潞安矿区煤矿瓦斯梯级利用技术及工程实践

栗 磊 傅国廷 崔宝库 栗鲁平 靳曙琛 华明国

(潞安化工集团有限公司，山西 046204)

潞安集团主要生产基地潞安矿区和武夏矿区合计面积约4328km2，煤层气(原位高浓度瓦斯)资源储量约4340×108m3，可采储量1120×108m3。十三五期间，潞安集团共有高瓦斯矿井20座，突出矿井2座。2020年，潞安集团所属矿井抽采瓦斯总量超5×108m3，利用瓦斯总量超2.5×108m3。其中地面井抽采量0.5×108m3,利用量0.5×108m3，井下煤层气抽采量4.5×108m3，利用量2.0×108m3。

1 乏风瓦斯氧化利用(甲烷体积分数<0.75%)

2015年5月潞安集团与中煤科工重庆研究院、浙江亿扬能源科技有限公司等相关单位合作建成了潞安高河乏风氧化发电项目正式并网发电并稳定运行。乏风蓄热氧化发电原理及工艺如图1所示，对煤矿回风井扩散塔排出的乏风通过引风罩进行收集，同时将抽采瓦斯从抽采泵站引出，通过混配装置掺入乏风后提升乏风甲烷浓度至1%～1.2%，然后经脱水装置脱水后，送入蓄热氧化装置(Regenerative Thermal Oxidizer，以下简称“RTO”)进行氧化放热，RTO出来的高温烟气进入锅炉换热，产生高温高压蒸汽推动汽轮机转子转动，从而带动发电机转子发电，发出的电能通过升压变压器升压后并入电网。锅炉中的富裕热量或蒸气轮机发电后的蒸气余热还可以通过换热器换热后用于洗浴、冬季供暖或煤矿进风井空气加热。

图1 乏风氧化利用工艺流程图

高河乏风氧化项目采用BOT合作模式，总投资3.8×108元，设计乏风处理能力108×104m3/h，配备12台氧化装置(RTO)(单台处理乏风量90000m3/h)和1台30MW汽轮发电机组，年发电量2×108kWh、年温室气体减排140×104t二氧化碳当量、替代标准煤6.8×104t。2015年5月投运至2020年底，累计发电量达到6.5×108kWh，摧毁甲烷3.0×108m3，累计运行超过4.5×104h，实现减排455万t二氧化碳当量。

2 热源撬供热瓦斯利用(甲烷体积分数≥5%)

2016年5月潞安集团常村煤矿与北京亚炬同创技术有限公司共同研发了热源撬低浓度瓦斯利用技术首期工程在常村煤矿中试成功，技术原理如图2所示，在热源撬瓦斯利用装置内，有多个氧化反应室，将煤矿抽采瓦斯气体经脱水器脱水后与风机送入的空气共同送入NOx抑制器进行掺混并抑制氮氧化物的产生，掺混后浓度大于5%的瓦斯气体分多路正压(>3kPa)通入热源撬反应室，瓦斯经热源撬反应室内催化床渗流至热源撬反应室氧化出气口，由电弧一次性激发燃烧，氧化反应开始并积储热能，随之进入自维氧化态连续工作，产生950±50℃的热空风，壳体出风口负压将热风引出至热水锅炉将经过软化水系统软化的自来水加热后向供热管网供应热水用于洗浴等，热水锅炉中的尾气有排风机通过烟囱排出。

图2 热源撬瓦斯利用工艺流程图

目前常村煤矿运行的热源撬瓦斯利用项目单台热源撬的处理能力为2～10m3/min纯瓦斯，甲烷摧毁率大于96%，氧化热效率大于90%。满负荷运转时，可将115t/h的自来水温度升高40℃；或生产1MPa、179.9℃的饱和蒸汽6.2t/h，该项目利用瓦量达340×104m3/a，年节约职工澡堂供热费用500×104余元。

3 内燃机发电瓦斯利用(甲烷体积分数6%～30%)

内燃机发电瓦斯利用是潞安集团应用最早也是目前最普遍的瓦斯发电技术，2006年5月26日，潞安集团五阳煤矿建成的山西省第一个低浓度瓦斯内燃机发电站投用运行，目前潞安集团已建成投运14座低浓度内燃机瓦斯发电站，总装机容量达82.5MW，日利用瓦斯量总计48×104余m3/d。

4 井下抽采高浓度瓦斯作为燃料利用(甲烷体积分数≥30%)

按《煤矿安全规程》规定，瓦斯气中甲烷含量≥30%时，可用于工业或民用燃料。潞安集团一缘煤业于2009年在地面工业广场瓦斯抽放泵站附近建成一座地面供气站，工艺流程如图3所示。

图3 井下高浓度瓦斯利用工艺流程图

井下抽采的高浓度瓦斯，通过罗茨风机输送至储气罐(容量为5000m3)，瓦斯储气罐中的瓦斯经压缩机加压后通过供气管路供给公司内部食堂、锅炉、酒店等用气地点使用。2013年后与当地银海集团合作，其中银海集团提供100%的纯瓦斯对该矿抽采瓦斯浓度不足30%时，将其配足30%，供给煤矿内部和银海集团使用，目前该矿抽采量约11×104m3/d，日瓦斯利用利用量约为3×104m3/d。

5 地面井抽采高浓度瓦斯利用(甲烷体积分数>90%)

潞安集团自1996年开展了地面瓦斯抽采先导性试验，积累了较为丰富的理论与实践经验。截止2019年底，潞安集团地面瓦斯抽采井正常排采运行414口，产气量约2150×104m3/a，2020年新增地面瓦斯抽采井钻井102口，压裂和排采117口，稳产后预计增加产能1300×104m3/a。目前潞安集团建成地面井抽采高浓度瓦斯利用项目5个，分别为五阳煤矿、李村煤矿、余吾煤业采用集输后压缩储气(CNG)的方式进行利用，高河能源、李阳煤业采用集输后增压入管网的方式进行利用，年可利用瓦斯约1170×104余m3/a，未利用高浓度瓦斯进行焚烧减少温室气体排放。