乏风发电技术在黄陵矿区应用的优势分析

马功社，闫 赞

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

黄陵矿业集团有限责任公司是陕西煤业化工集团所属大型现代化核心企业，位于陕西省延安市黄陵县店头镇，是国家“八五”重点建设项目，20项兴陕工程之一。“十三五”期间，坚持发展循环经济，形成煤矸石发电、粉煤灰治砖、治水泥的循环经济产业链，实现了高碳产业低碳运营，黑色资源绿色开采的环保型经营模式。近年来，黄陵矿业公司响应国家号召，深化绿色矿山示范矿井建设，在矿井开采过程中形成废弃物上下功夫，尤其把煤矿的“第一杀手”瓦斯当作一种新的资源开发和利用，先后在黄陵一号煤矿三号风井、黄陵二号煤矿二号风井实现了瓦斯抽放泵站抽排瓦斯发电技术，坚持企业发展生态优先的战略思想，减少瓦斯排空对大气造成的污染[1-2]。但是在乏风利用方面一直处于空白状态，没有实现真正意义瓦斯全利用、零排放，对黄陵矿业公司所处天然林保护区造成污染，正值黄陵矿业公司编制“十四五”发展规划之际，乏风发电技术在“十四五”发展期间得到应用和推广很有必要。

1 工程背景

1.1 工程概况

黄陵矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘，属于煤、油、气共生矿区。井田含煤地层位侏罗系延安组，厚度50.64～150.81 m，平均厚度92.29 m，共含煤4层，自上而下依次为0号煤层、1号煤层、2号煤层和3号煤层。2号煤层为主要可采煤层，结构简单，厚度0.8～6.3 m，平均厚度3.12 m，倾角3°～5°。煤层原始瓦斯含量1.47～7.9 m3/t，本煤层瓦斯、顶底板油型气赋存极不均匀。黄陵矿业公司下属四对生产矿井，其中一号煤矿、二号煤矿和双龙煤业为高瓦斯矿井，瑞能煤业为低瓦斯矿井。为了确保矿井安全生产，对高瓦斯矿井坚持“边抽边掘、先抽后采”的原则，每年排放到大气中纯瓦斯达1.54亿Nm3，相当于CO2排放量232万t。在这1.54亿Nm3纯瓦斯中，有1.04亿Nm3纯瓦斯经过地面瓦斯抽放泵站抽排到大气中。黄陵矿业公司近几年践行“高碳产业、低碳发展”绿色发展模式，先后在黄陵一号煤矿的三号风井、二号煤矿的二号风井建立了瓦斯发电厂，对瓦斯泵站抽排的瓦斯得到了充分利用，减少对大气造成污染。但对0.5亿Nm3风排纯瓦斯没有利用，在“十四五”期间应用乏风发电技术很有必要，彻底实现黄陵矿业公司瓦斯“零排放”。

1.2 煤矿瓦斯分类及利用现状

甲烷浓度高于30%的瓦斯，即为高浓度瓦斯。30%以上的抽放瓦斯被用作高浓度内燃发电、管道民用燃气、LNG、CNG等，容易利用。甲烷浓度低于30%的瓦斯，即为低浓度瓦斯。8%～30%的抽放瓦斯部分用于低浓度内燃发电，低浓度内燃机运行受瓦斯气源浓度、流量、压力波动影响，大部分低浓度瓦斯内燃机运行小时数偏低、维护成本高，且氮氧化物排放超标[3]。甲烷浓度8%以下的抽放瓦斯和乏风目前几乎全被排空，利用率很低，对环境污染很大。

2 乏风发电技术

2.1 基本原理

煤矿在开采时，为防止瓦斯爆炸、保障煤矿安全，向矿井鼓入新风，从回风井口排回空中的通风气流携带浓度低于0.75%的甲烷，称为风排瓦斯，俗称“乏风”。把抽放泵站的低浓度瓦斯掺混到乏风里，使浓度达到1.2%再导入蓄热式高温氧化装置。极低浓度甲烷在高温反应腔里瞬间无火焰地氧化为水和二氧化碳[4]，图1为乏风及抽放瓦斯氧化技术发电与供热基本原理示意图。发电时，极低浓度甲烷在高温反应腔里瞬间氧化，并释放出巨大氧化热。热能的一小部分用于维持反应温度，大部分热能被导出到余热锅炉和水进行热交换，产出过热高压水蒸气，驱动汽轮机发电。供热时，冬季从汽轮机中间级抽出部分热水蒸气，并可利用汽轮机末端乏汽，为煤矿通风系统的进风井供暖，帮助煤矿完成政府下达的淘汰小型燃煤锅炉的任务指标[5]。

图1 乏风及抽放瓦斯氧化技术发电与供热基本原理

2.2 关键技术

蓄热式高温氧化装置系统是乏风发电的关键技术。在启动系统时，先用柴油(或者丙烷、液化气)喷燃器把两个塔里的陶瓷床加热到900 ℃以上。当乏风通过第一个陶瓷床进入上方的增压燃烧室时，空气的温度上升到空气里的甲烷被氧化。甲烷氧化的放热反应释放出热量。当气体进入第二个较冷的陶瓷床时，陶瓷材料能有效地吸收热量。只要乏风中的甲烷浓度达到0.2%，这个系统就可以自动循环运行，用氧化热能维持氧化过程，其工作原理如图2所示。

