小型煤矿超低浓度瓦斯蓄热氧化供热技术研究

2021-03-17贾晓亮

煤化工 2021年1期

贾晓亮

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院，重庆400037）

引言

近年来，我国大气污染形势严峻，区域性大气环境问题日益突出，损害人民群众身体健康，影响社会和谐稳定[1]。随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治压力继续加大[2]。为切实改善空气质量，国务院印发了《大气污染防治行动计划》（国发[2013]37 号）。该计划中明确提到，加快推进集中供热、“煤改气”“煤改电”工程建设，到2017 年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10 蒸吨（10 t/h）及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20 蒸吨（20 t/h）以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10 蒸吨（10 t/h）以下的燃煤锅炉。

全国用于采暖期煤矿井筒加热的燃煤热风炉数量庞大，而我国煤矿大量的抽采瓦斯因浓度极低、不便利用直接排放[3]。2018 年排放的抽采瓦斯量达到77亿m3，其热值相当于943 万t 标煤的发热量，产生的温室效应相当于1.05 亿t 二氧化碳，造成较大的能源浪费和环保压力。

在此背景下，结合煤与瓦斯共采共用技术[4]，利用低浓度瓦斯蓄热氧化技术替代燃煤热风炉进行井筒加热，并为办公楼供暖，不仅能够有效解决当前燃煤热风炉的大气污染物超标问题，减少大气污染物排放[5]，避免废水和固废物的排放，具有良好的节能环保效益；同时充分利用了排空的低浓度瓦斯，节省了燃煤消耗，还可获得抽采瓦斯利用补贴，为矿方带来经济效益。

本文以陕西省韩城某煤矿抽采的低浓度瓦斯为研究对象，通过现场调研、热量平衡计算，提出了超低浓度瓦斯蓄热氧化替代燃煤热风炉的技术解决方案，并对该方案的可行性和实践效果进行了分析。

1 煤矿情况调研

1.1 矿井基本情况

某煤矿位于陕西省韩城矿区，生产能力150 万t/a。矿井现有通风方式为混合式（一水平为边界式，二水平为中央并列式），全矿井目前4 个井筒进风，3个井筒回风，风路长，负压大。

该矿井井田所在地属大陆半干旱性气候，以年蒸发量大于降水量为其特征。据当地气象部门统计资料显示，年平均相对湿度为62.4%，降雨量为536.8 mm，最大积雪量为12 cm，最高气温为42.6 ℃（8 月—9 月份），最低气温为 -14.8 ℃（12 月—次年 2 月份），最大风力9 级，一般为2～3 级，风向以东北风为主。

该矿井排矸立井工业场地设有排矸立井井塔、井口房、通风机房、空压机房、35 kV 变电所、锅炉房和排矸系统等，距离平硐工业场地4.4 km。排矸场地紧临排矸立井工业场地东南侧。排矸进风立井位于排矸立井工业场地东侧，回风井位于工业场地南侧。排矸立井工业场地现已安装2 台BDK-10-No36 型矿用防爆对旋轴流式通风机，1 用1 备，每台通风机配2 台YBF710M2-10 矿用隔爆型电动机。工业场地西侧设有瓦斯抽放泵站。

1.2 矿井低浓度瓦斯抽采规模

矿井目前瓦斯抽采规模为130 m3/min，其中采空区抽采量50 m3/min，煤体预抽量及卸压抽采量等为80 m3/min。地面共设有3 套瓦斯抽放系统，一套为2台2BEC72 型水环真空泵[抽放系统立井500 泵(Ⅰ)]，1用1 备；一套为2 台2BEC60 型水环真空泵（抽放系统立井250 泵），1 用1 备，这两套瓦斯抽放系统用于煤体瓦斯预抽；另有一套系统为2 台2BEC72 型水环真空泵[抽放系统立井 500 泵(Ⅱ)]，1 用 1 备，用于采空区瓦斯抽放。井下设有2 个瓦斯抽放泵站，用于掘进工作面瓦斯预抽。

排矸立井工业场地西侧瓦斯抽放泵站的瓦斯抽采情况见表1。由表1 可知，立井500 泵(Ⅰ)和立井500 泵（Ⅱ）分别可提供瓦斯量（折纯）12.73 m3/min、2.80 m3/min，目前该部分瓦斯高点放空。

