經有一系列被開發出的低濃瓦斯利用技術，但只有熱氧化技術(包括使用催化劑的技術和不使用催化劑的技術)是已實現工業化運行、較為成熟的技術；加拿大礦物與能源技術中心的CH4Min技術是研發比較早的一種低濃瓦斯催化氧化技術，但其商業化推廣進展較慢。故本項目擬采用熱氧化技術。根據瓦斯抽采氣量，考慮到瓦斯抽采濃度波動和夏季供洗澡水用熱負荷小的問題，擬配置2臺6萬m3蓄熱氧化機組，每臺蓄熱氧化機組配套一臺6 t/h余熱蒸汽鍋爐，產生飽和蒸汽(0.5 MPa)送至煤礦鍋爐房現有分汽缸供熱。

3 系統簡介

3.1 低濃瓦斯安全輸送系統

低濃度瓦斯輸送安全保障系統執行《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》(AQ 1076—2009)中內燃機瓦斯發電管道輸送安全保障系統設計要求。設計采用由水封阻火泄爆裝置、自動噴粉抑爆裝置和自動阻爆裝置為主組成的低濃度瓦斯的輸送安全保障系統，包括設備閥門和監控系統2部分。設備閥門主要包括水封阻火泄爆裝置、自動抑爆裝置抑爆器、自動阻爆閥門、濕式放散罐、電動調節閥等；監測控制系統由穩壓電源、爆炸信號控制器、電氣轉換控制箱、傳感器、聲光報警器等組成。

低濃度瓦斯氣源從泵站高低負壓抽采系統放空管后預留接口接入，高負壓抽采系統和低負壓抽采系統預留接口管徑均為DN600，接口后干管分別依次安裝手動關斷閥、橡膠軟連接、濕式放散管、調節放散管、緊急放散管、快速切斷閥、水封阻火器和手動關斷閥，然后匯入總管DN600，再分兩趟DN500低濃度瓦斯安全輸送管路輸送至摻混裝置。兩趟DN500低濃安全輸送管路上依次安裝自動阻爆閥門及干式泄爆器、自動抑爆裝置抑爆器和水封阻火泄爆裝置三級安全防護，然后兩趟DN500管道合并為DN700母管進入摻混裝置。水封阻火泄爆裝置安設位置應盡可能靠近摻混裝置入口；自動噴粉抑爆器的安設位置應距離相關輸送管路上安裝的最近的火焰傳感器軸向距離40～50 m；自動阻爆閥門及配接的干式泄爆器距自動噴粉抑爆裝置末端距離不大于10 m。火焰傳感器和壓力傳感器設置在DN500管路上水封阻火泄爆裝置后2 m處。

濕式放散管上安裝有濕式放散閥，可設定放散瓦斯壓力，當低濃度瓦斯壓力超出設定值時，水封被擊穿，自動通過濕式放散閥放空，可保護瓦斯抽采泵站超壓，并阻止放散管火焰傳播。調節放散管上安裝有電動調節放散閥，可通過控制閥門開度調節排空瓦斯量，以控制進入輸送系統管路的瓦斯量，防止進入氧化機組的瓦斯濃度超標。緊急放散管安裝快速放散閥門，當事故停機時，快速開啟放散閥排空。濕式放散管、調節放散管和緊急放散管合并成一路放散母管，并安裝瓦斯專用阻火器，引至安全地點排放。當火焰、壓力傳感器監測到爆炸信號后，自動噴粉抑爆器和自動阻爆閥門動作，同時，水封阻火泄爆裝置也起到實時泄爆和熄滅火焰的作用，在三級防護裝置共同作用下，確保瓦斯輸送安全。安全保障系統管道采用架空敷設，過道路處高度不小于4.5 m。管路在敷設沿線設置排水裝置，方便排出管內積水。所有管件及管路應采用防腐與外保溫處理，在閥門與設備處應放置清晰、醒目標志，加強日常維護及管理。

3.2 摻混系統

摻混系統由安裝在抽采瓦斯管路上的DN700調節閥、DN700快速關斷閥、摻混裝置，以及瓦斯輸送管路上安裝的濃度傳感器及流量傳感器、壓力傳感器、混合后氣體濃度傳感器及流量傳感器構成。摻混系統的處理量為12萬m3/h，濃度范圍0.3%～1.0%。摻混裝置選用DN2000型摻混裝置，摻混裝置采用內、外相反方向螺旋形介質通道，使瓦斯和空氣兩種氣體不斷改變方向并增速，在摻混裝置出口處進行摻混充分混合，保證混合氣體均勻。摻混裝置長度5 m，壁厚10 mm，與空氣管道接口管徑DN2000，與抽采瓦斯管路接口管徑為DN700，混合后氣體管道直徑為DN2000。 為了避免冬季摻混裝置內瓦斯(約20℃)與室外寒冷空氣(-29 ℃)混合后溫度降低，導致從泵站輸送來的瓦斯氣體中氣態水凝結生成液態水，在冷空氣中產生結冰現象，減小管路截面，影響氣體輸送安全，設計考慮從余熱鍋爐尾部引出一路低溫煙氣，通過管道送至摻混裝置入口，先與空氣混合提高氣體溫度至2 ℃以上再進行摻混。蓄熱氧化裝置入口配套的主風機控制進入氧化裝置的風量恒定，當泵站提供的瓦斯氣量變化時，吸入的室外空氣量隨著變化；當泵站提供的瓦斯濃度變化時，摻混裝置出口混合管道中的甲烷濃度超過1%報警，同時通過放空管電動調節閥調節控制進入摻混裝置的瓦斯量，多余部分排空；甲烷濃度達到1.2%時，停主風機和蓄熱氧化機組；當摻混裝置出口混合管道中瓦斯濃度低于0.5%時報警，低于0.3%時停主風機和氧化機組，同時關閉總管快速切斷閥，打開放空管緊急放散閥排空。

