矿井通风瓦斯综合利用

杨俊辉

(中煤邯郸设计工程有限责任公司,河北 056031)

1 前言

矿井通风瓦斯 (VAM)特点是排放量大、甲烷含量低。鉴于国内煤炭地质复杂状况,目前大多数矿井瓦斯抽采率不足50%,煤层气不可避免的大量的以VAM形式排放。

2 VAM综合利用途径

结合国内矿井生产的实际情况,初步确定VAM综合利用途径两个方向：VAM做为电站锅炉燃烧空气及VAM逆液氧化技术。

2.1 VAM做为电站锅炉燃烧空气

为了综合利用矿井矸石、煤泥、中煤等劣质燃料,大部分矿井均配套建设综合利用电厂,可以将VAM输送到电厂做为锅炉燃烧用空气,VAM中的CH4在炉膛内高温条件下燃烧。

2.2 VAM逆流氧化技术

VAM氧化技术主要研究方向是对矿井通风瓦斯实现控制氧化,在瓦斯浓度较低的情况下,脱开外部电源实现自身氧化,并且收集多余热量实现供热、制冷、发电。

3 VAM应用项目示例

3.1 VAM做为电站锅炉燃烧空气

3.1.1 概况

VAM做为电站锅炉燃烧空气在国内还没有应用实例,我们选择某一项目,针对该项目矿井VAM做为电站锅炉燃烧空气技术方案进行了规划。

该矿井是一个特大型高瓦斯矿井,配套建设的综合利用电厂装机容量为2×135MW,配套2台480t/h超高压循环流化床锅炉。矿井目前通风量为108～144万m3/h,通风瓦斯含量约0.5%,矿井瓦斯抽放站瓦斯抽采浓度约为14%,抽采量 (纯瓦斯)约为1000m3/h,全部对空排放。

3.1.2 燃烧空气量计算

根据锅炉容量参数、给水温度、排污率、热效率、燃料工业分析等基础数据经计算,每台锅炉耗煤量为76705kg/h,进一步计算出2台锅炉需要的实际空气约为903200m3/h。

3.1.3 VAM输送

VAM输送可以采用地面钢制风道输送方式,也可采用地下巷道输送方式。地面钢制风道输送方式施工周期短、投资费用低,但风道穿越工业场地有碍观瞻;地下巷道输送方式施工周期长、投资费用高、但不影响地面总体效果,乏风输送暂按地下巷道方式。靠近电厂主厂房侧设施输送风机,同时系统考虑各种情况下的阀门切换、调节、测量、计量等配套措施。

VAM输送流速取15m/s,风道截面积为16.72m2。风道直管段长度约L=900m,经计算风道沿程阻力为681Pa,局部阻力为1077Pa,系统总阻力为1758Pa,VAM输送起点通风机出口为微正压,终点为锅炉风机吸风口,风压均按0考虑。该工程抽放低浓度瓦斯量不大,可以将低浓度抽放瓦斯掺混到系统中,浓度控制在0.5%以下。

VAM输送风机参数为：流量为Q=540000m3/h,全压为 P=2110Pa,配套电机功率为 N=450kW,离心风机设置2台。

3.1.4 VAM输送运行控制

输送风机调节门控制：输送量以锅炉需要总风量为准,风量调节通过输送风机入口调节挡板控制,或通过变频调节实现,以匹配锅炉一、二次风机。控制可以利用锅炉现有DCS系统进行模块扩充,主要调节方式为通过锅炉蒸汽压力、流量信号、锅炉含氧量信号、锅炉总风量信号、一、二次风机的转速信号等,在DCS内编程完成对输送风机的控制,实现乏风输送风量自动控制,保证锅炉正常运行。

