阳煤二矿桑掌乏风瓦斯氧化发电工程设计运行

马立波 程红林 吕军林 胡利民

(1.兴边富民(北京)清洁能源技术有限公司，北京 100025；2.阳泉煤业集团二矿，山西 045000)

1 引言

煤炭开采过程中在采空区、新开作业面及井下瓦斯涌出浓度较高区域会通过专门的抽采泵站抽取瓦斯排放,这部分的浓度从百分之几到几十不等，绝大多数低于30%，又称为低浓度抽放瓦斯。在少数煤矿，例如晋煤集团下属的沁水煤田，井下从本煤层抽取的瓦斯的浓度也可达到40%～50%。根据国家能源局于2016年11月24日发布的煤层气(煤矿瓦斯)开发利用十三五规划，全国井工煤矿平均开采深度接近500m，开采深度超过800m的矿井达到200余处，千米深井47处。随着开采深度增加，地应力、瓦斯含量和压力增大，煤层透气性降低，瓦斯抽采难度进一步加大。2015年，煤矿瓦斯抽采量136亿m3、利用量48亿m3,分别比2010年增长78.9%、100%，年均分别增长12.3%、14.9%，但是煤矿瓦斯利用率35.3%。

阳煤集团二矿桑掌乏风氧化热电联供项目通过引进国际先进的蓄热式高温氧化技术(英文全名“Regenerative Thermal Oxidizer”，简称RTO)回收利用桑掌风井排空的乏风及低浓度瓦斯，变废为宝综合利用煤矿瓦斯资源；氧化销毁排空的瓦斯(甲烷)，实现大规模温室气体减排；通过建设热电联供系统替代煤矿风井现有小型燃煤热风炉，为桑掌进风井筒提供饱和蒸汽，实现清洁供暖。该项目在潞安集团高河乏风氧化发电项目的基础上做了很多改进和优化，大大提升了乏风瓦斯掺混系统的安全稳定性以及乏风氧化发电系统的热回收利用效率。

2 乏风瓦斯氧化热电联供工程设计

2.1 主要设计原则

(1)按照“以气定电”的设计原则，煤矿排空的乏风瓦斯及低浓度瓦斯长期监测数据及未来气源预测结果作为电站装机规模设计依据，合理确定项目建设规模。

(2)在保证安全可靠运行的前提下，突出体现经济性、合理性和先进性。最大限度地降低工程造价，节约用地、用水，降低消耗和运行管理成本，为资源保护和环境保护做出积极的贡献。

(3)项目选址与煤矿通风机房、瓦斯泵站在保证安全距离的情况下就近布置，以减少乏风管道建设投资及风管运行阻力；

(4)乏风及低浓度抽放瓦斯采集以不影响矿井通风主扇、抽放泵站水环泵的正常运行为原则，不对矿井下的通风系统和抽放泵站系统做任何工程改造或设备变更。

(5)考虑到山西省缺水的的特点，汽轮机发电系统不采用水冷，而采用风冷。

2.2 总体工艺流程

阳煤二矿桑掌乏风瓦斯氧化热电联供项目总体工艺流程主要包括乏风瓦斯掺混系统、RTO乏风氧化系统和余热电站三大部分，总体工艺流程图如图1所示。

图1 乏风瓦斯氧化热电联供总体工艺流程图

(1)变频控制的RTO入口引风机在乏风及低浓度的输送管道中产生所需的负压，从乏风扩散塔顶部引风罩水平方向抽取乏风至输送管道内；输送管道又在瓦斯泵站排空管的顶部引风罩侧面利用负压抽取低浓度瓦斯，低浓度瓦斯迅速掺混到管道内的大量乏风中，甲烷浓度稀释至1.2%。通过一系列精确监测及自动控制系统，可确保掺混后的乏风甲烷浓度低于5%～16%的瓦斯爆炸浓度区域，从而实现掺混乏风的安全输送，彻底排除瓦斯爆炸的安全隐患。

(2)乏风及低浓度瓦斯经过安全采集并掺混达到1.2%甲烷浓度后输送至6台RTO氧化装置进行蓄热氧化处理。单台RTO氧化装置处理风量为90,000Nm3/h，6台RTO总计可处理掺混乏风风量为540,000Nm3/h，掺混乏风瓦斯在RTO装置内发生无火焰氧化反应后可产生约950℃高温热风，RTO蓄热氧化装置产生的低温热风被引至烟囱直接排放。

(3)单台RTO氧化装置在入口乏风瓦斯风量为90,000Nm3/h、甲烷浓度为1.2%时可产生 24,000Nm3/h 的950℃高温热风，6台总共能产生14.4万Nm3/h高温热风。高温热风通过余热锅炉热交换产生高温高压(9.8MPa，540℃)水蒸汽驱动汽轮发电机发电，电力经升压变压器升压至35kV后送入附近国家电网辛兴变电站上网。汽轮发电机组设置有供热抽汽，冬季承担煤矿井筒保温及建筑采暖热负荷。冬季可从汽轮机中间级抽出部分饱和蒸汽用于供热，实现热电联供。

2.3 主要设备选型

(1)RTO蓄热氧化装置

RTO蓄热氧化装置根据兴边富民(北京)清洁能源技术有限公司提供的乏风瓦斯参数、工艺参数及安全技术指标进行专项设计，单台乏风处理流量为9×104Nm3/h， 允许甲烷浓度为0.2%～1.2%，甲烷摧毁率大于98%，RTO出口高温热风温度950℃，启动燃料为柴油。

