通风瓦斯利用技术比较与设备选择

桑逢云 赵国泉

(国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京 100029)

通风瓦斯利用技术比较与设备选择

桑逢云 赵国泉

(国家安全生产监督管理总局信息研究院,北京 100029)

针对通风瓦斯特点,本文对通风瓦斯热氧化技术、催化氧化技术和混合燃烧技术进行了比较分析,得出热氧化技术为当前相对成熟技术,推广应用性广泛。通过对主要热氧化设备生产商的性能分析,对设备选择的影响因素进行了归纳和总结。

风排瓦斯 热氧化 催化氧化 利用方案

Abstract:Based on the features of ventilation air methane(VAM),comparison and analysisof three VAM utilization technology has been done,including thermal oxidization,catalyst oxidization and hybrid coal gas combustion.It is proved that thermal oxidization technology is relatively matured and can be wildly applied and promoted.The paper summarizes the influencing factors during equipment selection according to the performance analysis of some major thermal oxidization equipments.

Keywords:VAM;thermal oxidation;catalytic oxidation;utilization plan

目前在我国煤矿排放的甲烷中,甲烷排出量的80%是通过风排瓦斯排出的。我国通风瓦斯排放量由2000年83亿m3增加到2008年161m3,是西气东输(一期)的120亿m3天然气量输送量的1.3倍,相当于每年有2200万t标准煤被白白浪费掉。由于甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍,每年通过风排瓦斯向大气中排入161亿m3的纯甲烷,相当于排放约1.8亿t二氧化碳。风排瓦斯的浓度虽小,但总量却特别巨大,如果能采取合适的开发利用方案,对风排瓦斯加以利用,将产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。

1 风排瓦斯利用技术

国内外风排瓦斯利用方式可以分为两大类:一类是作为主燃料利用方式,采用逆流式热氧化和逆流式催化氧化技术两种,另一类是作为辅助燃料利用方式,采用混合燃烧技术。

1.1 逆流式热氧化技术

逆流热氧化技术利用气体与固体热交换原理,先将氧化装置氧化床用外部能源(如电源)进行加热,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,当达到甲烷自燃温度后停止电源加热。通过引风机将风排瓦斯引入氧化装置,蓄热陶瓷放热逐步预热风排瓦斯,当达到其一定温度后甲烷与氧气发生氧化反应释放热量。利用双向流反应器技术将产生的热量一部分热量被蓄热陶瓷吸收,维持氧化床内部温度,使下一循环进入的甲烷继续发生氧化反应,维持氧化装置自动稳定运行,多余部分通过内置换热器取出,用于制冷、制热或发电。风排瓦斯热氧化技术趋于成熟,运行比较可靠,但初期耗能大,设备要求连续运行,抵抗突发事故能力差。

采用热氧化方式利用风排瓦斯的技术主要有中国胜利动力机械集团公司的热氧化技术、美国MEGTEC公司的VOCSIDIZER技术、英国HARWORTH公司的热氧化技术。目前热氧化技术日趋成熟,在全球开展了多个示范项目,正进入商业化开发阶段。

1.2 催化氧化技术

催化氧化技术的基本原理是在催化剂的作用下,将甲烷的自燃温度降低到几百摄氏度以下(低于350℃),使风排瓦斯中的甲烷在较低的温度条件下发生氧化反应,产生热量。热量一部分维持氧化反应,多于部分通过热交换,用于制冷、制热或发电。催化氧化方式具有初期投资少,启动速度快等优点,但催化剂维持时间短,需要定期更换,后期维护费用较高。

采用催化氧化方式利用风排瓦斯的技术主要有澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)的CAT技术、加拿大矿物与能源技术中心的CH4Min技术。目前催化氧化方式已经完成实验室试验,但由于催化剂价格和开机率等原因还未开展示范项目。

1.3 混合燃烧技术

混合燃烧技术是在利用其他燃料提供的热量,在高温条件下,将风排瓦斯中的甲烷氧化,产生热量,达到节省主燃料的目的。燃料使用可采取不同的组合方式、混合方式、流量速度和浓度。混合燃烧方式具有氧化效率高,设备投资小等优点,但只能在热源地点与风井距离合适时才可以应用,灵活性差。