VAM计量：乏风输送应进行流量测量和瓦斯浓度测量,从而可以实现经济核算,该部分功能可以在锅炉DSC系统中集成。

VAM输送风机的控制：电源引自热电厂高压厂用母线段,锅炉启动时,一次风机、二次风机入口切换门开启。锅炉运行平稳后,在乏风输送风机入口调节挡板关闭状态下,启动乏风输送风机,逐渐开启入口调节挡板,逐个关闭一次、二次风机入口切换风门,设置合适的间隔时间,防治切换造成较大负荷波动,影响锅炉平稳运行。当锅炉需要停炉,一次风机停运连锁乏风输送风机停运。

矿井通风机房切换阀门控制：矿井通风机为一用一备,VAM输送系统需要从2台矿井通风机出口分别引接。乏风输送和矿井风机要实现风门切换同步联动。VAM输送量根据热电厂需求而定,多余VAM通过原有设施排放,保证任何情况下,矿井通风系统均能独立可靠运行。VAM输送系统见图1。

图1 VAM输送系统图

3.1.5 安全措施

为了防止在生产过程中发生瓦斯超标、泄露而发生火灾、爆炸等安全事故,针对乏风输配系统采取如下防范措施。

(1)任何情况乏风对外输送系统不能影响矿井通风系统,在矿井通风系统进出口管路上不能设置任何阀门装置,保证矿井正常生产。

(2)乏风输送系统不能影响发电厂正常生产,除了必要的风量调节措施外,需要配套乏风瓦斯测量装置,当瓦斯突出事故引起乏风瓦斯浓度超过0.5%时,连锁乏风输送风机停机,关闭矿井通风机房出风口切换阀门。

3.1.6 投资估算及经济分析

估算投资范围为矿井通风机房至发电厂鼓风机进口输送系统所需建设的土建工程、设备及工器具购置、安装工程和工程建设其它费用,概算投资为4000万元。

(1)直接经济效益

发电厂锅炉额定工况下,需要VAM为903200m3/h,浓度按平均0.5%计算,则每小时消耗纯瓦斯4516m3/h,折合标煤5282kg/h,相当于综合发电效率提高了5.6%,节能效益非常明显。年节约标煤31692t,标煤价格按500元/t考虑。VAM输送风机年耗电量为2×400×6000=480万kWh,上网电价按 0.36元/kWh,则热电厂年收益为3.1692×500-480×0.36=1412万元,经济效益十分明显。

(2)电价补贴

利用矿井通风瓦斯发电还可享受电价补贴,通风瓦斯发电量31692000÷0.36(发电标煤耗)=8803万kWh,扣除综合厂用电10%,年供电量为7922万kWh,政府补贴收益为7922×0.25=1980万元。

(3)环境效益

图2 VAM氧化项目工艺图

CH4是造成环境温室效应的主要气体之一,其温室效应相当于CO2的21倍,发电厂年运行小时数为按6000小时考虑,2台锅炉年消耗纯瓦斯2540万Nm3,本项目每年可减少温室气体排放折算为CO2为40.816万t,环境效益非常明显。

3.2 矿井通风逆流氧化技术应用示例

以上述矿井为例,VAM处理量为100万m3/h,瓦斯浓度约为0.5%。规划VAM氧化装置富裕热量用来生产蒸汽,驱动汽轮发电机发电。

目前VAM逆流氧化技术在国内已经取得突破,并成功地进行了工业性实验,效果验证理想,单台处理规模可以达到100万m3/h,为市场推广创造了条件。

3.2.1 规划方案

经过理论计算和工业性试验可知,当VAM甲烷氧化率为95%时,排风温度温升为 70℃时,VAM甲烷浓度为0.25%即可维持自身氧化而不需要外界提供热量。VAM浓度为0.5%。可以对外输出热量为 8676MJ,生产 2.5MPa/390℃的蒸汽2.886t/h。当VAM浓度较低时,运行时可以将低浓度瓦斯掺混到系统中。

3.2.2 规划方案主要设备

(1)VAM氧化装置

单套VAM处理标定流量：10万m3/h,共计10套,进口VAM温度为 20℃,设计工作浓度为0.25%～1%,引风机功率为75kW/套,VAM氧化率＞95%,排风温升为70℃,2.5MPa/390℃的蒸汽产量为2.886t/h。