RTO蓄热氧化装置是项目的关键设备，直接影响项目的经济性。如果装置台数过多，会导致工程投资过大，煤矿瓦斯量不足，设备闲置，降低设备投入率；如果装置台数过少，会导致煤矿瓦斯利用率降低，资源浪费。该项目根据煤矿通风、抽采多年运行数据及未来预测情况，共安装6台RTO蓄热氧化装置。

RTO蓄热氧化装置最佳工作浓度为1.2%，该工况下，单台设备额定产出950℃高温热风2.4×104Nm3/h，共计14.4×104Nm3/h。

(2)余热锅炉

余热锅炉选用杭州锅炉集团股份有限公司生产的高温高压锅炉，锅炉型号Q144/940-53.5-9.8/540，台数1台，热风设计流量14.4×104Nm3/h，额定蒸汽压力9.8MPa，额定温度540℃，额定流量53.5t/h。

(3)汽轮机

汽轮机选用青岛捷能汽轮机集团股份有限公司生产的高温高压抽凝式机组，机组型号C15-8.83/0.588，台数1台，额定功率15MW，额定转速3000r/min，额定进汽量54t/h,额定进汽压力8.83MPa.a。

(4)发电机

发电机选用山东济南发电设备厂有限公司生产的设备，发电机型号QF-16-2，额定功率16MW，额定转速3000r/min，额定电压10.5kV。

2.4 电站主要系统

该项目主要由乏风瓦斯掺混输送系统、乏风瓦斯氧化系统、余热回收发电系统、电气系统、热控系统、化水系统等组成。

(1)乏风瓦斯掺混系统

负压安全采集掺混系统根据现场情况分为高负压抽采和低负压抽采两套系统，每套系统包含采集罩、眼镜阀、气动快速切断阀、启动调节阀、检测仪表、掺混装置。

低浓度抽放瓦斯采集利用乏风输送管道内的负压将低浓度抽放瓦斯从煤矿泵站瓦斯排空管吸引至乏风管道进行掺混，并通过掺混装置将其掺混均匀。

通过乏风甲烷浓度、流量检测仪表以及瓦斯管道浓度、流量检测仪表数据进行分析计算，调节乏风引风罩调节阀、瓦斯管道调节阀开度，实现对掺混浓度进行精准控制。

乏风管道设置有吹扫系统，启动前及停机后，采用吹扫风机对乏风管道内气体进行吹扫，避免瓦斯积聚。

负压安全采集掺混技术在解决了以往瓦斯采集掺混技术控制系统复杂、投资大、维护成本高等问题的基础上，更好地实现了掺混浓度的精准控制。

瓦斯掺混输送系统工艺流程如图2所示。

图2 乏风瓦斯掺混输送系统工艺流程图

(2)乏风瓦斯氧化系统

乏风与低浓度抽放瓦斯掺混、除水后，甲烷浓度1.2%，总流量54×104Nm3/h，分别进入6台乏风RTO蓄热氧化装置进行高温氧化，可产出流量14.4×104Nm3/h、温度950℃的高温热风。

乏风氧化装置RTO启动预热燃料采用柴油，厂区内设置有1座50m3的地埋油罐与油泵房。

该项目共安装6台RTO蓄热氧化装置，各自独立运行，互不影响。

(3)余热回收发电系统

乏风氧化装置RTO产出的热风经热风管道输送至余热锅炉，产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，发电装机容量15MW，电力通过升压变压器升压至35kV后送至附近变电站上网。

2.5 设计要点

(1)科学论证煤矿瓦斯资源量，确定煤矿瓦斯本站服务年限，确定乏风、低浓度瓦斯未来10～15年的瓦斯数据。

(2)根据煤矿瓦斯情况，确定乏风氧化RTO装置设计规模(单台处理规模及台数)，并以此确定高温烟气参数、余热锅炉参数和汽轮发电机组参数。

(3)在掺混输送系统启停过程中不影响煤矿设备运行安全的前提下，保证低浓度瓦斯收集率和利用率；在管道设计时，尽量缩短低浓度瓦斯管道距离，保证系统运行安全。

(4)锅炉引风机、给水泵采用变频调节，同时与RTO进行连锁控制，保证RTO在不同运行工况下，高温热风均能余热锅炉完全利用，保证锅炉的运行安全。

(5)由于煤矿在生产过程中，低浓度抽放瓦斯会存在一定的波动，所以掺混控制系统、RTO蓄热氧化装置、余热锅炉、汽轮发电机组在选型过程中，设备应充分考虑抗波动性，比如缩短掺混控制系统的反应时间、适当增大锅炉水容量等。

2.6 主要经济指标

阳煤二矿桑掌乏风氧化发电项目主要技术经济指标见表1。

3 乏风氧化热电联供运行参数研究

阳煤二矿桑掌乏风氧化发电项目于2018年11月向二矿桑掌风井供暖，于2019年5月13日实现首次并网，6月4日完成72+24试运行正式进入试生产，2019年11月开始发电供热同时生产，系统运行稳定。

截止2019年11月29日，累计发电量为2406万kWh，累计上网电量1925万kWh，累计处理甲烷1011万m3，实现减排CO2量16.2万t。

经第三方检测机构现场监测，余热锅炉的大气

表1 主要技术经济指标

污染物排放浓度远低于《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)，成功实现氮、硫、尘近零排放。国家规定新建燃气锅炉上限值与现场检测数据(表2)。

表2 余热锅炉尾气排放检测数据单位：mg/m3