小型煤礦超低濃度瓦斯蓄熱氧化供熱技術(shù)研究

賈曉亮

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院，重慶400037）

引 言

近年來，我國大氣污染形勢嚴峻，區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出，損害人民群眾身體健康，影響社會和諧穩(wěn)定[1]。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進，能源資源消耗持續(xù)增加，大氣污染防治壓力繼續(xù)加大[2]。為切實改善空氣質(zhì)量，國務(wù)院印發(fā)了《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)[2013]37 號）。該計劃中明確提到，加快推進集中供熱、“煤改氣”“煤改電”工程建設(shè)，到2017 年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10 蒸噸（10 t/h）及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20 蒸噸（20 t/h）以下的燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建每小時10 蒸噸（10 t/h）以下的燃煤鍋爐。

全國用于采暖期煤礦井筒加熱的燃煤熱風爐數(shù)量龐大，而我國煤礦大量的抽采瓦斯因濃度極低、不便利用直接排放[3]。2018 年排放的抽采瓦斯量達到77億m3，其熱值相當于943 萬t 標煤的發(fā)熱量，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)相當于1.05 億t 二氧化碳，造成較大的能源浪費和環(huán)保壓力。

在此背景下，結(jié)合煤與瓦斯共采共用技術(shù)[4]，利用低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)替代燃煤熱風爐進行井筒加熱，并為辦公樓供暖，不僅能夠有效解決當前燃煤熱風爐的大氣污染物超標問題，減少大氣污染物排放[5]，避免廢水和固廢物的排放，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益；同時充分利用了排空的低濃度瓦斯，節(jié)省了燃煤消耗，還可獲得抽采瓦斯利用補貼，為礦方帶來經(jīng)濟效益。

本文以陜西省韓城某煤礦抽采的低濃度瓦斯為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)研、熱量平衡計算，提出了超低濃度瓦斯蓄熱氧化替代燃煤熱風爐的技術(shù)解決方案，并對該方案的可行性和實踐效果進行了分析。

1 煤礦情況調(diào)研

1.1 礦井基本情況

某煤礦位于陜西省韓城礦區(qū)，生產(chǎn)能力150 萬t/a。礦井現(xiàn)有通風方式為混合式（一水平為邊界式，二水平為中央并列式），全礦井目前4 個井筒進風，3個井筒回風，風路長，負壓大。

該礦井井田所在地屬大陸半干旱性氣候，以年蒸發(fā)量大于降水量為其特征。據(jù)當?shù)貧庀蟛块T統(tǒng)計資料顯示，年平均相對濕度為62.4%，降雨量為536.8 mm，最大積雪量為12 cm，最高氣溫為42.6 ℃（8 月—9 月份），最低氣溫為 -14.8 ℃（12 月—次年 2 月份），最大風力9 級，一般為2～3 級，風向以東北風為主。

該礦井排矸立井工業(yè)場地設(shè)有排矸立井井塔、井口房、通風機房、空壓機房、35 kV 變電所、鍋爐房和排矸系統(tǒng)等，距離平硐工業(yè)場地4.4 km。排矸場地緊臨排矸立井工業(yè)場地東南側(cè)。排矸進風立井位于排矸立井工業(yè)場地東側(cè)，回風井位于工業(yè)場地南側(cè)。排矸立井工業(yè)場地現(xiàn)已安裝2 臺BDK-10-No36 型礦用防爆對旋軸流式通風機，1 用1 備，每臺通風機配2 臺YBF710M2-10 礦用隔爆型電動機。工業(yè)場地西側(cè)設(shè)有瓦斯抽放泵站。

1.2 礦井低濃度瓦斯抽采規(guī)模

礦井目前瓦斯抽采規(guī)模為130 m3/min，其中采空區(qū)抽采量50 m3/min，煤體預抽量及卸壓抽采量等為80 m3/min。地面共設(shè)有3 套瓦斯抽放系統(tǒng)，一套為2臺2BEC72 型水環(huán)真空泵[抽放系統(tǒng)立井500 泵(Ⅰ)]，1用1 備；一套為2 臺2BEC60 型水環(huán)真空泵（抽放系統(tǒng)立井250 泵），1 用1 備，這兩套瓦斯抽放系統(tǒng)用于煤體瓦斯預抽；另有一套系統(tǒng)為2 臺2BEC72 型水環(huán)真空泵[抽放系統(tǒng)立井 500 泵(Ⅱ)]，1 用 1 備，用于采空區(qū)瓦斯抽放。井下設(shè)有2 個瓦斯抽放泵站，用于掘進工作面瓦斯預抽。