表1 排矸立井西侧泵站瓦斯抽采情况

2 矿井用热需求及供热现状

2.1 用热需求

（1）供热点：煤矿排矸立井工业场地进风立井进风加热、办公楼供暖；

（2）排矸进风立井进风量10 000 m3/min，即60 万m3/h，进入立井的热风温度取70 ℃，冷、热风在井筒内混合，立井进风温度≥2 ℃[6]；

（3）办公楼供暖建筑面积1 000 m2；

（4）井筒防冻空气温度及办公楼供暖的室外计算温度取当地历年极端最低气温-14.8 ℃。

2.2 供热现状

矿井现有排矸场地内有一座热风炉房，内设2 台WJ-240 型热风炉，单台供热量为2 800 kW，加热空气温度为70 ℃。升级改造后排矸进风立井进风量达到10 000 m3/min，加热风量 37.95 m3/s，耗热量 4 221.8 kW。燃煤热风炉井筒加热工艺流程示意图见图1，炉膛与换热器为一体式结构，通过燃烧煤炭产生的高温烟气流过换热面，将热量传递给冷空气，把冷空气加热至70 ℃后输送至进风立井处，与冷空气混合后温度降低至2 ℃后送入井下，实现井筒防冻功能。该系统年消耗煤炭约3 000 t，运行成本较大。另外，煤矿燃煤热风炉还需进行脱硫除尘或清洁能源改造。

图1 燃煤热风炉井筒加热工艺流程示意图

矿井地处采暖区，整个矿井分为矿井工业场地、排矸立井工业场地。矿井工业场地已设置集中采暖。排矸立井工业场地有约1 000 m2的办公区域，但由于远离矿井工业场地，没有设置集中采暖，目前采用电热方式（电暖器或冷暖空调）采暖，运行成本较高。

3 超低浓度瓦斯利用方案

目前，国内低浓度瓦斯梯级利用模式已初步形成。“十二五”期间，低浓度煤层气蓄热氧化利用技术、催化氧化直接发电技术以及工业安全燃烧技术取得较大研究进展，在低浓度煤层气（尤其是乏风瓦斯）的利用方面取得突破，从而弥补了长久以来制约煤层气利用技术发展的这一短板。所谓煤层气梯级利用技术，是将高浓度煤层气（甲烷体积分数＞80%）通过管网集输直接供给下游民用或工业用；中浓度煤层气（甲烷体积分数介于30%～80%）通过浓缩制CNG、LNG；低浓度煤层气（甲烷体积分数介于10%～30%）通过直接发电加以利用；而极低浓度煤层气（甲烷体积分数＜10%）主要通过蓄热氧化、催化氧化、安全燃烧等形式就地利用[7]。

根据表1 可知，该矿井可提供甲烷体积分数分别为6.5%、2.5%、1.0%的瓦斯，其瓦斯量（折纯）分别为12.73 m3/min、2.80 m3/min 、0.78 m3/min。这 3 股瓦斯因浓度极低，无法通过内燃机发电来利用；若将3 股瓦斯混合，甲烷体积分数也仅4.23%；如果采用提纯方案，则成本太高，产气率低，不经济，因此目前全部放空。

瓦斯蓄热氧化技术是近几年发展起来的新型超低浓度瓦斯利用技术。该技术将乏风（或空气）与抽采瓦斯掺混成甲烷体积分数约1%的稳定气源，再将掺混气体送入蓄热氧化装置被加热、氧化并释放热量，随着装置的周期性换向，装置实现自动稳定运行状态。通过连接配套的余热锅炉和蒸汽发电机组，可对多余热能高效利用[8]。美国MEGTEC 公司、德国DURR、德国EISENMENN、中煤科工集团重庆研究院有限公司、胜利动力机械集团有限公司、中科院能源动力研究中心等[9]针对该技术进行了技术研发和应用。

根据表1 瓦斯抽采情况，建议采用超低浓度瓦斯蓄热氧化热能利用系统方案替代原排矸立井的燃煤热风炉。将排矸立井工业场地西侧的立井500 泵(Ⅰ)的瓦斯采用低浓度瓦斯安全输送系统送至排矸立井，再通过蓄热氧化装置产生热能，加热井筒进风，并为现场办公楼供暖。在输送过程中，需设置低浓度瓦斯混配系统，使泵站瓦斯与空气（乏风）均匀混合，将甲烷体积分数控制在1.2%以下，以保障装置安全平稳运行。超低浓度瓦斯蓄热氧化供热方案工艺流程示意图见图2。

图2 超低浓度瓦斯蓄热氧化供热工艺流程示意图

4 超低浓度瓦斯蓄热氧化技术方案及可行性分析

4.1 矿井用热负荷

（1）井筒防冻热负荷

按照《煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准》（GB/T 50466—2018）[6]，井筒防冻入井风的耗热量按式（1）计算：

式中：Q 为入井风耗热量，kW；a 为富余系数，取1.1；G 为入井风量，m3/s；γ 为空气密度，取 1.284 kg/m3；Cp为空气比热容，取1.01 kJ/(kg·℃)；tw为空气加热前的室外计算温度，取-14.8 ℃；2 为必须保证的井下工作温度，℃。