3.3 蓄熱氧化系統

瓦斯蓄熱氧化系統主要由瓦斯蓄熱氧化裝置、主風機、燃燒系統、點火系統等幾部分組成。瓦斯蓄熱氧化裝置主要由氧化室、蓄熱室、氣體分布室、爐墻、蓄熱體、蓄熱體支架、保溫棉、起爐燃燒器等組成。主風機用來克服管路阻力，包括摻混系統阻力、蓄熱氧化裝置阻力、新風/熱水加熱器煙氣側阻力及相關的管道阻力。氧化裝置啟動氣源是使用城市天然氣，就近從煤礦鍋爐房供氣管道接入；一旦氧化裝置的儲熱槽和催化床達到預先設定的溫度，氧化裝置本身將進行持續放熱反應，燃燒器停止工作。燃燒器被安置于位于2個儲熱槽之間的混合室內，混合室與低濃瓦斯進氣管道中間設置有儲熱槽進行隔離，阻止了可能的火焰擴散，燃燒器工作時不輸入低濃瓦斯。燃料供應系統和點火系統采取了一系列安全措施，例如，瓦斯進氣安全閥組設有穩壓閥，用于穩定壓力；設有高低壓安全保護，若因燃燒器前瓦斯管路泄露等原因造成管路壓力過低，則低壓保護動作；若因燃燒器前瓦斯管路穩壓閥壞掉，或是堵塞管路致使壓力超高，則高壓保護動作。另外點火系統燃料供應系統還設置有燃料快速切斷閥、比例調節閥，根據氧化裝置反應室內所需的溫度變化來調節其開度，控制天然氣用量，天然氣量和助燃空氣量同步變化以確保燃燒穩定。同時，設置有火焰探測器監測燃燒器工作狀態，當燃燒器正常工作時，火焰信號顯示；當燃燒器停止工作時，火焰熄滅，天然氣供氣管路電磁閥自動關閉快速切斷氣源，確保點火安全可靠。

3.4 余熱回收系統

余熱回收系統包括煙氣系統、蒸汽系統、給水系統、排污系統、取樣、加藥和除氧系統等。從蓄熱氧化裝置出來的煙氣通過煙道送至余熱蒸汽鍋爐進行換熱，鍋爐排出的煙氣分2路，一路送至摻混裝置，用于冬季加熱摻混裝置使用的冷空氣；另一路通過煙囪排放；2臺余熱鍋爐合用一座鋼煙囪，直徑2 m，高度20 m。余熱鍋爐蒸汽采用單母管系統，每臺余熱鍋爐出口蒸汽支管(φ159 mm×4.5 mm)匯入蒸汽母管(φ219 mm×6 mm)，架空敷設送至現有燃氣鍋爐房分汽缸。給水管道(φ76 mm×3.5 mm)從現有鍋爐房給水泵出口母管接入，送至余熱鍋爐區，再由支管(φ57 mm×3 mm)分別送至每臺鍋爐。給水泵、水處理系統、除氧器等輔助設備均利用天然氣鍋爐房現有，避免重復投資節省費用。另外還設置有2臺空壓機、冷干機及儲氣罐，為儀表提供儀用壓縮空氣。

4 結語

針對霍爾辛赫瓦斯抽放站抽放量及甲烷濃度和目前煤礦供熱現狀，本著充分利用低濃度瓦斯資源、節省煤礦天燃氣鍋爐運行成本費用、節能減排、造福社會，發展清潔能源，促進企業可持續發展的原則，利用霍爾辛赫瓦斯抽放站抽放的低濃度瓦斯通過蓄熱氧化機組氧化，配套余熱蒸汽鍋爐回收高溫煙氣余熱產生飽和蒸汽，替代現有部分天然氣鍋爐供熱。該項目技術可行、投資成本低、為煤礦節省供熱成本，同時將低濃度瓦斯加以利用還可獲得國家補助。項目實施后，可替代現有12 t/h燃氣鍋爐供熱，年節省天然氣約332萬m3，年節省燃料費約1 289萬元，除去支付供熱費用610萬元，煤礦每年可節省運行成本約679萬元；同時年利用低濃度瓦斯509萬m3，獲得減排收益204萬元，具有較好的經濟社會環境效益。同時，山西省也處于深化改革、傳統產業綠色化改造的關口，瓦斯綜合利用作為山西新能源產業的一環，對于煤礦乃至全山西的經濟轉型都有重要意義，低濃瓦斯蓄熱氧化技術在其他有低濃度瓦斯尚未利用且有余熱需求的煤礦均可推廣應用。