杜儿坪矿中部风井风排瓦斯氧化处理项目设计

罗申国

（煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001）

·试验研究·

杜儿坪矿中部风井风排瓦斯氧化处理项目设计

罗申国

（煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001）

我国煤矿风排瓦斯量巨大，直接排放造成环境污染和能源浪费，利用乏风氧化机组将其销毁，同时产生热能，不仅改善大气环境，还为矿井风排瓦斯处理开辟了一条新途径。以杜儿坪矿中部风井风排瓦斯氧化处理项目设计为例，介绍了工程概况、机组选型、装机规模及工艺系统设计方案，并论述了避免对矿井通风安全造成影响的措施。

风排瓦斯；氧化机组；工艺系统；设计

目前，煤矿瓦斯主要是通过地面钻井抽采、井下瓦斯抽采和通风解决。地面钻井抽采的高浓度瓦斯，甲烷浓度大于90%，热值与天然气相当，可以通过长距离管道输送、压缩（CNG）和液化（LNG）等方式用作化工原料、民用燃气和清洁能源汽车燃料等；井下抽放瓦斯浓度一般在5%～55%，可通过坑口瓦斯电站发电、煤矿附近民用燃气与采暖等方式加以利用；矿井通风中含有的甲烷浓度小于0．75%的风排瓦斯，由于甲烷含量极低，用提纯分离和直接燃烧两种传统办法均不能实现风排瓦斯的有效处理，所以，以前只能选择直接排放。我国是产煤大国，高瓦斯和瓦斯突出矿井占一半以上，由于采煤每年向大气排放的瓦斯高达300亿m3，其中风排瓦斯占瓦斯排放总量的80%左右，直接排放造成了巨大的环境污染和能源浪费。利用乏风氧化机组销毁风排瓦斯，产生热能供矿井用热，变废为宝，不仅改善了大气环境，还为矿井风排瓦斯处理开辟了一条新途径，具有推广价值。

1 工程概况

西山煤电集团公司杜儿坪矿中部风井风排瓦斯氧化处理项目由西山煤电（集团）有限责任公司筹建，项目位于山西省太原市西20 km处杜儿坪矿中部风井工业场地内，分两期建设，投产后，年处理风排瓦斯量（折纯）1 923．75万m3，折合当量CO2为28．98万t／年，减排大量温室气体，是一个典型的节能环保项目，具有较好的社会环境效益和经济效益。

项目依托现有中部风井空闲场地、供水、供电等基础设施，利用乏风氧化机组销毁中部风井排风中的风排瓦斯，解决了长期以来风排瓦斯直接排放而造成的环境污染和温室效应问题。同时，可按照《京都议定书》开展清洁发展机制（CDM），获得经济效益，是西山煤电集团公司从调整产业结构、整合资源优势，加强环境保护的大局和可持续发展的战略高度出发做出的重要决策。

煤炭工业太原设计研究院先后承担了该项目的可研报告编制、初步设计和施工图设计工作，可研报告和初步设计均已通过山西省发改委组织的专家评审。该项目2011年4月开工建设，现已基本安装完毕，进入调试运营阶段。

2 机组选型及装机规模

2．1 风排瓦斯监测参数

根据矿方对中部风井进行的排风与抽采测量显示，中部风井的排风量约为12 668 m3／min，风排瓦斯纯量为72 m3／min，典型风排瓦斯浓度为0．57%，温度典型值为15℃，湿度为100%，连续监测其浓度在0．35%～0．7%波动。