(2)蒸汽轮机发电机组

额定功率：5000kW,进汽参数进为2.5MPa/370℃。

3.2.3 工艺系统

10套VAM氧化装置。产生约28t/h蒸汽,配套1台汽轮发电机组,系统工艺见图2。

3.2.4 投资估算及经济分析

估算投资范围为矿井通风机房至蒸汽轮机发电所需建设的土建工程、设备及工器具购置、安装工程和工程建设其它费用。本项目估算投资为8600万元。

(1)直接经济效益

规划VAM氧化发电系统处理VAM规模为100万Nm3/h,乏风瓦斯含量按平均0.5%计算,则每小时消耗纯瓦斯5000Nm3/h,系统生产28t/h蒸汽(2.5MPa/390℃),发电量为5000kW,年处理瓦斯纯量3600万Nm3,年发电量为3600万kWh,年供电量为2700万kWh,上网电价按0.59元kWh,供电成本约为0.20元/kWh,则热电厂年收益为2700×0.39=1053万元。项目静态投资回收期约10年。经济效益一般。

(2)环境效益

3600万Nm3CH4燃烧后减排量折算成为CO2约为47万t,环境效益明显。

4 结论

4.1 VAM作为电站锅炉燃烧空气

通过VAM综合利用两个典型方案分析可知,VAM作为电站锅炉燃烧空气方案优点体现在：

(1)投资较低,处理90万Nm3/h的VAM投资约4000万元;

(2)不受VAM浓度限制,VAM浓度范围为0～0.5%;

(3)瓦斯利用率高,发电效率约35%;瓦斯氧化率高,接近100%;

(4)经济效益好,VAM浓度为0.5%时,直接收益就能有效收回投资。

(5)运行管理简单,VAM输送到锅炉做为助燃空气,系统配置简单、运行维护要求较低。

同时VAM作为电站锅炉燃烧空气方案也有不可回避的缺点,主要体现在：

(1)需要风井场地附近建有较大坑口电站,输送距离不宜太远;

(2)坑口电站所需风量往往和矿井通风量不匹配,节能减排不彻底。

当条件具备时应优先考虑采用此种方案,矿井通风量采用此方案富裕量较大时,可以结合VAM逆流氧化技术同时实施。

4.2 逆流氧化技术

VAM逆流氧化技术缺点主要体现在：

(1)投资较高,处理100万Nm3/h的VAM配套发电系统,投资约8600万元;

(2)受VAM浓度限制较大,VAM浓度小于0.25%时;系统不能维持自身氧化,需要消耗大量电力,VAM浓度小于0.5%时,配套蒸汽发电系统收益不高;

(3)场地占用大,系统较为复杂;

(4)单纯依靠发电、供热收益不高;

VAM逆流氧化技术优点主要体现在：可根据矿井通风量规划VAM逆流氧化规模,节能减排较为彻底。

4.3 积极推广

VAM综合利用技术已经成熟,市场潜力巨大,应根据矿井自身特点制定合适的综合利用方案。在矿井配套建设坑口电站时,应优先考虑VAM作为电站锅炉燃烧空气,该方案系统简单、投资小、回报率高,当VAM远高于坑口电站消耗量时,可以考虑同时配置两种VAM综合利用技术,最大限度的利用VAM。在矿井没有配套坑口电站时,应根据VAM流量、矿井工业场地实际情况、当地自然条件,综合考虑设置VAM逆流氧化装置,或单纯进行通风氧化、或供热制冷、或进行发电。

我国VAM数量可观,分布广泛,综合利用技术市场潜力巨大,该技术成功应用和推广将使我国的节能减排工作达到一个新的高度,为国内经济发展提供充足空间。

[1] 中煤国际工程集团南京设计院.G B50215-2005煤炭工业矿井设计规范.北京：中国计划出版社,2005.

[2] 马晓钟.煤矿通风瓦斯氧化技术及氧化热利用方式[J].中国煤层气,2007,4(4).