排矸立井工業(yè)場地西側(cè)瓦斯抽放泵站的瓦斯抽采情況見表1。由表1 可知，立井500 泵(Ⅰ)和立井500 泵（Ⅱ）分別可提供瓦斯量（折純）12.73 m3/min、2.80 m3/min，目前該部分瓦斯高點放空。

表1 排矸立井西側(cè)泵站瓦斯抽采情況

2 礦井用熱需求及供熱現(xiàn)狀

2.1 用熱需求

（1）供熱點：煤礦排矸立井工業(yè)場地進風立井進風加熱、辦公樓供暖；

（2）排矸進風立井進風量10 000 m3/min，即60 萬m3/h，進入立井的熱風溫度取70 ℃，冷、熱風在井筒內(nèi)混合，立井進風溫度≥2 ℃[6]；

（3）辦公樓供暖建筑面積1 000 m2；

（4）井筒防凍空氣溫度及辦公樓供暖的室外計算溫度取當?shù)貧v年極端最低氣溫-14.8 ℃。

2.2 供熱現(xiàn)狀

礦井現(xiàn)有排矸場地內(nèi)有一座熱風爐房，內(nèi)設(shè)2 臺WJ-240 型熱風爐，單臺供熱量為2 800 kW，加熱空氣溫度為70 ℃。升級改造后排矸進風立井進風量達到10 000 m3/min，加熱風量 37.95 m3/s，耗熱量 4 221.8 kW。燃煤熱風爐井筒加熱工藝流程示意圖見圖1，爐膛與換熱器為一體式結(jié)構(gòu)，通過燃燒煤炭產(chǎn)生的高溫煙氣流過換熱面，將熱量傳遞給冷空氣，把冷空氣加熱至70 ℃后輸送至進風立井處，與冷空氣混合后溫度降低至2 ℃后送入井下，實現(xiàn)井筒防凍功能。該系統(tǒng)年消耗煤炭約3 000 t，運行成本較大。另外，煤礦燃煤熱風爐還需進行脫硫除塵或清潔能源改造。

圖1 燃煤熱風爐井筒加熱工藝流程示意圖

礦井地處采暖區(qū)，整個礦井分為礦井工業(yè)場地、排矸立井工業(yè)場地。礦井工業(yè)場地已設(shè)置集中采暖。排矸立井工業(yè)場地有約1 000 m2的辦公區(qū)域，但由于遠離礦井工業(yè)場地，沒有設(shè)置集中采暖，目前采用電熱方式（電暖器或冷暖空調(diào)）采暖，運行成本較高。

3 超低濃度瓦斯利用方案

目前，國內(nèi)低濃度瓦斯梯級利用模式已初步形成。“十二五”期間，低濃度煤層氣蓄熱氧化利用技術(shù)、催化氧化直接發(fā)電技術(shù)以及工業(yè)安全燃燒技術(shù)取得較大研究進展，在低濃度煤層氣（尤其是乏風瓦斯）的利用方面取得突破，從而彌補了長久以來制約煤層氣利用技術(shù)發(fā)展的這一短板。所謂煤層氣梯級利用技術(shù)，是將高濃度煤層氣（甲烷體積分數(shù)＞80%）通過管網(wǎng)集輸直接供給下游民用或工業(yè)用；中濃度煤層氣（甲烷體積分數(shù)介于30%～80%）通過濃縮制CNG、LNG；低濃度煤層氣（甲烷體積分數(shù)介于10%～30%）通過直接發(fā)電加以利用；而極低濃度煤層氣（甲烷體積分數(shù)＜10%）主要通過蓄熱氧化、催化氧化、安全燃燒等形式就地利用[7]。

根據(jù)表1 可知，該礦井可提供甲烷體積分數(shù)分別為6.5%、2.5%、1.0%的瓦斯，其瓦斯量（折純）分別為12.73 m3/min、2.80 m3/min 、0.78 m3/min。這 3 股瓦斯因濃度極低，無法通過內(nèi)燃機發(fā)電來利用；若將3 股瓦斯混合，甲烷體積分數(shù)也僅4.23%；如果采用提純方案，則成本太高，產(chǎn)氣率低，不經(jīng)濟，因此目前全部放空。

