回熱氧化系統在煤礦瓦斯熱氧化供熱項自中的計算分析

近年來，煤炭行業深入推進綠色低碳理念落地，對于煤礦生產企業而言，碳減排除了 減排外，煤礦瓦斯的甲烷逃逸排放也是重要組成部分。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，是一種優質清潔的氣體能源，但也是一種溫室氣體，其溫室效應達到了 的27.9倍[2]。煤礦生產過程中排出的大部分為低濃度瓦斯，限制了煤礦瓦斯的利用[3]。

煤礦低濃度瓦斯的直接排放造成了環境污染與能源浪費[4]，因此，探索煤礦低濃度瓦斯有效利用的方式顯得尤為重要，不僅可以節約能源，創造經濟效益，還可以減緩溫室效應5。

煤礦低濃度瓦斯的排放源分散，且濃度變化范圍廣，導致想要其資源化利用和碳減排面臨諸多挑戰，目前主要采用的技術包括：分離提純技術，超低濃度甲烷可以被濃縮并用于發電或作為化工原料，從而實現其經濟價值；熱氧化利用技術，甲烷可以被完全氧化成 和水，同時釋放出大量熱能，可用于發電或供熱；生物催化利用技術，通過微生物的作用，將甲烷轉化為甲醇等高附加值化學品。但是目前由于技術發展和經濟性原因，只有一小部分的低濃度瓦斯被有效利用，大部分都是采用直接排空的處理方式。為了使煤礦低濃度瓦斯得到充分利用，并減少煤礦瓦斯直接排放對環境造成的危害，本文以低濃度瓦斯熱氧化技術為基礎，結合煤礦自身瓦斯抽放情況及用熱需求，設計了一套煤礦低濃度瓦斯熱氧化供熱的方案，并對系統產熱量、供熱情況、減排量進行了計算，也為回熱氧化系統的工業化應用提供參考。

1.低濃度瓦斯熱氧化技術

熱逆流氧化技術（ThermalFlowReversalReactor，TFRR）是有效處理煤礦乏風的主要技術之一，TFRR的關鍵在于氧化裝置內部的多孔介質燃燒技術。反應過程是利用內置多孔介質蓄熱填料，在非穩定狀態下，依靠燃料氣流速度與反應熱前鋒移動速度差異，合理控制循環周期時長，使得裝置內部釋放儲存的熱量維持系統的自熱平衡，并抽出高溫煙氣進行余熱利用[6]。

下文項目使用的是回熱氧化裝置，回熱氧化也叫做過焓氧化，即氧化區最高溫度高于絕熱反應溫度，但是高溫煙氣的最終溫度與常規反應溫度相同。回熱氧化的核心特點是熱量回流，熱量回流是降低預混氣體氧化反應濃度要求并穩定氧化反應的根本原因。回熱氧化技術與普通熱氧化技術相比，可以降低瓦斯起始反應濃度，氧化反應更平緩、更安全，可實現煤礦低濃度瓦斯持續、穩定氧化，適用濃度范圍大。回熱氧化裝置和熱氧化裝置相比，具有以下特點：超低濃度瓦斯回熱氧化裝置與余熱回收裝置有機結合，可提高裝置的經濟性和熱效率；系統排煙溫度低，能量回收效率高；啟動裝置加熱功率大、啟動速度快、設備投資少、運行費用低。

2.項目簡介

三寶煤礦抽采泵站當前排采瓦斯純量約為 ，平均濃度約為 3 % 因濃度過低不能發電，目前全部排空放散。項目計劃在三寶煤礦建立一套回熱氧化制熱系統，包括抽采瓦斯安全輸送裝置、配氣裝置、回熱氧化裝置、換熱器、測控元件及控制系統，工藝流程簡化圖如圖2所示。

將煤礦抽采泵站抽采濃度為 8 % 以下的瓦斯與空氣摻混至 0 . 2 5 % 至1 . 2 % 進行氧化利用，產生的高溫余熱用于煤礦以及周邊的冬季供暖、制冷和發電，可替代煤礦原有的產能裝置，如燃煤燃氣鍋爐、空調和電力能源，實現煤礦瓦斯排放及碳排放量的降低，既獲得了經濟收益，同時也實現了環境保護效益。

