超低浓瓦斯蓄热氧化技术在丁集煤矿供热中的经济性分析

◎党晓社

一、概述

煤层气俗称煤矿瓦斯，作为一种新兴的清洁、高效能源，随着我国能源需求的不断增长和人们节能减排意识的增强，越来越受到人们青睐和关注。近10 年来，煤矿瓦斯综合利用项目遍地开花，已逐步形成煤层气梯级利用模式：

1. 对于地面井预抽甲烷体积分数＞90%的瓦斯，以PNG、CNG、LNG 方式运用于工业和民用；

2.对于甲烷体积分数在[30%-90%]也叫高浓瓦斯，主要用于民用和工业燃料或高浓瓦斯发电；

3.对于甲烷体积分数在（7%-30%）也叫低浓瓦斯，主要用于低浓瓦斯发电，截止到2018 底，我国低浓度煤层气发电总装机容量约为200 万kW，发电站400 余座，是现阶段我国煤层气利用主要形式；

4.对于甲烷体积分数在（1%-7%）也叫超低浓瓦斯，将其与空气或者矿井乏风掺混后进入氧化炉蓄热氧化通过余热锅炉后产生过过热蒸汽发电或者向矿区供热，目前在我国处于起步发展阶段；

5.对于甲烷体积分数《0.75%矿井通风排风（矿井乏风）蓄热氧化设备还处于技术研发储备阶段，没有成功应用案例。相信在不久的将来，将会实现煤矿瓦斯全浓度利用，极大提升煤层气的利用率。

二、超低浓瓦斯利用项目案例

1.项目背景。

根据安徽省、淮南市关于大气污染防治行动计划及整治城区燃煤锅炉方案的总体部署，淮南潘谢矿区多数生产矿井均需对矿内的燃煤锅炉房进行关停，而丁集煤矿在用的燃煤锅炉也在淘汰范围内。一旦将燃煤锅炉淘汰，必须有新的热源来替代，同时新的热源还需满足最新的环保要求。

2.丁集矿替代热源的分析。

在研究选择丁集矿替代能源之前，通过实地调研可知丁集煤矿的现状热负荷主要为夏季矿井降温用汽热负荷和冬季井筒防冻蒸汽热负荷，占总负荷的54%～72%，其余热水负荷约占总负荷的28%～46%。因此新替代热源须以生产高品位蒸汽热能为主，通过汽水换热器辅助生产采暖热水，或者多种热源组合。下面就丁集矿可利用的能源做一一分析。

燃煤供热作为最传统的供热方式，目前由于环保与节能减排的原因，分散燃煤小锅炉已经被淘汰，只有热效率较高的燃煤热电联产可供使用。目前丁集矿周边距离已有的凤台热电厂直线距离仅10 公里，但由于煤矿和凤台电厂是由不同地方政府联合建设，若引入电厂蒸汽进行供热，涉及到各方利益均衡问题，而建设新热电联产项目涉及到严格的政府审批手续和煤炭指标问题，因此燃煤供热方式不现实。

采用电力供热不节能，研究发现利用电力供热，一次能源利用效率不到30%，同时电力供热，导致运行成本高。因此，电供热不应成为丁集煤矿的供热方式。

对于燃气供热，丁集矿目前周边没有稳定的天然气气源，当地天然气专项规划也没有预留供热用气指标，因此丁集煤矿目前不具备此条件。但丁集煤矿开采过程中抽采的煤矿瓦斯可以作为燃气的气源，除去目前瓦斯发电机组及煤泥烘干耗气量，还有最大约39.7 Nm3/min 纯量瓦斯气可供使用。

矿井回风热能利用方案是利用矿井回风热能，通过回风换热器换热得到10℃～20℃左右的热水，经过水源热泵系统提取热量后，得到45℃左右的热水供浴室洗浴，不仅需购置热泵机组、水泵、冷却塔、回风换热器等设备，还需要场地新建水池、机房等建构筑物，导致工程量大，投资高。

风排瓦斯氧化供热方案是以煤矿风排瓦斯（甲烷浓度为1%）作为原料，进行氧化反应，并利用氧化装置排出的高温烟气产生饱和蒸汽，供矿区取暖、制冷或洗澡等。由于丁集煤矿矿井回风井甲烷浓度均在0.2 左右，达不到氧化浓度，就目前的技术还无法有效利用。