采用混合燃烧方式利用风排瓦斯的技术热源可以来自燃气轮机、内燃机和风井附近火电厂锅炉、制砖窑炉的供风系统。混合燃烧技术比较简单易行,在美国和澳大利亚开展了多个示范项目。

对比分析三种风排瓦斯利用技术(见表1),热氧化技术和混合燃烧技术,是经过现场试验检验的、趋于成熟的技术,催化氧化技术还处于试验阶段。混合燃烧技术要求风井周围必须有配套热源,而热氧化技术撬装氧化装置系统因效率高,安装简单、运行管理自动化程度高,推广应用性广泛。

表1 三种技术对比表

2 风排瓦斯热氧化设备的选择

国内外风排瓦斯热氧化生产商主要有美国MEGTEC公司、中国胜利动力机械集团公司、英国HARWORTH公司,在开展风排瓦斯利用项目时,设备选择主要考虑以下因素,优选合理的开发利用方案。

2.1 技术成熟度

风排瓦斯热氧化技术在设备启动时,需要外部热源提供初始反应热,因此要求设备稳定性高,技术成熟,能够连续运行。

目前,MEGTEC公司的VOCSIDIZER技术已在全球有5个工业化运行的煤矿风排瓦斯利用项目,其中在中国第一个风排瓦斯利用项目于2008年10月在河南省郑州煤业集团成功运行。山东胜动集团的风排瓦斯利用装置于2007年5月在阜新矿业集团王营矿北风井正式运行;2008年,陕西煤化集团与胜动集团签署协议,购买胜动集团生产的10台风排瓦斯氧化装置,目前该项目已开始试运行。HARWORTH公司的氧化装置与1994年在英国煤业集团下属的一个煤矿进行了论证性的运行,至今未见其商业化运行案例。

2.2 甲烷氧化率

甲烷氧化率是瓦斯利用效果优劣的直接指标,也是其项目效益的直接指标。MEGTEC公司VOCSIDZER技术风排瓦斯甲烷氧化率最高,为97.5%;HARWORTH公司风排瓦斯氧化技术的甲烷氧化率为97%;胜动集团风排瓦斯氧化技术甲烷氧化率较低为95%,国内设备商的氧化效率有待提高。

2.3 氧化热利用方案

风排瓦斯利用方案主要有销毁、供热和发电三种方式。MEGTEC公司和胜动集团风排瓦斯设备均可用于乏风销毁、供热和发电,而HARWORTH公司的技术只用于风排瓦斯氧化销毁。

2.4 风排瓦斯甲烷浓度要求

氧化设备正常运行对瓦斯浓度有要求,瓦斯浓度达到一定值时,设备才能正常运转,达到设计目标。对于MEGTEC公司的VOCSIDIZER技术,若风排瓦斯只氧化销毁不回收热量时,氧化装置正常运转所需最小甲烷浓度为0.2%;若风排瓦斯氧化后回收热量用于供热或发电,氧化装置正常运转需要甲烷浓度平均值为0.4%以上。

对于胜动集团的技术,若风排瓦斯只氧化销毁不回收热量时,氧化装置正常运转所需最小甲烷浓度为0.3%;若风排瓦斯氧化后回收热量用于供热或发电,氧化装置正常运转需要甲烷浓度平均值为0.5%以上。

对于HARWORTH的技术,若风排瓦斯只氧化销毁不回收热量时,氧化装置正常运转所需最小甲烷浓度为0.2%。

3 总结

通过对风排瓦斯利用技术对比分析和风排瓦斯设备生产商的研究,对风排瓦斯设备选择总结如下:

(1)热氧化技术和混合燃烧技术,是经过试验检验的、趋于成熟的技术,催化氧化技术还处于试验阶段。

(2)热氧化技术氧化装置系统因效率高,安装简单、运行管理自动化程度高,推广应用性广泛。

(3)国内外不同设备生产商生产热氧化设备在技术、甲烷氧化率、氧化热利用方案和对甲烷浓度要求不同,在设计设备选择时,应针对不同的资源供应情况和企业利用方案综合考虑,优选合理的开发利用方案。

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Comparison of VAM Utilization Technology and Equipments Selection

Sang Fengyun,Zhao Guoquan
(China Coal Information Institute,Beijing 100029)

桑逢云,男,工程师,毕业于山东科技大学,现从事煤层气开发利用研究工作。

(责任编辑 刘 馨)