該系統利用煤礦低濃度瓦斯氧化產生的熱量供熱，降低了煤礦電能和其它燃料的消耗量，減少了溫室氣體的排放，是一套經濟合理、低碳環保的供熱方案。

裝置選擇方面，設計選擇1臺ZYYH10-1.2-S1.4-90/70型回熱氧化裝置，其技術參數見表1。

熱能回收裝置方面，選擇1臺TSXD05/900-S1.4-90/70熱能回收裝置，其技術參數見表

3.方案預期

3.1用熱需求計算

三寶煤礦工業建筑面積為 ，行政、公共建筑面積為 ，除燈房、浴室考慮集中供暖外，職工食堂、礦山救護大隊等均未考慮集中供暖，礦辦公樓、單身公寓樓等部分建筑采用空調或電加熱器等臨時采暖措施。采用集中供熱方式供暖，所需供熱負荷為4193kW。

根據相關規定，工業廠房供暖體積耗熱指標估算在 2 . 5 W/ ，取廠房平均高度4.5米、室內作業溫度 室外采暖溫度 計算，廠房平均面積熱負荷：

3.2瓦斯利用補貼計算

采用瓦斯減排利用系統供熱，每年可以利用瓦斯（純量）196.22萬立方米，三寶煤礦可以獲得瓦斯利用補貼98.11萬元。

利用瓦斯純量

天× 3 6 5 天

利用瓦斯補貼

= 1 9 6 . 2 2 萬 元／ 萬元

3.3減排計算

三寶煤礦傳統熱泵供熱方案總用電量為173萬（kW·h）。根據相關數據顯示，2019年度西南區域電網基準線排放因子（容量邊際排放因子）為0.4407（ W·h），熱泵系統用電年碳排放量為762.4噸。

回熱氧化系統利用煤礦低濃度瓦斯每年可以減排瓦斯（純量）196.22萬立方米，折合碳減排量35025.3噸。回熱氧化系統總用電量為22.1萬（kW·h），碳排放量為97.4噸。回熱氧化系統年碳減排量為34927.9噸。

在同等供熱能力下，瓦斯減排利用系統比熱泵供熱系統每年多減排二氧化碳35690.3噸，可為煤炭企業節約大量碳排放配額，使煤炭企業生產符合環保政策，確保正常生產。

目前，同型號的回熱氧化裝置已在唐山煤礦試運行，并取得了不錯的效果，證明該方案配置是可行的。表3是試運行的部分數據。

4.結論

本項目以熱氧化技術為基礎，設計了一套煤礦低濃度瓦斯熱氧化供熱的方案，建立回熱氧化系統，利用煤礦低濃度瓦斯進行熱氧化供熱，通過理論計算，得出以下結論：

（1）煤礦工業場地每天的熱負荷需求為4558kW，設計使用的回熱氧化系統完全可以滿足煤礦工業場地的全部熱負荷需求。

（2）回熱氧化系統利用煤礦低濃度瓦斯供熱，年碳減排量達到34927.9噸；可獲得瓦斯利用補貼98.11萬元；同等供熱能力下，比傳統熱泵供熱系統每年多減排二氧化碳35690.3噸；

（3）回熱氧化系統的應用解決了煤礦用熱需求，實現了煤礦瓦斯能源利用和碳減排，在環保、節能方面具有顯著效益，具有廣闊的推廣前景。

目前該項目處于建設過程中，僅通過理論計算得出研究結果，為項目運行提供參考。能

參考文獻：

[1]吳奎斌、吳昊、李瑞華。“雙碳”戰略下煤礦減碳實施路徑研究[J]中國煤炭，2024，50：13-17.

[2]任世華、謝亞辰、焦小淼等。煤炭開發過程碳排放特征及碳中和發展的技術途徑[J].工程科學與技術，2022，54（1）： 60-68.

[3]祖秉輝、李長松。“雙碳”背景下煤炭生產企業碳減排路徑研究[J].礦業科學學報，2024：464-474.

[4]曹敏敏、王雪峰、王荀等。煤礦低濃度甲烷利用技術研究進展[J].煤炭技術，2022，41（1）：101-105.

[5]高鵬飛、孫東玲、霍春秀等。超低濃度瓦斯蓄熱氧化利用技術研究進展[J].煤炭科學技術，2018，46（12）：67-73.

[6]劉玉航、李希建、蕭琦等。煤礦低濃度瓦斯熱氧化中蜂窩陶瓷燃燒流場數值計算[J].化學工程，2024，52： 70-74，81.

作者單位：

馮育艷：黔西南州晴隆安寶煤礦有限公司晴隆縣三寶煤礦

董擊來、周軍：貴州煤礦安全監察局安全技市中心

劉玉航：貴州大學礦業學院