该矿井进风立井进风量10 000 m3/min，则Q=1.1×10 000÷60×1.284×1.01×[2-(-14.8)]=3 994 kW。

（2）建筑物供暖热负荷

为满足排矸立井工业场地办公楼的采暖需求，分出一部分高温烟气通往热水加热器，用于加热水，然后将热水通往办公楼供暖。采暖面积1 000 m2，采暖指标140 W/m2，则建筑物采暖热负荷140 kW。

综上所述，总体热负荷为3 994+140=4 134 kW。

4.2 系统处理量规模

在超低浓度瓦斯蓄热氧化热能利用系统中，甲烷在蓄热氧化装置内氧化并放出热量，部分高温烟气被输送至空气加热器和热水加热器内，生成热空气和热水。在热量的传输过程中，蓄热氧化装置的热效率为80%，甲烷的氧化率取95%，甲烷的低位发热量为35 900 kJ/m3，新风加热器和热水加热器的热效率均为83%，管道热损失为3%。

该煤矿井筒加热热负荷为3 994 kW，则为满足该供热需求，需要燃烧的甲烷纯量为：3 994÷(1-3%)÷83%÷80%÷95%÷35 900×60=10.909 m3/min。需要的蓄热氧化装置处理量规模为：10.909÷1.2%×60=54 547 m3/h。

该煤矿建筑物供暖热负荷为140 kW，则为满足该供暖需求，需要燃烧的甲烷纯量为：140÷(1-3%)÷83%÷80%÷95%÷35 900×60=0.382 m3/min。需要的蓄热氧化装置处理量规模：0.382÷1.2%×60=1 912 m3/h。

综合考虑，共需氧化甲烷纯量10.909+0.382=11.291 m3/min，需要的蓄热氧化装置处理量规模为56 459 m3/h，因此，蓄热氧化装置规模选定为60 000 m3/h 能够满足供热需求。根据此规模进行建设，装置投资约1 250 万元。

4.3 气源保障分析

矿井处于北方，在供暖季井下温度低于2 ℃，极端冷月温度达-14.8 ℃。为了顺利采煤，防止工作面结冻，必须保证井下工作温度不低于2 ℃。因此，如采用蓄热氧化装置进行供热，为了防止煤矿采煤工作停滞，供热气源必须有保障。

该矿井瓦斯抽采规模为130 m3/min，其中采空区抽采量50 m3/min，煤体预抽量及卸压抽采量等为80 m3/min。表1 中给出的该矿井排矸立井工业场地西侧泵站的瓦斯抽采情况中，立井500 泵(Ⅰ)和立井500泵(Ⅱ)分别可提供纯瓦斯12.73 m3/min、2.80 m3/min，目前该部分瓦斯高点放空。而此方案只需提供11.291 m3/min 的纯瓦斯，即可满足供热需求，因此气源有保障。

4.4 安全保障措施

（1）按照《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》（AQ 1076—2009）[10]要求，设置自动喷粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置、自动阻爆装置等多重安全保障措施。

（2）设置断电保护系统，采用UPS 电源，保证停电工况下监控系统正常工作30 min，为快速反应、关断供气、打开旁通阀提供电源，安装在抽采瓦斯管道上的气动快关阀在停电时自动关闭，阻止抽采瓦斯进入后续管路，保障系统安全。

（3）系统进气浓度超限时，设置在主管道上的高精度甲烷浓度传感器能够快速精准测量，发出控制信号，关闭蓄热氧化装置进气阀、抽采瓦斯管道快关阀，打开蓄热氧化装置旁通阀，保障系统安全。

该系统中重要位置阀门的执行机构、燃烧器、高精度快速响应激光浓度传感器、监控系统等关键部件选用进口件。蓄热氧化装置及空气加热器主要是结构件，故障率低。保证装置大修周期在半年以上，在冬季供暖期期间，不会出现故障停机，可实现持续供热。对于可能出现问题的切换阀门执行机构、温度传感器、浓度传感器等设备，均可采用在线检修，不影响系统正常运行。

该系统在设计时，依据矿方提供的进风量、室外计算温度等设计基础数据，按照相关规范要求，预留10%的设计余量，完全能够满足系统供热负荷要求。

4.5 实践效果分析

利用超低浓度瓦斯蓄热氧化技术替代燃煤热风炉进行井筒加热和办公楼供暖的技术方案，既可充分利用排空的低浓度瓦斯，又能解决大气污染物、污水和固废物排放难题。另外，将燃煤热风炉与低浓度瓦斯蓄热氧化系统进行对比，发现蓄热氧化利用系统不用消耗燃煤，可节约燃煤成本，同时还可获得抽采瓦斯利用补贴，减少了除尘脱硫运行成本。系统每年运行150 d，可利用纯瓦斯259 万m3，产生195 万元的经济效益，减排CO2（当量）3.6 万t，环保效益显著。

在供暖方面，即使在最冷天气下，也可保证煤矿井下工作面温度不低于2 ℃，使采煤工作正常进行；保证工业场地建筑物内温度不低于16 ℃，确保工作环境的舒适度。