羊圈港风井采用乏风氧化方式供热应用与研究

乔志刚

（西山煤电（集团）公司计划处，山西太原030053）

·技术经验·

羊圈港风井采用乏风氧化方式供热应用与研究

乔志刚

（西山煤电（集团）公司计划处，山西太原030053）

根据现行环保政策，严禁使用20 t以下的燃煤锅炉，为此针对新建的煤矿风井必须寻求适合的清洁能源供热方式。本次研究主要是通过煤矿回风井乏风氧化装置，利用低浓度瓦斯氧化放出的热，为进风井供热。在东曲矿羊圈港风井建设处理能力为5 000 Nm3/min的乏风氧化装置，可满足矿井安全生产需要。项目建成后，年利用纯量瓦斯935万m3，折合减排CO213万t，与传统燃煤锅炉相比年节煤3 500 t，每年可获得瓦斯利用补贴233万元，碳减排收益预计130万元，经济、社会效果显著。

东曲矿；风井；乏风氧化；供热

西山煤电集团公司东曲矿始建于1985年9月25日，1991年12月16日建成投产，矿井生产能力5 Mt/a，井田走向长10 km，倾向长7 km，井田面积59.9 km2。可采煤层为二迭系山西组2#、4#煤层和石炭系太原组8#、9#煤层，煤种为焦煤、瘦煤和贫煤，可采储量4.7亿t，服务年限84年。矿井采用斜井、平硐混合开拓，大巷条带式开采，综合机械化采煤。该矿井属高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量81.4 m3/min，相对瓦斯涌出量13.8 m3/t，通风方式为分区抽出式通风，主要进风井7个：东平硐、西平硐、矸石斜井、黄台风进风井、小沙岩进风井、皮带明斜井、羊圈港进风井。回风井4个：黄台峰回风井、长峪沟回风井、小沙岩回风井、羊圈港回风井，矿井总进风量28 753 m3/min；总回风量29 508 m3/min。黄台峰回风井服务于一采区、三采区，长峪沟回风井服务于二采区，小沙岩回风井服务于四采区、五采区。根据矿井生产衔接，需建设羊圈港风井，服务于八、九、十、十一采区。

根据国家《大气污染防治行动计划》（国发［2013］37号）等文件，山西省人民政府下发的《山西省落实大气污染防治行动计划实施方案》（晋政发［2013］38号）规定，2015年年底前淘汰建成区10 t以下燃煤蒸汽炉、2016年市区淘汰20 t以下燃煤采暖锅炉。预计到2017年全省空气质量明显好转，重污染天气大幅减少，可吸入颗粒物浓度减少10%，细颗粒物浓度减少20%，全面改善空气质量。在这种大背景下，新建燃煤热风炉已不具备可行性。因此，针对煤矿风井需研究一种新型、环保、高效的供热热源。

1 乏风氧化技术应用的政策因素

《联合国气候变化公约京都议定书》于2005年2月16日正式生效，约定各缔约方需要控制6种温室气体：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫的排放。

国家发改委早在2011年10月就在全国范围内确定了7个减排试点，包括北京、上海、天津、深圳、重庆5个城市和广东、湖北2个省份，强制减排市场参考欧盟碳交易体系，为每个企业设定排放上限并免费发放一定量的排放配额，如果企业的排放量超过配额就必须从碳交易市场购买配额，而排放量低于配额的企业则可出售配额而牟利。2012年10月广东强制4家水泥企业以6 799万元认购了130万t二氧化碳排放权配额（单价高达52元），成为中国基于碳排放总量控制下的首宗配额交易。深圳市于2013年6月18日正式启动交易，首批成交价格为每吨CO228~30元。

采用乏风氧化技术就是利用羊圈港回风井中低浓度瓦斯通过氧化装置氧化放出热量，并利用其为进风井供热。这是一种典型的节能减排项目，完全符合国家产业发展政策，且具有较好的示范性。

2 乏风氧化技术原理

借鉴蓄热式高温空气燃烧技术（HTAC技术），让燃料在高温低氧环境下燃烧。乏风氧化技术原理示意图见图1。

图1 乏风氧化技术原理示意图

当常温空气由换向阀切换进入蓄热室1后，经过蜂窝陶瓷蓄热室时被加热，在极短的时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉膛温度低50～100℃），高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形成一股含氧量低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料，这样燃料在贫氧（2%～20%）状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经过另一个蓄热室2排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将显热储存在蓄热体内，然后以150～200℃的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使蓄热与放热交替工作，常用的切换周期为30～200 s。

参照以上理论，将其燃烧室做为氧化室。蓄热陶瓷预热的是空气，但对煤矿乏风来说，内部含有甲烷，是一种燃料，图1中喷出燃料与热空气混合后相当于乏风中的甲烷与空气的混合物。为此，煤矿乏风氧化也采用这种逆流换热、预热技术，将乏风中的甲烷与其中的氧进行氧化反应。氧化装置由氧化床和控制系统两部分构成，氧化床先用外部能源（如电能）加热启动。通电加热的热量被氧化床中的蓄热陶瓷吸收，陶瓷温度逐渐上升，并形成一个抛物线形的温度梯度场。当温度达到CH4与氧发生化学反应的温度后停止电源加热。乏风进入氧化床后蓄热陶瓷放热逐步预热乏风，当达到一定温度后CH4与氧发生氧化反应释放热量，一部分热量被蓄热陶瓷吸收，维持氧化床内部温度，使下一循环进入的CH4继续氧化反应，氧化装置即可自动稳定运行。多余的热量由内置换热器取出。