2．2 机组选型

通过对目前开发出的热回流氧化（TFRR）或再生热氧化（RTO）技术、再生催化氧化（RCO）技术、直流氧化器技术、将风排瓦斯用做助燃空气使用、稀燃瓦斯涡轮机组和混合煤矿瓦斯涡轮技术（HCGT）等几种风排瓦斯减排技术进行对比分析，确定只有热氧化技术（包括使用催化剂的技术和不使用催化剂的技术）可以在合理的成本投入下带来显著的风排瓦斯减排效果。本工程选用的是在煤矿风排瓦斯减排领域已实现工业化运行、较为成熟的技术，即Megtec公司再生热氧化技术（RTO）的沃克斯2（VOX-II）机组和加拿大自然资源署萨敏（CH4MIN）技术（即再生催化氧化技术RCO）的萨敏（CH4MIN）机组。沃克斯2（VOX-II）机组处理量2 100 m3／min·台，氧化器温度1 000℃～1 200℃，可处理风排瓦斯浓度0．2%～1．2%，甲烷摧毁率97%；萨敏（CH4MIN）机组处理量1 200 m3／min·台，氧化器温度600℃～800℃，可处理风排瓦斯浓度0．15%～0．8%，甲烷摧毁率95%。机组年运行小时数为7 500 h，使用寿命21年。

2．3 装机规模

根据中部风井的乏风排风量和风排瓦斯浓度监测数据，结合中部风井工业场地内现有空闲场地情况，确定本工程总处理能力为7 500 m3／min（45万m3／h），约占中部风井排风量的60%，安装3台沃克斯2（VOX-II）机组+1台萨敏（CH4MIN）机组，项目分两期建设，一期建设1台沃克斯2（VOX-II）机组+1台萨敏（CH4MIN）机组；二期建设暂按2台沃克斯2（VOX-II）机组考虑，根据一期工程实际效果，对二期工程技术和选型再进一步确定。公用辅助系统第一期建设完成。

3 工艺系统设计

工艺系统包括乏风输送系统、机组启动系统、压缩空气系统、余热利用系统、供配电系统和热工控制系统，下面分别予以介绍。

3．1 乏风输送系统

根据4台氧化机组布置位置，一期工程和二期工程乏风输送管道分开设置。中部风井两座扩散塔出口新增加内插钢管（DN5800），中间设有隔板，两期工程分别从两个扩散塔出口内插钢管两侧各引一路管道（DN3000，V=9．91 m／s），两座扩散塔靠通风机一侧的两路管道汇合后，管径不变，架空送至二期氧化机组场地，再通过干管（DN2100，V=10．11 m／s）分别接入二期2台热氧化机组。两座扩散塔靠配电室一侧的两路管道汇合后，管径不变，架空送至一期氧化机组场地，再通过干管（DN2100，V=10．11 m／s）分别接入一期两台热氧化机组。

两座扩散塔出口标高为22．00 m，从内插钢管引出的乏风输送母管（DN3000）中心标高为24．80 m，每个内插钢管两侧引出的乏风输送管道上均安装有气动蝶阀，与矿井通风机同步切换使用。进加压风机前立管（DN2100）上安装有流量测量装置。流量测量装置处设检修平台，压力变送器、温度仪表靠近流量测量装置安装，总管浓度仪测点设有检修平台。

风排瓦斯进入氧化装置后，首先通过一层惰性陶瓷储热槽［萨敏（CH4MIN）机组还得再经过一层催化剂］再进入氧化室，预加热到一定温度后，可持续放热反应会将风排瓦斯氧化为二氧化碳和水。第二层氧化剂和储热槽从处理过的气流中吸收热量，之后这些气体经过热交换器和排气烟囱被排空。

氧化反应每隔一段时间调整一次气流方向，以便获取风排瓦斯中的能量持续反应；这个切换过程将确保风排瓦斯始终从处于最佳温度的氧化剂和储热槽通过。

3．2 机组启动系统

氧化装置启动气源选用加压灌装的液化石油气，气罐设于毗邻氧化装置的安全位置。一旦氧化器的储热槽和催化床达到预定温度将进行持续放热反应后，燃烧器就停止工作。燃烧器被安置于位于两个储热槽之间的混合室内，混合室与风排瓦斯进气管道中间有储热槽进行隔离，阻止了可能的火焰扩散。燃烧器工作时不输入风排瓦斯。

3．3 压缩空气系统

乏风输送管路气动蝶阀和氧化装置本体提升阀等仪表气源采用压缩空气，4台氧化装置及配套气动阀门需要的最大压缩空气量为6 m3／min，用气压力为0．55 MPa，故配置2台空气压缩机、1台干燥机和1个储气罐，安装在压缩空气集装箱内。

