矿井乏风瓦斯蓄热氧化发电关键技术研究

金 刚 王 康

（1、安徽坤朗新能源科技有限公司，安徽 淮南232001 2、淮南矿业（集团）有限责任公司，安徽 淮南232001）

矿井乏风是指通过矿井通风系统抽排到大气中的甲烷含量低于1%的混合气体，约占我国煤层气总资源量的70%以上[1]。我国煤层气资源储量丰富，埋深在2000 m 以内的煤层气资源储量约为36.81 万亿m3，和陆基常规天然气资源量不差上下，资源储量位居全世界第三，仅次于加拿大和俄罗斯[2]。

截至目前，我国主要有两种煤层气开采开发方式：地面抽采和井下抽采，然而不管井下还是地面抽采总抽采率不足50%[3]。一般而言，矿井井下通风系统排出的乏风瓦斯中甲烷浓度一般低于1%，因此，乏风甲烷具有浓度低、富集难、总量大，利用难等特点，极少被回收利用，长期排放大气中不仅会加剧温室效应污染环境，还造成资源的浪费[4]。

1 乏风蓄热氧化技术原理及研究进展

乏风蓄热氧化技术其基本运行原理如图1 所示。首先，高温烟气预热将反应器装置内部温度升高到1000℃以上，此温度是乏风瓦斯（1.2%）的自燃点。预热完成后，设备的阀1、阀4 打开，室温下的乏风瓦斯按照实线箭头方向流入反应器内，进气经上段蓄热陶瓷的预热，温度升高到将990℃以上，开始发生热氧化反应并释放大量的化学反应热。其中一部分热量用来加热反应器下段的蓄热陶瓷，同时通过换热器提取剩余热量，经过热交换之后的低温烟气经阀4 从右端出口排出，这是前半个周期的操作过程。

图1 热逆流氧化反应器原理示意图（TFRR）[5]

后半周期开始时，打开阔2、阔3，将阀1、阀4 关闭，切换流向，进口的乏风瓦斯按虚线箭头方向流入，这时下段的蓄热陶瓷内集聚的大量热能可以将进口气体温度加热至1000℃以上，再次发生氧化反应，释放反应热，高温烟气将反应放出的热量蓄积在上段蓄热陶瓷后，再通过阔3 流出反应器，此时，一个换向整周期结束。不断进行流向切换可维持蓄热氧化设备的自运行，而化学反应释放的热量能够抽取出的高品位蒸汽可用来发电或者供热。

二十世纪九十年代美国MEGTEG 公司成功的研发了热逆流催化氧化反应器：VOCSIDIZER 装置。该装置主要用来处理低浓度的挥发性有机尾气，后来有大量后续的装置应用于其它领域。1994 年，MEGTEG 公司在英国某一煤矿安装了第一台热逆流煤矿瓦斯氧化反应装置，该装置单机处理风量为80000m3/h，甲烷浓度为0.3%～0.6%，将其用于试验性研究。随后，该公司不断扩大研发和推广矿井乏风热逆流氧化反应装置，其它投入运营的项目见表1。随后，美国的Biothermica 技术公司，德国的Eisenmann 公司、Harworth 能源公司、气候变化资本集团和浙江亿扬公司等也都相继推出了用于处理矿井乏风的蓄热氧化装置。近年来，国内外科研机构或蓄热氧化装置生产企业在我国建成了十余个矿井乏风蓄热氧化利用试验项目，主要项目见表2 所示。

表1 MEGTEC 公司乏风氧化装置示范项目

2 乏风蓄热氧化发电原理与工艺

2.1 乏风蓄热氧化发电原理

瓦斯抽排泵站的低浓度瓦斯和通风系统中的乏风瓦斯经参混装置混合后进入蓄热氧化炉中，炉中超低浓度甲烷被氧化发生化学反应放热，产生高温热空气通过引风装置进入余热锅炉，在燃烧室内进行热交换，产生过热水蒸汽，过热水蒸汽推动汽轮机发电[6]。

表2 我国已建主要矿井瓦斯蓄热氧化利用系统一览表

乏风氧化发电技术最关键的设备就是蓄热式氧化装置（RTO），其原理是把参混的超低浓度甲烷导入RTO 中，高温反应炉内甲烷被瞬间氧化为水和二氧化碳并释放出巨大氧化热。通常，当乏风甲烷浓度达到0.257%时，蓄热氧化装置产生的热量就能维持设备的自运行；当乏风甲烷浓度在0.27%～0.8%时，系统可提供高温热水或饱和蒸汽；当乏风甲烷浓度在0.8%～1.2%时，设备不仅可提供过饱和蒸汽，还能推动蒸汽轮机组发电。

2.2 乏风蓄热氧化发电工艺

为提高瓦斯蓄热氧化项目的经济效益及盈利能力，根据山西潞安集团高河矿井乏风及抽采瓦斯实际情况，本项目采用将乏风甲烷浓度通过混配抽采低浓度瓦斯，混配至1%～1.2%进行氧化利用。低浓度瓦斯从瓦斯抽排泵站取出，通过特殊的参混装置参入乏风系统中，可以将乏风甲烷浓度提升到1.2%。

在混合后的乏风中，含约1.2%（体积浓度）甲烷气体，由RTO 风机输送到12 台RTO。在RTO 中甲烷被氧化分解，转化为CO2和H2O。这样甲烷处理净化后的气体分为高低温两股气流从RTO 排出，低温气流不再利用，高温气经锅炉换热降温后与低温气混合，通过排气烟囱一起排入大气中（主要成分为CO2和H2O）。RTO 出来的高温烟气进入氧化热锅炉换热，产生高温高压蒸汽，锅炉产生的高温高压蒸汽带动凝汽式汽轮机转子转动，从而带动发电机转子发电，通过升压变压器升压至变电站并入电网，其发电工艺流程如图2。

图2 乏风氧化发电工艺流程图

3 结论

“潞安集团高河能源矿井乏风蓄热氧化发电工程项目”是我国第一个矿井乏风氧化发电工业化应用项目，是我国煤矿区最大的乏风蓄热氧化发电示范项目以及BOT 模式减排项目。项目取得了以下主要研究成果：

3.1 开发了蓄热氧化装置，集氧化制热与调控与一体，单台乏风处理能力达到90000Nm3/h，热自平衡浓度最低0.27%，浓度波动范围0.27%～1.2%，实现热风量的并联提取和精确调节。能实现大气量乏风氧化处理，高效率氧化、宽浓度范围氧化、运行稳定可靠。可很好的满足乏风蓄热氧化发电核心设备要求。

3.2 实现了煤矿废气热电联供，发电的同时对煤矿新建装车站和洗浴热水进行了供暖，进一步提高了余热利用效率。

3.3 矿井乏风氧化热电联供示范项目“山西潞安集团高河矿井乏风氧化发电项目”主要分为三个部分，第一部分是乏风的收集、输送、掺混和脱水；第二部分是12 台高温蓄热式氧化装置，简称RTO，对乏风进行氧化；第三部分是余热利用发电。这个项目创新性地把三部分技术整合在一起。该项目总投资3.2亿，装机容量30WM，预计年发电量2.4 亿千瓦时，每小时处理乏风108 万立方米，年处理乏风达94 亿立方米。实现年供电量2 亿千瓦时，每年减少温室气体排放140 万吨二氧化碳当量，节约标煤8.08 万吨。