目前丁集煤矿安装有高低浓瓦斯发电机组共11 台，除高温烟气余热运用在煤泥烘干外，高温缸套水可供余热量约2223kW，除此之外，空压机和瓦斯抽采泵设备冷却排热可回收热量平均约2766kW，余热回收可满足洗浴热负荷。

3.丁集矿替代热源的选择。

丁集煤矿最终采用蒸汽和热水分别供应、能源梯级利用的整体方案解决燃煤锅炉替代问题。利用低浓瓦斯和空气掺混成超低浓瓦斯进行氧化产热制蒸汽，回收瓦斯发电高温缸套水、压风机和瓦斯抽放泵余热制取洗浴热水。经过各种供热方案整合、优化和比较后，择优建设2 台低浓瓦斯蓄热氧化炉+1 台1.15MW 背压汽轮发电机组+1 台2.7 MW 凝汽式汽轮发电机组，实现了完全取缔燃煤锅炉房向矿井供热。

丁集煤矿矿井瓦斯储量49.77 亿m3，可抽放瓦斯总量9.77亿m3，瓦斯资源较丰富，建有地面永久新、老瓦斯抽放站各一座，共安装10 台瓦斯抽采泵，正常运行4 用6 备。根据矿方提供的2016 年～2020 年矿井瓦斯综合治理指标规划汇总表可知，浓度＞30%可送至利用地点的瓦斯平均抽采量约26.57m3/min，浓度10 ～30%可送至利用地点的瓦斯平均抽采量约57.13m3/min。目前，丁集矿已安装有9 台700KW 低浓瓦斯发电机组，正常运行8 台；同时建设2 台1800kW 高浓瓦斯发电机组以及以及1 台低浓煤泥烘干氧化床，合计的耗气量为44Nm3/min，去除已利用瓦斯尚有39.7 Nm3/min 纯量可利用。

三、超低浓瓦斯氧化技术方案选择和设备配置

目前国内外超低浓瓦斯氧化设备主要有蓄热热氧化（简称RTO）、蓄热式催化燃烧法（简称RCO）2 条技术路线。其优缺点比较详见下表：

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通过以上比较，按照技术成熟可靠，运行稳定的原则，本工程选择蓄热热氧化（即RTO）技术方案，蓄热氧化装置进瓦斯浓度≤1.2%。

四、超低浓度瓦斯输送系统

由于丁集矿除去现有瓦斯低浓瓦斯发电站和高浓瓦斯发电站耗用的瓦斯量后，还有39.7Nm3/min 纯量瓦斯可用蓄热氧化供热系统，由于煤矿井筒防冻蒸汽负荷保证矿井提升系统冬季安全运行的安保负荷。因此，无论瓦斯抽采量如何变化，必须确保蓄热氧化供热系统的供气量。已有瓦斯抽放站抽出的是低浓瓦斯（浓度10%～30%）和高浓瓦斯（30%），同时抽放站已无场地建设蓄热氧化供热系统，因此需要掺混空气使其浓度降低到爆炸浓度5%以下，才能够安全输送，借鉴该矿已运行的瓦斯氧化制取热风煤泥烘干系统成功案例，本工程设两套超低浓瓦斯氧化系统，每套系统采用两级瓦斯掺混工艺。其中初始配气设在抽放站内，气源引自抽放站，初始配气瓦斯浓度为＜5%；第二级掺混设在乏风氧化场地，≤3%瓦斯气源来自一级掺混的出气管。每套瓦斯配气及输送工艺流程拟定如下：

瓦斯抽放站配气（＜5%）→复合阻火器→瓦斯与空气掺混器→≤3%瓦斯气→瓦斯输送管路→湿式放散阀→复合式阻火器→瓦斯与空气掺混器→二次风机→1～1.2%瓦斯气→瓦斯氧化炉。

其中第一级掺混采用变频风机往瓦斯掺混器里压风，根据一级掺混器出口瓦斯浓度控制风机转速及出风口电动调节阀，调节掺混的空气量；第二级掺混采用风机（掺混器自带）负压吸风，确保一、二级掺混器出口浓度满足设计要求。

