桑逢云 趙國泉

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

通風(fēng)瓦斯利用技術(shù)比較與設(shè)備選擇

桑逢云 趙國泉

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

針對通風(fēng)瓦斯特點,本文對通風(fēng)瓦斯熱氧化技術(shù)、催化氧化技術(shù)和混合燃燒技術(shù)進(jìn)行了比較分析,得出熱氧化技術(shù)為當(dāng)前相對成熟技術(shù),推廣應(yīng)用性廣泛。通過對主要熱氧化設(shè)備生產(chǎn)商的性能分析,對設(shè)備選擇的影響因素進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

風(fēng)排瓦斯 熱氧化 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

目前在我國煤礦排放的甲烷中,甲烷排出量的80%是通過風(fēng)排瓦斯排出的。我國通風(fēng)瓦斯排放量由2000年83億m3增加到2008年161m3,是西氣東輸(一期)的120億m3天然氣量輸送量的1.3倍,相當(dāng)于每年有2200萬t標(biāo)準(zhǔn)煤被白白浪費掉。由于甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍,每年通過風(fēng)排瓦斯向大氣中排入161億m3的純甲烷,相當(dāng)于排放約1.8億t二氧化碳。風(fēng)排瓦斯的濃度雖小,但總量卻特別巨大,如果能采取合適的開發(fā)利用方案,對風(fēng)排瓦斯加以利用,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

1 風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)

國內(nèi)外風(fēng)排瓦斯利用方式可以分為兩大類:一類是作為主燃料利用方式,采用逆流式熱氧化和逆流式催化氧化技術(shù)兩種,另一類是作為輔助燃料利用方式,采用混合燃燒技術(shù)。

1.1 逆流式熱氧化技術(shù)

逆流熱氧化技術(shù)利用氣體與固體熱交換原理,先將氧化裝置氧化床用外部能源(如電源)進(jìn)行加熱,熱量被氧化床中的蓄熱陶瓷吸收,陶瓷溫度逐漸升溫,并形成一個拋物線形的溫度梯度場,當(dāng)達(dá)到甲烷自燃溫度后停止電源加熱。通過引風(fēng)機將風(fēng)排瓦斯引入氧化裝置,蓄熱陶瓷放熱逐步預(yù)熱風(fēng)排瓦斯,當(dāng)達(dá)到其一定溫度后甲烷與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)釋放熱量。利用雙向流反應(yīng)器技術(shù)將產(chǎn)生的熱量一部分熱量被蓄熱陶瓷吸收,維持氧化床內(nèi)部溫度,使下一循環(huán)進(jìn)入的甲烷繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng),維持氧化裝置自動穩(wěn)定運行,多余部分通過內(nèi)置換熱器取出,用于制冷、制熱或發(fā)電。風(fēng)排瓦斯熱氧化技術(shù)趨于成熟,運行比較可靠,但初期耗能大,設(shè)備要求連續(xù)運行,抵抗突發(fā)事故能力差。

采用熱氧化方式利用風(fēng)排瓦斯的技術(shù)主要有中國勝利動力機械集團公司的熱氧化技術(shù)、美國MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術(shù)、英國HARWORTH公司的熱氧化技術(shù)。目前熱氧化技術(shù)日趨成熟,在全球開展了多個示范項目,正進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)階段。

1.2 催化氧化技術(shù)

催化氧化技術(shù)的基本原理是在催化劑的作用下,將甲烷的自燃溫度降低到幾百攝氏度以下(低于350℃),使風(fēng)排瓦斯中的甲烷在較低的溫度條件下發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生熱量。熱量一部分維持氧化反應(yīng),多于部分通過熱交換,用于制冷、制熱或發(fā)電。催化氧化方式具有初期投資少,啟動速度快等優(yōu)點,但催化劑維持時間短,需要定期更換,后期維護(hù)費用較高。

采用催化氧化方式利用風(fēng)排瓦斯的技術(shù)主要有澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)的CAT技術(shù)、加拿大礦物與能源技術(shù)中心的CH4Min技術(shù)。目前催化氧化方式已經(jīng)完成實驗室試驗,但由于催化劑價格和開機率等原因還未開展示范項目。

1.3 混合燃燒技術(shù)

混合燃燒技術(shù)是在利用其他燃料提供的熱量,在高溫條件下,將風(fēng)排瓦斯中的甲烷氧化,產(chǎn)生熱量,達(dá)到節(jié)省主燃料的目的。燃料使用可采取不同的組合方式、混合方式、流量速度和濃度。混合燃燒方式具有氧化效率高,設(shè)備投資小等優(yōu)點,但只能在熱源地點與風(fēng)井距離合適時才可以應(yīng)用,靈活性差。