3．4 余热利用系统

催化氧化器和热氧化器运行时会产出副产物—尾部烟气（温度约300℃），通过烟气换热器换热后，可以提供蒸汽或热水，用于为风井加热或制冷、提供热水和为煤矿建筑供热，以此减少燃煤消耗。由于本工程附近目前没有热负荷，故设计暂未考虑余热利用方式。

3．5 供配电系统

设置1个箱式变电站，布置在中部风井35 kV变电所附近，其单回6 kV电源引自中部风井35 kV变电所。在箱式变电站中，设置6 kV高压母线一段，为箱式变电站中的干式变压器供电。设置380 V低压母线一段，为控制室的1台控制电源屏、4台机组配电屏及厂区照明电源供电。变压器的工作方式为单台工作，并设置变压器综合保护装置。控制室采用活动板房结构，成套制作，内设置1台控制电源屏、1台控制屏、4台机组配电屏及4台变频器屏。

3．6 热工控制系统

设计采用可编程逻辑控制器（PLC）对机组进行监视、控制。其功能范围包括：数据采集和处理系统（DAS），模拟量控制系统（MCS）和辅机顺序控制系统（SCS）。4套氧化机组共用1套控制系统，通过专用的数据模块提供界面给PLC系统，两者之间能互相进行运行状态的参数显示。具有自动化程度高、生产效率高和用人少的特点。

4 避免对矿井通风造成影响的措施

1）在进行总平面布置时，本工程主要建构筑物与通风机房之间要留有不少于20 m的安全距离，满足相关规程规范。

2）在风排瓦斯输送管道与扩散塔衔接处，设计有内插钢管，内插钢管伸入扩散塔500 mm，四周与扩散塔保持200～300 mm，风排瓦斯输送管道从内插钢管侧面接出，当风排瓦斯氧化机组停机时，乏风可通过内插钢管直接排出，不增加通风系统阻力，保障通风系统安全运行。

3）风排瓦斯输送母管上设置有气动盲板阀和气动蝶阀，发生事故时，可迅速切断风排瓦斯供应。

4）在热氧化机组进口安装有瓦斯浓度探测仪和流量监示器，为系统提供程序控制和安全保护。

5）在风排瓦斯氧化机组入口设置有隔离和吹扫阻尼器，可以阻止过高或过低浓度瓦斯进入机组。

5 结 语

按照安全可靠、建设示范性项目为设计原则，采用成熟可靠的先进工艺和技术，同时积极进行设计优化与创新，杜儿坪矿中部风井风排瓦斯氧化处理项目主要技术经济指标达到国内同类型项目的先进水平，荣获2011年度煤炭行业（部级）优秀工程咨询成果二等奖。

利用乏风氧化机组销毁矿井排风中的风排瓦斯，将其转化成二氧化碳和水，并产生热量，回收后可用于井筒防冻和地面建筑采暖，符合当前国家应对气候变化和节能减排政策，为矿井风排瓦斯处理开辟了一条新的途径，可在全省进行推广，具有指导和示范作用。

［1］ 谢凯萍，袁 梅，马科伟，等．我国煤矿风排瓦斯利用的探讨［J］．煤矿现代化，2010（2）：1-2．

The Design of Ventilation Air Methane Oxidation Treatment Project of Central Ventilation Shaft in Du＇erping Coal Mine

Luo Shen-guo

There is a huge number of coal mine ventilation air methane in China，emptying directly lead to environmental pollution and energy waste，using oxidation unit will be destroyed，and generate heat，not only improve the atmospheric environment，also for mine ventilation air methane treatment has opened up a new way．Takes the ventilation air methane oxidation treatment project design in Du＇erping coal mine central ventilation shaft as an example，introduces the engineering general situation，the unit type selection，installed capacity and design scheme of process system，and discusses the measures to avoid affecting the safety of mine ventilation．

Ventilation air methane；Oxidation unit；Process system；Design

TD712+．67

B

1672-0652（2013）09-0017-03

2013-06-22

罗申国（1982—），男，四川南江人，2004年毕业于中国矿业大学，工程师，主要从事瓦斯发电、乏风利用等相关资源综合利用设计工作（E-mail）luosg8261＠163．com