超低濃瓦斯蓄熱氧化技術在丁集煤礦供熱中的經(jīng)濟性分析

◎黨曉社

一、概述

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，作為一種新興的清潔、高效能源，隨著我國能源需求的不斷增長和人們節(jié)能減排意識的增強，越來越受到人們青睞和關注。近10 年來，煤礦瓦斯綜合利用項目遍地開花，已逐步形成煤層氣梯級利用模式：

1. 對于地面井預抽甲烷體積分數(shù)＞90%的瓦斯，以PNG、CNG、LNG 方式運用于工業(yè)和民用；

2.對于甲烷體積分數(shù)在[30%-90%]也叫高濃瓦斯，主要用于民用和工業(yè)燃料或高濃瓦斯發(fā)電；

3.對于甲烷體積分數(shù)在（7%-30%）也叫低濃瓦斯，主要用于低濃瓦斯發(fā)電，截止到2018 底，我國低濃度煤層氣發(fā)電總裝機容量約為200 萬kW，發(fā)電站400 余座，是現(xiàn)階段我國煤層氣利用主要形式；

4.對于甲烷體積分數(shù)在（1%-7%）也叫超低濃瓦斯，將其與空氣或者礦井乏風摻混后進入氧化爐蓄熱氧化通過余熱鍋爐后產(chǎn)生過過熱蒸汽發(fā)電或者向礦區(qū)供熱，目前在我國處于起步發(fā)展階段；

5.對于甲烷體積分數(shù)《0.75%礦井通風排風（礦井乏風）蓄熱氧化設備還處于技術研發(fā)儲備階段，沒有成功應用案例。相信在不久的將來，將會實現(xiàn)煤礦瓦斯全濃度利用，極大提升煤層氣的利用率。

二、超低濃瓦斯利用項目案例

1.項目背景。

根據(jù)安徽省、淮南市關于大氣污染防治行動計劃及整治城區(qū)燃煤鍋爐方案的總體部署，淮南潘謝礦區(qū)多數(shù)生產(chǎn)礦井均需對礦內(nèi)的燃煤鍋爐房進行關停，而丁集煤礦在用的燃煤鍋爐也在淘汰范圍內(nèi)。一旦將燃煤鍋爐淘汰，必須有新的熱源來替代，同時新的熱源還需滿足最新的環(huán)保要求。

2.丁集礦替代熱源的分析。

在研究選擇丁集礦替代能源之前，通過實地調(diào)研可知丁集煤礦的現(xiàn)狀熱負荷主要為夏季礦井降溫用汽熱負荷和冬季井筒防凍蒸汽熱負荷，占總負荷的54%～72%，其余熱水負荷約占總負荷的28%～46%。因此新替代熱源須以生產(chǎn)高品位蒸汽熱能為主，通過汽水換熱器輔助生產(chǎn)采暖熱水，或者多種熱源組合。下面就丁集礦可利用的能源做一一分析。

燃煤供熱作為最傳統(tǒng)的供熱方式，目前由于環(huán)保與節(jié)能減排的原因，分散燃煤小鍋爐已經(jīng)被淘汰，只有熱效率較高的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)可供使用。目前丁集礦周邊距離已有的鳳臺熱電廠直線距離僅10 公里，但由于煤礦和鳳臺電廠是由不同地方政府聯(lián)合建設，若引入電廠蒸汽進行供熱，涉及到各方利益均衡問題，而建設新熱電聯(lián)產(chǎn)項目涉及到嚴格的政府審批手續(xù)和煤炭指標問題，因此燃煤供熱方式不現(xiàn)實。

采用電力供熱不節(jié)能，研究發(fā)現(xiàn)利用電力供熱，一次能源利用效率不到30%，同時電力供熱，導致運行成本高。因此，電供熱不應成為丁集煤礦的供熱方式。

對于燃氣供熱，丁集礦目前周邊沒有穩(wěn)定的天然氣氣源，當?shù)靥烊粴鈱ｍ椧?guī)劃也沒有預留供熱用氣指標，因此丁集煤礦目前不具備此條件。但丁集煤礦開采過程中抽采的煤礦瓦斯可以作為燃氣的氣源，除去目前瓦斯發(fā)電機組及煤泥烘干耗氣量，還有最大約39.7 Nm3/min 純量瓦斯氣可供使用。

礦井回風熱能利用方案是利用礦井回風熱能，通過回風換熱器換熱得到10℃～20℃左右的熱水，經(jīng)過水源熱泵系統(tǒng)提取熱量后，得到45℃左右的熱水供浴室洗浴，不僅需購置熱泵機組、水泵、冷卻塔、回風換熱器等設備，還需要場地新建水池、機房等建構筑物，導致工程量大，投資高。

風排瓦斯氧化供熱方案是以煤礦風排瓦斯（甲烷濃度為1%）作為原料，進行氧化反應，并利用氧化裝置排出的高溫煙氣產(chǎn)生飽和蒸汽，供礦區(qū)取暖、制冷或洗澡等。由于丁集煤礦礦井回風井甲烷濃度均在0.2 左右，達不到氧化濃度，就目前的技術還無法有效利用。