五、超低浓瓦斯氧化综合供能系统经济性

丁集煤矿为了完全替代燃煤锅炉房，将超低浓瓦斯蓄热氧化后的高温烟气送入烟气余热锅炉，生产蒸汽供冬季矿井井筒保温供热或者夏季井下降温使用，矿生产环节余热通过回收制取热水可以满足洗浴、采暖和干衣的要求。本文单就低浓瓦斯蓄热氧化供热进行了2 个方案比较。

方案Ⅰ：超低浓瓦斯氧化烟气余热蒸汽锅炉配背压机和后置机供汽和发电。建设2 台90000Nm3/h 瓦斯蓄热热氧化炉，配置2 台蒸发量10t/h 余热蒸汽锅炉，蒸汽参数3.82MPa（g）/400℃，正常运行时蒸发量按单台10t/h 出力。配套建设1 台B1。15-3.82/0.8 背压式汽轮发电机组和1 台N2.7-0.8 凝汽式汽轮发电机组，背压机组排汽参数0.8MPa/282℃。夏季排汽全部减温后用于溴化锂机组制冷的热源；秋季部分排汽减温后用于溴化锂机组制冷的热源，剩余排汽进入后置机发电。冬季部分排汽减温后用于井筒保温，部分进入后置机发电。春季矿井无蒸汽热负荷时，全部背压机组排汽进入后置机发电。瓦斯氧化装置进气的瓦斯浓度为1%。

方案Ⅱ：瓦斯氧化烟气余热蒸汽锅炉直供汽。建设2 台90000Nm3/h 瓦斯氧化装置，同时配置2 台蒸发量10t/h 余热蒸汽锅炉，蒸汽参数0.8MPa（g）/184℃。瓦斯氧化装置进气的瓦斯浓度为1%。，冬季和夏季2 台锅炉全部运行，满足冬季井筒防冻、建筑采暖、职工洗浴和夏季井下降温；春季和秋季1 台锅炉运行，满足矿井局部区域降温和和职工洗浴热水的补热。

方案Ⅰ与方案Ⅱ的热经济指标比较见表2，建设投资与运营收入比较见表3。

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由表2 可见，方案Ⅰ较方案Ⅱ在相同供热量的基础上，可以额外发电，除满足自身需求外，可外供电量989 万kWh/a，按0.6 元/kWh 替代外购电量，每年可为煤矿节约电费支出约593万元，方案Ⅱ需外购电量，每年电费支出约88 万元。两方案均能代替燃煤锅炉，但方案方案Ⅰ较方案Ⅱ更为节能。此外，方案Ⅰ较方案Ⅱ能消耗更多瓦斯量，有利于减排。

方案Ⅱ较方案Ⅰ由于减少了发电设备与厂房，投资更省，就供热而言全厂热效率更高。方案Ⅱ瓦斯消耗量较少且春、秋季不需供热或少供热，期间可以两台氧化炉全停或停一台。丁集煤矿目前已有高、低浓瓦斯发电、瓦斯氧化煤泥烘干等瓦斯综合利用项目，且瓦斯抽采具有波动性，瓦斯保障压力较大。方案Ⅱ较方案Ⅰ瓦斯消耗量少，有利于减轻瓦斯供应的压力。

方案Ⅰ与方案Ⅱ的建设投资与运营收入比较见表3。

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由表3 可见，方案Ⅱ较方案Ⅰ投资节省近1500 万元左右，但是年收入合计较方案Ⅰ少833 万元左右。

因此，从节能减排的角度考虑，本工程选择方案Ⅰ作为主导方案。

通过对丁集煤矿超低浓瓦斯蓄热氧化项目的实施，实现完全取代燃煤锅炉房目标，满足省市2 级政府的大气污染防治要求，并且年利用超低浓瓦斯气约1675 万Nm3，每年不仅向丁集矿供蒸汽50667t，还向丁集矿供电约990 万kWh，每年实现直接经济效益335 万元，每年可节约煤矿生产运行费用（间接经济效益）约1226 万元。本工程的运行实践不仅将超低浓瓦斯气变废为宝，为煤矿清洁化生产开辟了一条蹊径，还为瓦斯气全浓度范围使用起到积极地示范作用。

六、结束语

文章通过一个工程实例，阐述了超低浓瓦斯蓄热氧化在煤矿节能减排及供热改造项目中的应用，目的在于提出研究煤矿超低浓瓦斯变废为宝、节能减排工作的一种新方法，供煤矿工程相关设计人员参考，实现国家煤矿瓦斯梯级利用进一步发展。