屯兰矿风排低浓度瓦斯氧化利用技术研究

2014-07-30郭晋辉

山西焦煤科技 2014年3期

郭晋辉

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000;2.山西焦煤集团有限责任公司安全监察局，山西太原 030024)

所谓风排瓦斯是指“煤矿采取通风方式排出的，浓度在0.75%以下的瓦斯”(《煤矿安全规程》规定，矿井总回风巷中的瓦斯浓度不得高于0.75%)。长期以来，由于风排瓦斯的浓度较低，直接利用的技术难度较大。因此，矿井的绝大多数风排瓦斯都被直接排放到大气中，这不仅污染了大气环境，也浪费了清洁能源［1－4］。近年来，山西省煤炭产量逐年增加，全省矿井瓦斯排放量和风排瓦斯量也在逐渐增加，经测算，当年全省矿井风排瓦斯量达到了约62亿m3，占到全省煤矿瓦斯排放总量的60%以上。因此，充分合理利用煤矿风排瓦斯，对保障煤矿安全生产、减少温室气体排放、降低环境污染、利用清洁能源有着重要的意义。

1 矿区利用乏风的必要性

屯兰矿隶属于西山煤电集团有限责任公司，为高瓦斯矿井，根据2008年矿井瓦斯等级鉴定结果:绝对瓦斯涌出量256.43 m3/min，相对瓦斯涌出量33.58 m3/t。乏风中的甲烷被排放到大气中，既浪费了大量洁净能源，又污染了大气。为了解决矿井风排瓦斯造成的浪费和对环境污染问题，在治理矿井瓦斯灾害的同时，将其充分利用，开发乏风氧化技术，不但可以有效利用煤矿的洁净能源，而且为煤矿的可持续发展提供了一条新途径，同时，乏风利用可以使风排瓦斯成为盈利工程，风排的瓦斯越多，产生的经济效益也就越好，可以形成良性循环［5－8］。有了经济杠杆的作用，就能进一步调动风排瓦斯的主动性，促进煤矿安全生产。因此，最大限度地利用资源，开发乏风氧化工程是十分必要的。

2 风排低浓度瓦斯氧化利用技术

建设开发处理能力10万Nm3/h通风瓦斯氧化装置、高品位蒸汽发生装置和相应的安全输送及余热利用设备。

2.1 理论基础

借鉴蓄热式高温空气燃烧技术(HTAC技术，见图1)，让燃料在高温低氧环境下燃烧。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大大低于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，使燃料在贫氧(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，使两个蓄热与放热交替工作，常用的切换周期为30～200 s。

图1 蓄热式高温空气燃烧技术工作原理示意图

2.2 基本工作原理

参照上述理论，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，陶瓷温度逐渐升温，并形成一个抛物线形的温度梯度场。当达到CH4与氧发生化学反应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，当达到其一定温度后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。

2.3 氧化装置性能参数及技术特点

氧化装置型号为:XY10－12G

装置功能:低浓度瓦斯氧化及热能回收

最大处理能力:10万Nm3/h

适用瓦斯浓度:0.25% ～1.2%V/V(设计浓度参数 1.0%)

通风瓦斯温度:20℃

瓦斯转化率:＞95%

通风瓦斯氧化装置中采取了以下常规安全保障措施:全部电器设备防爆设计;配备自动切断阀门和放散阀门，随时可与煤矿通风系统隔断接触;运行状态计算机实时监控;紧急情况自动停车;瓦斯浓度连续监测，防止瓦斯浓度突然升高;当瓦斯浓度超过一定数值时，自动隔绝系统。

同时，通风瓦斯氧化装置中还采取以下3点特殊安全保障措施:

1)瓦斯传感器与通风瓦斯快速切断阀连锁，当检测到瓦斯浓度异常升高时即关闭通风瓦斯快速切断阀，确保没有可燃性混合气体进入氧化装置。

2)通风瓦斯管道入口与通风瓦斯扩散塔出口保持适当距离，预留足够的自由扩散面积，通风瓦斯处理系统与煤矿通风系统没有紧密连接，不影响煤矿通风系统工作。

3)通风瓦斯氧化装置调试期间，处理装置与通风瓦斯管道入口不连接，调试成功以后逐步接入通风瓦斯，不影响煤矿通风系统工作。

瓦斯综合处理利用系统采用自动控制技术，瓦斯输送掺混系统根据抽采瓦斯与通风瓦斯的浓度变化，自动调节抽放瓦斯输送风量，可自动适应瓦斯浓度0.25% ～1.2%范围内的变化。

通风瓦斯及抽采瓦斯综合处理系统包括:输送与配气系统、氧化系统、余热锅炉系统、余热利用系统及控制系统等。主要装置包括:抽放瓦斯的输送装置、配气装置、氧化装置(含蓄热材料、换向装置)、余热锅炉、驱动气源、测控元件及中控室。

2.4 建设规模

根据屯兰矿石家河回风井风排瓦斯情况，风排瓦斯总量在7500 Nm3/min以上。由于该风井担负区域2011年1—4月没有进行采煤，风排瓦斯浓度较低，5月份重新采煤后风排瓦斯浓度达到0.4%以上。结合该矿目前的实际情况，确定总装机容量为3台处理量为100000 Nm3/h的乏风氧化装置，配备相应安全输送系统和额定出力7 MW蒸汽锅炉，处理通风瓦斯能力1600 Nm3/min，回收热量用于产生 3.82 MPa/450℃过热蒸汽，用于场区供暖、生活热水。

2.5 乏风输送系统

1)燃料消耗量。

3台XY10－12G型乏风氧化装置运行时总耗气量为30万Nm3/h。

2)乏风气路设置。

考虑到乏风中瓦斯浓度较低，输送管路不存在危险性，故管路中只设置必要的阀门，并考虑矿井井下瓦斯突出时，浓度急剧升高或井下出现爆炸情况设置必要的防护措施。每台XY10－12G型乏风氧化装置前设置1台对旋式轴流风机。根据机组技术参数，XY10－12G型乏风氧化装置的进气支管为DN1600玻璃钢管。3台乏风氧化装置配备1套乏风输送系统。乏风输送总管线采用玻璃钢管道架空敷设，过公路部分管道采用桁架进行支撑。

3)乏风氧化装置进气压力。

在每台XY10－12G型乏风氧化装置前设置1台对旋式轴流风机，保证乏风经管道输送系统输送到乏风氧化装置前的气体压力不低于1.5 kPa。

2.6 污染控制

1)废气。乏风经氧化装置处理后，产生的主要成份有:CO2、H2O、O2、NOx、CO 和少量的 SO2。其中CO2、H2O、O2不属有害物质，瓦斯含H2S量极少，经氧化装置几乎不产生SO2。煤矿通风瓦斯(乏风)氧化装置排气检测结果见表1。

表1 煤矿通风瓦斯(乏风)氧化装置排气检测结果表

由表2可以看出，NOx排放量测试结果为N.D.，低于检出限，从而远低于GB16297－1996《大气污染物综合排放标准》规定240 mg/Nm3。GB16297－1996《大气污染物综合排放标准》中未对CO排放量做规定，根据GB3095－1996《环境空气质量标准》规定，空气中CO浓度日平均不超过6 mg/Nm3，本系统排烟中CO含量≤50 mg/Nm3，排入大气稀释后，系统所在地空气中CO浓度远低于6 mg/Nm3。

2)噪声。使用的乏风氧化装置为无机械传动，故无噪声污染。

3)废水。少量生活污水、综合泵房和乏风氧化装置换热器排出的少量废水，通过排污沟及埋地污水管线接至石家河风井原有排污系统统一排入矿区污水处理站处理。处理后可满足《污水综合排放标准》(GB8978－1996)中二级标准要求。