目前丁集煤礦安裝有高低濃瓦斯發(fā)電機組共11 臺，除高溫煙氣余熱運用在煤泥烘干外，高溫缸套水可供余熱量約2223kW，除此之外，空壓機和瓦斯抽采泵設備冷卻排熱可回收熱量平均約2766kW，余熱回收可滿足洗浴熱負荷。

3.丁集礦替代熱源的選擇。

丁集煤礦最終采用蒸汽和熱水分別供應、能源梯級利用的整體方案解決燃煤鍋爐替代問題。利用低濃瓦斯和空氣摻混成超低濃瓦斯進行氧化產(chǎn)熱制蒸汽，回收瓦斯發(fā)電高溫缸套水、壓風機和瓦斯抽放泵余熱制取洗浴熱水。經(jīng)過各種供熱方案整合、優(yōu)化和比較后，擇優(yōu)建設2 臺低濃瓦斯蓄熱氧化爐+1 臺1.15MW 背壓汽輪發(fā)電機組+1 臺2.7 MW 凝汽式汽輪發(fā)電機組，實現(xiàn)了完全取締燃煤鍋爐房向礦井供熱。

丁集煤礦礦井瓦斯儲量49.77 億m3，可抽放瓦斯總量9.77億m3，瓦斯資源較豐富，建有地面永久新、老瓦斯抽放站各一座，共安裝10 臺瓦斯抽采泵，正常運行4 用6 備。根據(jù)礦方提供的2016 年～2020 年礦井瓦斯綜合治理指標規(guī)劃匯總表可知，濃度＞30%可送至利用地點的瓦斯平均抽采量約26.57m3/min，濃度10 ～30%可送至利用地點的瓦斯平均抽采量約57.13m3/min。目前，丁集礦已安裝有9 臺700KW 低濃瓦斯發(fā)電機組，正常運行8 臺；同時建設2 臺1800kW 高濃瓦斯發(fā)電機組以及以及1 臺低濃煤泥烘干氧化床，合計的耗氣量為44Nm3/min，去除已利用瓦斯尚有39.7 Nm3/min 純量可利用。

三、超低濃瓦斯氧化技術方案選擇和設備配置

目前國內(nèi)外超低濃瓦斯氧化設備主要有蓄熱熱氧化（簡稱RTO）、蓄熱式催化燃燒法（簡稱RCO）2 條技術路線。其優(yōu)缺點比較詳見下表：

?

通過以上比較，按照技術成熟可靠，運行穩(wěn)定的原則，本工程選擇蓄熱熱氧化（即RTO）技術方案，蓄熱氧化裝置進瓦斯?jié)舛取?.2%。

四、超低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)

由于丁集礦除去現(xiàn)有瓦斯低濃瓦斯發(fā)電站和高濃瓦斯發(fā)電站耗用的瓦斯量后，還有39.7Nm3/min 純量瓦斯可用蓄熱氧化供熱系統(tǒng)，由于煤礦井筒防凍蒸汽負荷保證礦井提升系統(tǒng)冬季安全運行的安保負荷。因此，無論瓦斯抽采量如何變化，必須確保蓄熱氧化供熱系統(tǒng)的供氣量。已有瓦斯抽放站抽出的是低濃瓦斯（濃度10%～30%）和高濃瓦斯（30%），同時抽放站已無場地建設蓄熱氧化供熱系統(tǒng)，因此需要摻混空氣使其濃度降低到爆炸濃度5%以下，才能夠安全輸送，借鑒該礦已運行的瓦斯氧化制取熱風煤泥烘干系統(tǒng)成功案例，本工程設兩套超低濃瓦斯氧化系統(tǒng)，每套系統(tǒng)采用兩級瓦斯摻混工藝。其中初始配氣設在抽放站內(nèi)，氣源引自抽放站，初始配氣瓦斯?jié)舛葹椋?%；第二級摻混設在乏風氧化場地，≤3%瓦斯氣源來自一級摻混的出氣管。每套瓦斯配氣及輸送工藝流程擬定如下：

瓦斯抽放站配氣（＜5%）→復合阻火器→瓦斯與空氣摻混器→≤3%瓦斯氣→瓦斯輸送管路→濕式放散閥→復合式阻火器→瓦斯與空氣摻混器→二次風機→1～1.2%瓦斯氣→瓦斯氧化爐。

其中第一級摻混采用變頻風機往瓦斯摻混器里壓風，根據(jù)一級摻混器出口瓦斯?jié)舛瓤刂骑L機轉速及出風口電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)摻混的空氣量；第二級摻混采用風機（摻混器自帶）負壓吸風，確保一、二級摻混器出口濃度滿足設計要求。