3 羊圈港风井热负荷计算

羊圈港进风斜井断面18.8 m2、风量8 000 m3/min，回风立井断面19.6 m2、最大风量15 000 m3/min，安装2台FBCDZ-8-No30B防爆对旋风机。根据煤矿安全规程规定，进风井口以下的空气温度必须在2℃以上，才能保证矿井正常生产。按照进风井风量8 000 m3/min、室外温度-25℃计算，通风耗热量计算如下：

Q=V×r×C×△t=16 824 MJ/h

式中：

Q—通风耗热量，MJ/h；

V—进风量，m3/h；

r—空气密度，kg/m3；

C—空气比热，kJ/（kg·℃）；

△t—温差，℃。

因此，应按照上述热负荷配置供热设施。

4 羊圈港风井乏风氧化装置实施方案

羊圈港回风井风排瓦斯的浓度为0.4%，满足乏风氧化装置的浓度要求。按照初期回风量10 000 m3/min、进风量8 000 m3/min进行计算选型。

乏风氧化装置热力计算按照甲烷热值：35.8 MJ/m3，乏风浓度按掺混至0.4%，乏风氧化率按97%，氧化反应本身所需热量百分比：0.1%，空气的比重：1.293 kg/m3，空气的比热：1.004 kJ/（kg·℃），进出风口温差：40℃，乏风氧化装置自身散失的热量百分比：5%；单台氧化装置产生热量如下：

1）每小时氧化反应产生的总热量：

35.8 ×60 000×0.4%×97%=8 334.24 MJ/h

2）氧化反应本身所需热量：

35.8 ×60 000×0.1%=2 148 MJ/h

3）出风口排掉的热量：

60 000×1.293×1.004×20÷1 000=1 557.81 MJ/h

4）乏风氧化装置自身散失的热量：

35.8 ×60 000×0.4%×97%×5%=416.71 MJ/h

5）可利用的余热量：

8 334.24-2 148-1 557.81-416.71=4 211.72 MJ/h

1台乏风氧化装置可产生0.6 MPa、158℃饱和蒸汽量为1.57 t/h，5台乏风氧化装置可产生0.6 MPa、158℃饱和蒸汽量为7.85 t/h（温度158℃、压力0.6 MPa的饱和蒸汽比焓为2 752 kJ/kg；冷凝水按80℃计算，比焓为335 kJ/kg；乏风氧化装置内置换热器换热效率按90%计算）。将流量为8 000 m3/mim、温度为-25℃的进风井井口冷空气温度提升至2℃，所需热量为16 824 MJ/h。管道损失按5%考虑，空气—蒸汽换热器换热效率按95%考虑，目前技术成熟的乏风氧化装置处理量为60 000 m3/h，应配置的数量为4.4台，项目根据风排瓦斯量及风井防冻所需热量，确定安装5台饱和蒸汽的乏风氧化装置。

5 结论分析

目前，煤矿可采用的清洁供热方式主要包括：电锅炉、空气源或水源热泵、燃油锅炉、天然气或瓦斯锅炉等。电锅炉采暖方式直接投资最低，但运行成本较高，且根据矿井电网负荷能力，不具备实施条件。空气源热泵直接投资费用高，运行费用高，且受场地条件限制，不具备实施条件。燃油锅炉直接投资适中，运行费用高，但风井地处偏僻山地，冬季运输车辆无法到达现场，且在煤矿风井使用燃油锅炉，对安全生产也构成新的危险源。新建风井周边的地面瓦斯抽放站一般是后期才建设实施，因此燃气锅炉也不具备实施条件。

东曲矿羊圈港风井乏风氧化项目正常运行后，经测算，年消耗电量622万kWh，年利用纯量瓦斯935万m3，折合减排CO213万t，与传统燃煤锅炉相比年节煤3 500 t。由此每年可获得瓦斯利用补贴233万元、碳减排收益预计130万元。按照电费0.5元/kWh计算，项目年收益52万元。

该项目固定投资费用较高，如果国家进一步加大瓦斯利用补贴、健全完善国内碳减排市场，在当前煤炭市场下行、环保要求日益严格的情况下，乏风氧化技术的应用将是解决煤矿新建风井供热的有效途径。

［1］李冬梅，任伟娜，李圣强，等，立式乏风氧化装置的开发与应用［J］.能源与节能，2013（10）：5-6.

［2］周厚全，蓝波.矿井乏风氧化装置内蜂窝蓄热体换热过程的数值模拟［J］.煤矿安全，2010（11）：11-12.

［3］马晓钟.煤矿乏风氧化装置的研制［J］.矿业安全与环保，2011（1）：17-20.

Research and Application on Exhaust Oxidation Heating in Yangjuangang Air Shaft of Dongqu Coal Mine

Qiao Zhi-gang

According to the current environmental protection policy，prohibits the use of coal-fired boilers below 20 t.In view of new coal mine air shaft,must seek clean energy heating methods.This research mainly uses the low concentration gas oxidation exothermic to heat the inlet air of air intake by using the air shaft exhaust oxidation device.The capacity of exhaust oxidation equipment which was build in Dongqu coal mine Yangjuangang air shaft is 5 000 Nm3/min,it can meet the need of mine safety production.After the project is completed,annual utilization of scalar gas is 9 350 000 cubic meters,equivalent to emission reduction of 130 000 tons CO2.Compared with traditional coal-fired boiler can save coal 3 500 tons each year.A year can get gas using subsidy of 2 330 000 yuan.Carbon emission reduction benefits are expected to 1.3 Million yuan.Economic and social effect is remarkable.

Dongqu coal mine；Ventilation shaft；Air oxidation；Heat addition

TD98

B

1672-0652（2014）11-0004-03

2014-09-29

乔志刚（1982—），男，山西定襄人，2005年毕业于中国矿业大学，工程师，主要从事专用资金计划管理及重大项目方案设计审查工作（E-mail）jhczjk@163.com