关于大宁煤矿瓦斯利用方法的探讨

员利民

(煤炭工业太原设计研究院,山西 030001)

1 大宁煤矿瓦斯抽放现状

大宁煤矿位于山西省晋城市阳城县境内,沁水煤田南部,属上黄崖精查勘探区的一部分。矿井井田划定范围面积38.8293km2。含煤 (气)地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组,总厚度151m,含煤10～22层,其中3#煤和15#煤为全区可采,6#煤、7#煤、9#煤为局部可采。矿井煤炭地质储量6.735亿t,其中3#煤可采储量2.867亿t,矿井年设计能力400万t,服务年限84.9年,3#煤的服务年限30.7年,经过几年建设,2008年6月份正式投产达到设计生产能力。由于井下煤层瓦斯含量高,3#煤、6#煤、15#煤瓦斯平均含量为 14～15m3/t,井下采用3台千米钻机定向钻井抽放瓦斯,在地面建有八里弯、南山两个瓦斯抽放站,主要抽取井下本煤层、邻近层及采空区瓦斯。上述瓦斯抽放站相关技术参数及瓦斯利用情况见表1。

由表1可知,两个瓦斯抽放站中,只有甲烷浓度30%以上的瓦斯在电站和燃气锅炉得到利用,瓦斯实际抽放量18～20万m3/d;而浓度在30%以下的瓦斯,由于矿上现有的设备不能使用,只能直接排空浪费掉。

表1 瓦斯抽放站相关技术参数及利用情况

2 大宁煤矿供热负荷现状

2.1 大宁煤矿热负荷统计

大宁煤矿供热负荷为井下用热、生产区及生活区采暖洗浴等,见表2。

表2 煤矿热负荷统计

2.2 大宁煤矿现有瓦斯利用设备情况

最近几年来,大宁煤矿利用浓度30%瓦斯作燃料,新建热风炉、燃气锅炉以满足矿井供热需求,另建瓦斯燃气内燃机组发电。详见表3。

由于上述燃气锅炉、热风炉及瓦斯发电机组均燃用甲烷浓度30%以上的瓦斯,实际耗气折纯19533m3/h,由于采暖季必须保证主斜井、生活区等矿井生产生活用气5112m3/h,只能提供瓦斯电站的气量2400～3200m3/h;非采暖季两个瓦斯电站满负荷发电也需要14421m3/h,这样常年出现瓦斯电站机组闲置不能发挥其经济效益的局面,如何全面利用不同浓度的瓦斯,即能保证矿井用热又能最大效率发电,应该依据实际情况制定一个切实可行的技术方案。

表3 煤矿瓦斯利用设备情况统计

3 瓦斯利用新方案

根据大宁煤矿瓦斯抽放站资料,甲烷浓度30%以上日实际抽放量为18～20万m3,30%以下日实际抽放量合计15～18万m3。以及新型国产机组在甲烷浓度6%以上就能稳定发电的成熟设备,我们对大宁煤矿的供热设备及瓦斯发电机组进行科学合理的梳理,制定新的技术方案：(1)保留现有35MW瓦斯电站,其配置为8×4MW进口燃气内燃机组+4×4.38t/h余热锅炉+3MW组合快装凝汽式汽轮发电机组。电站于2008年7月开工,2010年3月投产,设计年发电量2.452×108kWh,年供电量2.322×108kWh,年耗瓦斯气量折纯为5.368×107m3,性质为公共电厂。电站所用燃气内燃机组为德国道依茨设备,型号TCG2032V16,额定功率4000KW,发电机电压等级10.5kV,厂房式布置。余热蒸汽锅炉为上海益格新技术工程有限公司提供的卧式不补燃型单压自然循环余热锅炉,型号EGS4.3-2.45/400NSV,额定蒸发量4.38t/h,额定蒸汽压力2.45MPa,额定蒸汽温度400℃,露天布置。蒸汽轮机为洛阳发电设备厂生产的N3-2.35组合快装凝汽式机组,额定进汽量15.6t/h,额定进汽压力2.35MPa,额定进汽温度400℃。(2)由于现有13MW国产机组瓦斯电站只有简单的机组及其辅助系统,没有烟气余热回收装置,将其淘汰,引用低浓度瓦斯发电机组,置换出高浓度瓦斯以保证现有的进口机组尽可能满负荷发电,同时对两个瓦斯电站的烟气余热及机组缸套水热能进行回收,替代煤矿热风炉及燃气锅炉,从而提高瓦斯热能利用率。利用方案如图1所示,其配置见表4。

图1 瓦斯利用方案示意图

表4 瓦斯电站发电及供热汇总表

由表4可知,35MW瓦斯电站按发电3.8kWh/m3,单机容量按满负荷4000KW计算,可以运行数量为6～8台,回收高温烟气热能12.8～14.2MW,回收缸套水热能9.8～10.9MW。新建低浓度瓦斯电站按发电3kWh/m3,单机容量按500KW计算,可安装发电机组37～45台,回收高温烟气热能10.5～12.6MW,回收缸套水热能8.3～9.9MW。两个电站采用余热锅炉回收高温烟气提供饱和蒸汽热能23.3～26.8MW,替换现有煤矿5台热风炉,保证主斜井、副斜井、进风行人斜井及进风立井合计19.6MW热能的需求;新建低浓度瓦斯电站可回收缸套水热能8.3～9.9MW,通过换热器提供50～60℃的热水,替代现有生产区洗浴锅炉6.4MW;35MW瓦斯电站回收缸套水热能9.8～10.9MW,提供60℃热水,基本可以替换现有生产区和生活区的采暖锅炉,不足部分用高温烟气热能来补充。

4 大宁煤矿供热方案改造前后经济分析

通过本次技术改造,可将大宁煤矿瓦斯抽放站的高低浓度瓦斯进行充分的利用。拆除现有耗用高浓度、效率较低的国产机组,新建一座低浓度瓦斯电站,充分利用机组缸套水、高温烟气热能;另将进口机组缸套水热能加以利用以取代现有分散的锅炉房,便于煤矿集中管理,不仅保证了大宁煤矿生产生活用热需求,而且两个电站一年多发电4.52亿kWh,扣除厂用5%,年供电4.30亿kWh,按山西省瓦斯电站2011年上网电价0.509元/kWh计算,发电收益达2.19亿人民币。大宁煤矿的瓦斯由单一利用途径发展到分层次利用,从而保证了大宁煤矿瓦斯经济收益、利用效率最大化。

[1] 张亮.山西煤层气资源评价及开发利用 [M].太原：山西出版集团,2007.

[2] 华东电力设计院.DL/T5174-2003燃气-蒸汽联合发电循环电厂设计规定 [S].北京：中国电力出版社,2003.

[3] 张增平.煤矿低浓度瓦斯提纯技术及经济性分析[J].中国煤层气,2010.1.