五、超低濃瓦斯氧化綜合供能系統(tǒng)經(jīng)濟性

丁集煤礦為了完全替代燃煤鍋爐房，將超低濃瓦斯蓄熱氧化后的高溫煙氣送入煙氣余熱鍋爐，生產(chǎn)蒸汽供冬季礦井井筒保溫供熱或者夏季井下降溫使用，礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)余熱通過回收制取熱水可以滿足洗浴、采暖和干衣的要求。本文單就低濃瓦斯蓄熱氧化供熱進行了2 個方案比較。

方案Ⅰ：超低濃瓦斯氧化煙氣余熱蒸汽鍋爐配背壓機和后置機供汽和發(fā)電。建設2 臺90000Nm3/h 瓦斯蓄熱熱氧化爐，配置2 臺蒸發(fā)量10t/h 余熱蒸汽鍋爐，蒸汽參數(shù)3.82MPa（g）/400℃，正常運行時蒸發(fā)量按單臺10t/h 出力。配套建設1 臺B1。15-3.82/0.8 背壓式汽輪發(fā)電機組和1 臺N2.7-0.8 凝汽式汽輪發(fā)電機組，背壓機組排汽參數(shù)0.8MPa/282℃。夏季排汽全部減溫后用于溴化鋰機組制冷的熱源；秋季部分排汽減溫后用于溴化鋰機組制冷的熱源，剩余排汽進入后置機發(fā)電。冬季部分排汽減溫后用于井筒保溫，部分進入后置機發(fā)電。春季礦井無蒸汽熱負荷時，全部背壓機組排汽進入后置機發(fā)電。瓦斯氧化裝置進氣的瓦斯?jié)舛葹?%。

方案Ⅱ：瓦斯氧化煙氣余熱蒸汽鍋爐直供汽。建設2 臺90000Nm3/h 瓦斯氧化裝置，同時配置2 臺蒸發(fā)量10t/h 余熱蒸汽鍋爐，蒸汽參數(shù)0.8MPa（g）/184℃。瓦斯氧化裝置進氣的瓦斯?jié)舛葹?%。，冬季和夏季2 臺鍋爐全部運行，滿足冬季井筒防凍、建筑采暖、職工洗浴和夏季井下降溫；春季和秋季1 臺鍋爐運行，滿足礦井局部區(qū)域降溫和和職工洗浴熱水的補熱。

方案Ⅰ與方案Ⅱ的熱經(jīng)濟指標比較見表2，建設投資與運營收入比較見表3。

?

由表2 可見，方案Ⅰ較方案Ⅱ在相同供熱量的基礎上，可以額外發(fā)電，除滿足自身需求外，可外供電量989 萬kWh/a，按0.6 元/kWh 替代外購電量，每年可為煤礦節(jié)約電費支出約593萬元，方案Ⅱ需外購電量，每年電費支出約88 萬元。兩方案均能代替燃煤鍋爐，但方案方案Ⅰ較方案Ⅱ更為節(jié)能。此外，方案Ⅰ較方案Ⅱ能消耗更多瓦斯量，有利于減排。

方案Ⅱ較方案Ⅰ由于減少了發(fā)電設備與廠房，投資更省，就供熱而言全廠熱效率更高。方案Ⅱ瓦斯消耗量較少且春、秋季不需供熱或少供熱，期間可以兩臺氧化爐全停或停一臺。丁集煤礦目前已有高、低濃瓦斯發(fā)電、瓦斯氧化煤泥烘干等瓦斯綜合利用項目，且瓦斯抽采具有波動性，瓦斯保障壓力較大。方案Ⅱ較方案Ⅰ瓦斯消耗量少，有利于減輕瓦斯供應的壓力。

方案Ⅰ與方案Ⅱ的建設投資與運營收入比較見表3。

?

由表3 可見，方案Ⅱ較方案Ⅰ投資節(jié)省近1500 萬元左右，但是年收入合計較方案Ⅰ少833 萬元左右。

因此，從節(jié)能減排的角度考慮，本工程選擇方案Ⅰ作為主導方案。

通過對丁集煤礦超低濃瓦斯蓄熱氧化項目的實施，實現(xiàn)完全取代燃煤鍋爐房目標，滿足省市2 級政府的大氣污染防治要求，并且年利用超低濃瓦斯氣約1675 萬Nm3，每年不僅向丁集礦供蒸汽50667t，還向丁集礦供電約990 萬kWh，每年實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益335 萬元，每年可節(jié)約煤礦生產(chǎn)運行費用（間接經(jīng)濟效益）約1226 萬元。本工程的運行實踐不僅將超低濃瓦斯氣變廢為寶，為煤礦清潔化生產(chǎn)開辟了一條蹊徑，還為瓦斯氣全濃度范圍使用起到積極地示范作用。

六、結束語

文章通過一個工程實例，闡述了超低濃瓦斯蓄熱氧化在煤礦節(jié)能減排及供熱改造項目中的應用，目的在于提出研究煤礦超低濃瓦斯變廢為寶、節(jié)能減排工作的一種新方法，供煤礦工程相關設計人員參考，實現(xiàn)國家煤礦瓦斯梯級利用進一步發(fā)展。