乏风氧化及余热利用技术在东曲矿的应用

刘向忠

(西山煤电(集团)公司 东曲矿，山西 古交 030200)

·技术经验·

乏风氧化及余热利用技术在东曲矿的应用

刘向忠

(西山煤电(集团)公司 东曲矿，山西 古交 030200)

矿井风排低浓度瓦斯在东曲矿具有稳定的来源，围绕低浓度瓦斯利用、降低风排瓦斯所产生的温室效应，该矿采用乏风氧化及余热利用技术，通过在羊圈港回风系统进行应用，产生了节能环保及经济效益。

乏风氧化；余热利用；节能环保

随着全球气候变暖及国内环保呼声增高，减少由煤矿排放瓦斯所带来的温室效应越来越受重视。为此，在传统矿井抽采瓦斯利用的基础上，对矿井乏风的利用逐渐兴起。虽然乏风中瓦斯(主要成分甲烷)浓度普遍偏低，但总量可观，科学有效地利用将有利于促进经济发展与环境改善。

1 乏风氧化综合技术现状

1.1 乏风氧化技术

常温常压下甲烷与空气的引燃温度为650 ℃～750 ℃，且甲烷浓度在3%以下时不燃烧。由于《煤矿安全规程》要求矿井总回风巷或一翼回风巷中甲烷浓度不得超过0.75%，因此乏风中瓦斯浓度偏低，无法直接燃烧，成为开发利用乏风的难点和关键。目前，乏风氧化技术中瓦斯利用分主要、辅助燃料两种，西山煤电集团东曲矿采用主要燃料利用技术。

采用传统的燃烧技术，乏风中的瓦斯不能持续进行氧化反应，需要营造一个持续供热保证氧化反应的环境。为此需要在两个方面实现突破：

1) 寻找使乏风中甲烷持续氧化的温度范围。试验发现，当混合气温度在750 ℃以上时，甲烷氧化反应最剧烈。

2) 寻找维持乏风中甲烷氧化反应适宜温度环境条件的方法。借助空气燃烧，通过改变气流进、排方向，由蓄热媒介吸收热量保证氧化反应所需环境条件。

总之，乏风氧化过程受到足够能量激发才能进行，单纯依靠自身的氧化热无法维持反应进行，必须维持反应所需适宜环境以确保氧化过程的持续。

1.2 余热利用技术

目前，乏风氧化过程中余热利用有多种方式，如供暖、制冷及发电等。

1) 余热供暖。乏风氧化装置除了维持自身系统运行外，由乏风氧化设备产生的多余热量供应到余热锅炉以产生蒸汽，并用于地面或井内供热。

2) 余热制冷。乏风氧化装置产生的余热可以通过余热制冷机组，借助其产生冷量用于地面或矿井的降温工程。

3) 余热发电。乏风风量较大时，余热通过热烟气供给余热锅炉进行发电，降低生产成本。

东曲矿主要采取余热供暖，提供羊圈港进风井暖风，满足矿井生产需求。

2 东曲矿乏风氧化利用技术

2.1 乏风来源

羊圈港回风井风量约11 000 m3/min，瓦斯浓度0.4%左右，服务东曲矿+860 m水平八、九采区，新鲜风流由羊圈港进风井进入采区，通过+860 m水平东翼轨道巷、八采区辅助运输巷、+860 m水平集中皮带巷进入各工作面，乏风通过八采区边界回风巷由羊圈港回风立井排出，见图1.

图1 乏风的主要来源示意图

2.2 乏风氧化机理

东曲矿引进4台VAM60.00-Ⅲ型乏风氧化装置进行氧化反应来减少温室气体的排放。其基本原理为：通过外部电能对氧化床进行加热启动，通过加热电阻丝给氧化装置加热，为甲烷的氧化反应提供适宜温度，氧化床内部使用蓄热陶瓷重填，维持氧化温度。乏风通过引风机引入氧化床，氧化产生热量，利用换向阀实现乏风周期性逆流换向，一部分热量输出蓄热，另一部分热量由蓄热陶瓷吸收，对进入的乏风进行加热。持续进入氧化装置的甲烷，氧化反应所需的热能由再生陶瓷提供。此时，外部电源停止加热，氧化装置自动稳定运行，内置热交换器输出多余热量，如此进行循环。

乏风的氧化率随甲烷浓度的升高而提高。当甲烷浓度大于0.4%时，氧化率明显提升，在95%以上；当甲烷浓度小于0.25%时，氧化率则大大降低，在90%以下时，见图2.

图2 乏风氧化率曲线图

2.3 余热利用机理

利用氧化反应产生的热量可制取0.62 MPa、156 ℃饱和蒸汽，通过热风机组和外界冷空气进行热交换，所产生的热空气与羊圈港进风井井口冷空气(冬季)混合，形成2 ℃以上的热风，防止进风井口结冰，为井下安全生产提供保障，见图3.

图3 余热利用工作原理图

2.4 羊圈港进风井热负荷计算

羊圈港进风斜井进风量为7 000 m3/min左右，回风立井回风量为11 000 m3/min左右，安装两台FBCDZ-8-NO30 2×500 kW防爆对旋式主要通风机。按冬季室外温度-25 ℃计算，通风耗热量为：

Q=V×r×C×△t=14 721 MJ/h

式中：

Q—通风耗热量，MJ/h；

V—进风量，m3/min，取7 000；

r—空气密度，kg/m3，取1.293；

C—空气比热，kJ/(kg·℃)，取1.004；

△t—温差，℃，取27.