图2 双塔蓄热式高温氧化装置

为了保持在两个陶瓷床之间(上方)的高温区的温度，需要每隔2 min就变换乏风流入的方向(从一个塔的入口变到另一个塔的入口)。陶瓷床材料层，温度分布均匀，不会因某处的高温产生严重的热氧氮化物。经过热平衡计算，在入口乏风风量为90 000 Nm3/h，甲烷浓度1.2%(每分钟处理折纯甲烷18 Nm3)，RTO可从蓄热反应室顶部产出950 ℃高温热风24 000 Nm3/h，其余66 000 Nm3/h低温排气在50 ℃左右，通过低温端直接排走。

3 创新点及政策优势

3.1 乏风发电技术创新点

乏风及抽放瓦斯氧化利用技术填补了乏风及浓度低于8%的抽放瓦斯无法利用的技术空白。可以销毁利用包括乏风、低浓度和高浓度抽放瓦斯，在抽放瓦斯足够的情况下可以销毁全部乏风，真正实现煤矿瓦斯零排放，极大提高瓦斯利用率。解决了乏风直接排空过程中温室气体排放和煤尘微粒排放的问题；克服了内燃机发电引发的氮氧化物次生污染，目前该技术经第三方检测机构检测氮氧化物排放低于检出限2 mg/m3，为近零排放。实现了温室气体减排，甲烷的温室气体效应是二氧化碳的25倍，以一个25 MW的乏风及抽放瓦斯氧化热电联供项目为例，每年可实现碳减排134万t。可实现稳定的热电联供，从而可以替代煤矿燃煤锅炉，解决煤矿面临的环保压力，冬季供暖期间可大大提高系统的热能利用效率。

3.2 国家和地方优惠政策

3.2.1 国家优惠政策

国务院办公厅关于加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见(国办发〔2006〕47号)[6]、国家发展改革委印发关于利用煤层气发电工作实施意见(发改能源〔2007〕721号)[7]、国务院办公厅关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见(国办发[2013]93号)[8]，从电价、财政补贴、增值税优惠、所得税优惠等方面制定政策，以便促进产业的发展。根据财政部、国家税务总局(财税〔2015〕78号)文件相关规定，利用煤炭开采过程中产生的煤层气(煤矿瓦斯)发电，并且达到技术标准和相关条件(产品燃料95%以上来自所列资源)的一般增值税纳税人，享受100%退税比例[9]。国家发改委于2019年11月发布的《产业结构调整指导目录(2019年版)》[10]，“乏风瓦斯发电技术及开发利用”入选列为鼓励类投资项目。关于组织申报煤层气(瓦斯)开发利用财政补贴资金的通知(财办建〔2008〕34号)：发电自用可申请财政补贴[11]。《资源综合利用企业所得税优惠目录(2008年版)》：应纳税额按照90%计提[12]。

3.2.2 地方优惠政策

根据陕西省人民政府办公厅《关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的实施意见》(陕政办发〔2014〕108号)的规定，由省财政对煤炭、煤层气企业开采的煤层气(煤矿瓦斯)出售或用作民用燃气、化工原料及用于发电的，根据可计量的实际利用量对企业给予0.1元/m3(折纯)的补贴[13]。2019年5月29日，习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第八次会议，审议通过了《关于在山西开展能源革命综合改革试点的意见》，要求山西发挥在推进全国能源革命中的示范引领作用，促进资源型地区经济转型和高质量发展，增强能源安全保障能力，提升绿色低碳发展水平[14]。2019年9月16日，山西省召开了全省能源革命综合改革试点动员部署大会，骆惠宁书记深刻阐述了开展能源革命综合改革试点的重大意义，对推进能源革命综合改革试点作出全面部署，楼阳生省长围绕抓好任务落实提出了具体要求，山西省政府推出了15项变革性、牵引性、标志性重大举措，其中在第2项“创新煤炭利用方式，提升清洁高效利用水平”明确提出建设乏风及低浓度瓦斯发电项目，实现氮、硫、尘近零排放。关于“十三五”期间煤层气(瓦斯)开发利用补贴标准的通知(财建〔2016〕31号)、山西省人民政府办公厅关于印发《山西省煤矿瓦斯抽采全覆盖工程实施方案》的通知(晋政办发〔2015〕69号)：山西省省财政补贴从0.05元/方提高到0.1元/方，中央财政补贴从0.2元/方提高到0.3元/方，瓦斯利用财政补贴合计0.4元/方[15]。山西省物价局《关于煤层气(煤矿瓦斯)发电上网电价有关问题的通知》(晋价商字〔2011〕13号)，规定上网电价为0.509元/度[16]。

4 结语

乏风发电技术是对地面泵站抽排瓦斯发电的补充，是彻底实现瓦斯“零排放”的有力举措。该项技术坚持了企业发展生态优先的战略思想，每年消耗风排纯瓦斯0.5亿Nm3，减少碳排放77.3万t，并享受国家和地方优惠政策，降低了财务成本。此项技术将给企业带来良好的经济效益、环境效益和社会效益，值得“十四五”期间在黄陵矿区进行推广和应用。