瓦斯蓄熱氧化技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新型超低濃度瓦斯利用技術(shù)。該技術(shù)將乏風（或空氣）與抽采瓦斯摻混成甲烷體積分數(shù)約1%的穩(wěn)定氣源，再將摻混氣體送入蓄熱氧化裝置被加熱、氧化并釋放熱量，隨著裝置的周期性換向，裝置實現(xiàn)自動穩(wěn)定運行狀態(tài)。通過連接配套的余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電機組，可對多余熱能高效利用[8]。美國MEGTEC 公司、德國DURR、德國EISENMENN、中煤科工集團重慶研究院有限公司、勝利動力機械集團有限公司、中科院能源動力研究中心等[9]針對該技術(shù)進行了技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。

根據(jù)表1 瓦斯抽采情況，建議采用超低濃度瓦斯蓄熱氧化熱能利用系統(tǒng)方案替代原排矸立井的燃煤熱風爐。將排矸立井工業(yè)場地西側(cè)的立井500 泵(Ⅰ)的瓦斯采用低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)送至排矸立井，再通過蓄熱氧化裝置產(chǎn)生熱能，加熱井筒進風，并為現(xiàn)場辦公樓供暖。在輸送過程中，需設(shè)置低濃度瓦斯混配系統(tǒng)，使泵站瓦斯與空氣（乏風）均勻混合，將甲烷體積分數(shù)控制在1.2%以下，以保障裝置安全平穩(wěn)運行。超低濃度瓦斯蓄熱氧化供熱方案工藝流程示意圖見圖2。

圖2 超低濃度瓦斯蓄熱氧化供熱工藝流程示意圖

4 超低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)方案及可行性分析

4.1 礦井用熱負荷

（1）井筒防凍熱負荷

按照《煤炭工業(yè)供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計標準》（GB/T 50466—2018）[6]，井筒防凍入井風的耗熱量按式（1）計算：

式中：Q 為入井風耗熱量，kW；a 為富余系數(shù)，取1.1；G 為入井風量，m3/s；γ 為空氣密度，取 1.284 kg/m3；Cp為空氣比熱容，取1.01 kJ/(kg·℃)；tw為空氣加熱前的室外計算溫度，取-14.8 ℃；2 為必須保證的井下工作溫度，℃。

該礦井進風立井進風量10 000 m3/min，則Q=1.1×10 000÷60×1.284×1.01×[2-(-14.8)]=3 994 kW。

（2）建筑物供暖熱負荷

為滿足排矸立井工業(yè)場地辦公樓的采暖需求，分出一部分高溫煙氣通往熱水加熱器，用于加熱水，然后將熱水通往辦公樓供暖。采暖面積1 000 m2，采暖指標140 W/m2，則建筑物采暖熱負荷140 kW。

綜上所述，總體熱負荷為3 994+140=4 134 kW。

4.2 系統(tǒng)處理量規(guī)模

在超低濃度瓦斯蓄熱氧化熱能利用系統(tǒng)中，甲烷在蓄熱氧化裝置內(nèi)氧化并放出熱量，部分高溫煙氣被輸送至空氣加熱器和熱水加熱器內(nèi)，生成熱空氣和熱水。在熱量的傳輸過程中，蓄熱氧化裝置的熱效率為80%，甲烷的氧化率取95%，甲烷的低位發(fā)熱量為35 900 kJ/m3，新風加熱器和熱水加熱器的熱效率均為83%，管道熱損失為3%。

該煤礦井筒加熱熱負荷為3 994 kW，則為滿足該供熱需求，需要燃燒的甲烷純量為：3 994÷(1-3%)÷83%÷80%÷95%÷35 900×60=10.909 m3/min。需要的蓄熱氧化裝置處理量規(guī)模為：10.909÷1.2%×60=54 547 m3/h。

該煤礦建筑物供暖熱負荷為140 kW，則為滿足該供暖需求，需要燃燒的甲烷純量為：140÷(1-3%)÷83%÷80%÷95%÷35 900×60=0.382 m3/min。需要的蓄熱氧化裝置處理量規(guī)模：0.382÷1.2%×60=1 912 m3/h。

綜合考慮，共需氧化甲烷純量10.909+0.382=11.291 m3/min，需要的蓄熱氧化裝置處理量規(guī)模為56 459 m3/h，因此，蓄熱氧化裝置規(guī)模選定為60 000 m3/h 能夠滿足供熱需求。根據(jù)此規(guī)模進行建設(shè)，裝置投資約1 250 萬元。

4.3 氣源保障分析

礦井處于北方，在供暖季井下溫度低于2 ℃，極端冷月溫度達-14.8 ℃。為了順利采煤，防止工作面結(jié)凍，必須保證井下工作溫度不低于2 ℃。因此，如采用蓄熱氧化裝置進行供熱，為了防止煤礦采煤工作停滯，供熱氣源必須有保障。