实际运行中，羊圈港回风立井瓦斯浓度平均为0.4%，乏风氧化率96%，氧化反应消耗热量约占0.1%，1台氧化装置可利用的余热量约为4 200 MJ/h、饱和蒸汽量为1.57 t/h，4台氧化装置同时运行提供的热量为16 800 MJ/h(4×4 200 MJ/h)，超过了冬季通风耗热量14 721 MJ/h，满足风井防冻所需。

2.5 东曲矿乏风氧化效益分析

2.5.1蒸汽收入

4台乏风氧化装置共可产生0.62 MPa、156 ℃饱和蒸汽总量为6.28 t/h(4×1.57 t/h).

蒸汽价格按120元/t计算，产蒸汽时间按5个月(3 600 h)计算，所供蒸汽收入：6.28×3 600×120=271万元。

2.5.2减排温室气体收入

遵循《京都议定书》清洁发展机制，通过出售温室气体减排目标，可以获得国际金融支持。东曲矿每年减排的温室气体折合二氧化碳约为4.31万t(M).其中：

1) 瓦斯减排量折合二氧化碳量4.99万t(M1).

该工程共安装4台乏风氧化装置，每台设备(设计乏风处理量6万Nm3/h，年余热回收热能1.24×104GJ)按实际5个月(3 600 h)运行计算，甲烷氧化率按96%计算。

该工程每年减排纯瓦斯量为：

4×6万Nm3/h×0.4%×96%×3 600 h=332万Nm3

该工程每年减排二氧化碳量为：

M1=332万Nm3×0.717 kg/Nm3×21÷1 000=4.99万t

式中：

21—减排1 t的甲烷可折算成21 t的二氧化碳；

0.717—甲烷的比重，kg/Nm3.

2) 余热回收利用减排量折合二氧化碳量0.47万t(M2).

4台乏风氧化装置年余热回收热能总和为4.96×104GJ(4×1.24×104GJ).

燃煤锅炉系数0.095 t/GJ，折合成二氧化碳：

M2=0.095 t/GJ×4.96×104GJ=0.47万t CO2

3) 工程相应产生排放量折合二氧化碳量0.65万t(M3).

乏风中的瓦斯气体在氧化后生成的二氧化碳气体，相应产生排放量：

M3=332万Nm3×0.717 kg/ Nm3×44/16=0.65万t

式中：

44/16—二氧化碳与甲烷的相对分子量比。

4) 项目用电量产生排放量折合二氧化碳量0.5万t(M4).

厂区的年自耗电量为6 221.44 MWh，按华北区域电网排放因子为0.811 45 t/MWh计算，折合成二氧化碳：

M4=0.811 45 t/MWh×6 221.44 MWh=0.5万t

合计减排二氧化碳量：

M=4.99+0.47-0.65-0.5=4.31万t

碳减排收益：减排二氧化碳量×单价=4.31万t×69.6元/t=301万元/a

2.5.3财政补贴

1) 年瓦斯利用补贴计算。

332万Nm3×0.2元/Nm3=66.4万元

式中：

0.2—每利用1 m3标况瓦斯国家补贴。

2) 余热利用节约标煤计算。

余热回收利用代替燃煤锅炉年节煤量=年余热回收热能总和×1 000÷标煤热值÷燃煤锅炉热效率=4.96×104GJ×1 000÷29 308 KJ/kg÷60%=2 820 t

式中，标煤热值取29 308 KJ/kg；燃煤锅炉热效率取60%.

年节煤财政补贴：中央财政奖励标准为240元/t标煤，省级财政奖励标准不低于60元/t标准煤。

(240+60)元/t×2 820 t=84.6万元

3) 总的经济收益计算。

财政补贴=年瓦斯利用国家补助+年节煤财政补贴=66.4+84.6=151万元

年总收入为：蒸汽收入+减排温室气体收入+财政补贴=271+301+151=723万元

项目年经营成本：电费+人员工资+设备维护+水消耗=196+24+20+32=272万元

年收益=年总收入-年经营成本=723-272=451万元

通过以上计算表明，乏风氧化可以增加煤矿企业的收入，尤其在近年煤炭效益不好、国内外都在致力于减排温室气体的大环境下，乏风氧化体现出更强的竞争力，符合国家政策。

3 结 语

羊圈港乏风氧化装置年利用瓦斯332万Nm3，折合减排二氧化碳量4.31万t，与传统燃煤锅炉相比节煤2 820 t，每年可获得瓦斯利用补贴151万元，年收益451万元。该项目的实施，不仅为煤矿企业创造了额外收入，同时减少了温室气体的排放，真正做到了变废为利，收到良好的经济效益、环保效益和社会效益，对于推动煤矿绿色循环低碳发展、提高煤炭企业市场竞争力极为有利。

[1] 马晓钟.煤矿乏风氧化装置的研制[J].矿业安全与环保，2011(1)：2-3.

[2] 李宇红，祁海鹰.预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析[J].工程热物理学报，2010(2)：257-260.

ApplicationofTechnologiesonVentilationAirMethaneandWasteHeatUtilizationinDongquCoalMine

LIUXiangzhong

Dongqu coal mine is rich in low concentration coal mine gas with its steady ventilation system. Aimed at the utilization of low concentration VMM and the mitigation of Greenhouse effect, technologies on VMM oxidation and waste heat utilization are introduced in the ventilation system of Yangjuangang station, the practice harvests good result both economically and environmentally.

Ventilation air methane oxidation; Waste heat utilization; Saving energy and protecting environment

2017-08-02

刘向忠(1982—)，男，山西文水人，2006年毕业于中国矿业大学，硕士研究生，高级工程师，主要从事煤矿一通三防瓦斯治理工作

(E-mail)61854937@qq.com

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