該礦井瓦斯抽采規(guī)模為130 m3/min，其中采空區(qū)抽采量50 m3/min，煤體預抽量及卸壓抽采量等為80 m3/min。表1 中給出的該礦井排矸立井工業(yè)場地西側(cè)泵站的瓦斯抽采情況中，立井500 泵(Ⅰ)和立井500泵(Ⅱ)分別可提供純瓦斯12.73 m3/min、2.80 m3/min，目前該部分瓦斯高點放空。而此方案只需提供11.291 m3/min 的純瓦斯，即可滿足供熱需求，因此氣源有保障。

4.4 安全保障措施

（1）按照《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（AQ 1076—2009）[10]要求，設(shè)置自動噴粉抑爆裝置、水封阻火泄爆裝置、自動阻爆裝置等多重安全保障措施。

（2）設(shè)置斷電保護系統(tǒng)，采用UPS 電源，保證停電工況下監(jiān)控系統(tǒng)正常工作30 min，為快速反應(yīng)、關(guān)斷供氣、打開旁通閥提供電源，安裝在抽采瓦斯管道上的氣動快關(guān)閥在停電時自動關(guān)閉，阻止抽采瓦斯進入后續(xù)管路，保障系統(tǒng)安全。

（3）系統(tǒng)進氣濃度超限時，設(shè)置在主管道上的高精度甲烷濃度傳感器能夠快速精準測量，發(fā)出控制信號，關(guān)閉蓄熱氧化裝置進氣閥、抽采瓦斯管道快關(guān)閥，打開蓄熱氧化裝置旁通閥，保障系統(tǒng)安全。

該系統(tǒng)中重要位置閥門的執(zhí)行機構(gòu)、燃燒器、高精度快速響應(yīng)激光濃度傳感器、監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件選用進口件。蓄熱氧化裝置及空氣加熱器主要是結(jié)構(gòu)件，故障率低。保證裝置大修周期在半年以上，在冬季供暖期期間，不會出現(xiàn)故障停機，可實現(xiàn)持續(xù)供熱。對于可能出現(xiàn)問題的切換閥門執(zhí)行機構(gòu)、溫度傳感器、濃度傳感器等設(shè)備，均可采用在線檢修，不影響系統(tǒng)正常運行。

該系統(tǒng)在設(shè)計時，依據(jù)礦方提供的進風量、室外計算溫度等設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照相關(guān)規(guī)范要求，預留10%的設(shè)計余量，完全能夠滿足系統(tǒng)供熱負荷要求。

4.5 實踐效果分析

利用超低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)替代燃煤熱風爐進行井筒加熱和辦公樓供暖的技術(shù)方案，既可充分利用排空的低濃度瓦斯，又能解決大氣污染物、污水和固廢物排放難題。另外，將燃煤熱風爐與低濃度瓦斯蓄熱氧化系統(tǒng)進行對比，發(fā)現(xiàn)蓄熱氧化利用系統(tǒng)不用消耗燃煤，可節(jié)約燃煤成本，同時還可獲得抽采瓦斯利用補貼，減少了除塵脫硫運行成本。系統(tǒng)每年運行150 d，可利用純瓦斯259 萬m3，產(chǎn)生195 萬元的經(jīng)濟效益，減排CO2（當量）3.6 萬t，環(huán)保效益顯著。

在供暖方面，即使在最冷天氣下，也可保證煤礦井下工作面溫度不低于2 ℃，使采煤工作正常進行；保證工業(yè)場地建筑物內(nèi)溫度不低于16 ℃，確保工作環(huán)境的舒適度。

5 結(jié) 語

5.1 利用煤礦抽采的超低濃度瓦斯進行蓄熱氧化利用產(chǎn)生熱能，替代燃煤熱風爐進行井筒加熱，并為辦公樓供暖，符合我國大氣污染防治及煤層氣利用相關(guān)政策，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，同時還可為煤礦企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

5.2 超低濃度瓦斯蓄熱氧化裝置的建設(shè)，對我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率、實現(xiàn)低碳循環(huán)、推進節(jié)能減排工作等具有良好的示范作用。該技術(shù)特別適用于煤礦抽采的甲烷體積分數(shù)低于8%的超低濃度瓦斯利用，對提高瓦斯利用率，促進瓦斯“零排放”目標的實現(xiàn)具有現(xiàn)實意義。

5.3 超低濃度瓦斯利用實現(xiàn)了煤礦“煤與瓦斯共采共用”，構(gòu)建了“以用促抽，以抽促安全”的良性循環(huán)發(fā)展，安全、經(jīng)濟、環(huán)保效益顯著。