采用混合燃燒方式利用風(fēng)排瓦斯的技術(shù)熱源可以來自燃?xì)廨啓C、內(nèi)燃機和風(fēng)井附近火電廠鍋爐、制磚窯爐的供風(fēng)系統(tǒng)?；旌先紵夹g(shù)比較簡單易行,在美國和澳大利亞開展了多個示范項目。

對比分析三種風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)(見表1),熱氧化技術(shù)和混合燃燒技術(shù),是經(jīng)過現(xiàn)場試驗檢驗的、趨于成熟的技術(shù),催化氧化技術(shù)還處于試驗階段。混合燃燒技術(shù)要求風(fēng)井周圍必須有配套熱源,而熱氧化技術(shù)撬裝氧化裝置系統(tǒng)因效率高,安裝簡單、運行管理自動化程度高,推廣應(yīng)用性廣泛。

表1 三種技術(shù)對比表

2 風(fēng)排瓦斯熱氧化設(shè)備的選擇

國內(nèi)外風(fēng)排瓦斯熱氧化生產(chǎn)商主要有美國MEGTEC公司、中國勝利動力機械集團公司、英國HARWORTH公司,在開展風(fēng)排瓦斯利用項目時,設(shè)備選擇主要考慮以下因素,優(yōu)選合理的開發(fā)利用方案。

2.1 技術(shù)成熟度

風(fēng)排瓦斯熱氧化技術(shù)在設(shè)備啟動時,需要外部熱源提供初始反應(yīng)熱,因此要求設(shè)備穩(wěn)定性高,技術(shù)成熟,能夠連續(xù)運行。

目前,MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術(shù)已在全球有5個工業(yè)化運行的煤礦風(fēng)排瓦斯利用項目,其中在中國第一個風(fēng)排瓦斯利用項目于2008年10月在河南省鄭州煤業(yè)集團成功運行。山東勝動集團的風(fēng)排瓦斯利用裝置于2007年5月在阜新礦業(yè)集團王營礦北風(fēng)井正式運行;2008年,陜西煤化集團與勝動集團簽署協(xié)議,購買勝動集團生產(chǎn)的10臺風(fēng)排瓦斯氧化裝置,目前該項目已開始試運行。HARWORTH公司的氧化裝置與1994年在英國煤業(yè)集團下屬的一個煤礦進(jìn)行了論證性的運行,至今未見其商業(yè)化運行案例。

2.2 甲烷氧化率

甲烷氧化率是瓦斯利用效果優(yōu)劣的直接指標(biāo),也是其項目效益的直接指標(biāo)。MEGTEC公司VOCSIDZER技術(shù)風(fēng)排瓦斯甲烷氧化率最高,為97.5%;HARWORTH公司風(fēng)排瓦斯氧化技術(shù)的甲烷氧化率為97%;勝動集團風(fēng)排瓦斯氧化技術(shù)甲烷氧化率較低為95%,國內(nèi)設(shè)備商的氧化效率有待提高。

2.3 氧化熱利用方案

風(fēng)排瓦斯利用方案主要有銷毀、供熱和發(fā)電三種方式。MEGTEC公司和勝動集團風(fēng)排瓦斯設(shè)備均可用于乏風(fēng)銷毀、供熱和發(fā)電,而HARWORTH公司的技術(shù)只用于風(fēng)排瓦斯氧化銷毀。

2.4 風(fēng)排瓦斯甲烷濃度要求

氧化設(shè)備正常運行對瓦斯?jié)舛扔幸?瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定值時,設(shè)備才能正常運轉(zhuǎn),達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。對于MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術(shù),若風(fēng)排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時,氧化裝置正常運轉(zhuǎn)所需最小甲烷濃度為0.2%;若風(fēng)排瓦斯氧化后回收熱量用于供熱或發(fā)電,氧化裝置正常運轉(zhuǎn)需要甲烷濃度平均值為0.4%以上。

對于勝動集團的技術(shù),若風(fēng)排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時,氧化裝置正常運轉(zhuǎn)所需最小甲烷濃度為0.3%;若風(fēng)排瓦斯氧化后回收熱量用于供熱或發(fā)電,氧化裝置正常運轉(zhuǎn)需要甲烷濃度平均值為0.5%以上。

對于HARWORTH的技術(shù),若風(fēng)排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時,氧化裝置正常運轉(zhuǎn)所需最小甲烷濃度為0.2%。

3 總結(jié)

通過對風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)對比分析和風(fēng)排瓦斯設(shè)備生產(chǎn)商的研究,對風(fēng)排瓦斯設(shè)備選擇總結(jié)如下:

(1)熱氧化技術(shù)和混合燃燒技術(shù),是經(jīng)過試驗檢驗的、趨于成熟的技術(shù),催化氧化技術(shù)還處于試驗階段。

(2)熱氧化技術(shù)氧化裝置系統(tǒng)因效率高,安裝簡單、運行管理自動化程度高,推廣應(yīng)用性廣泛。

(3)國內(nèi)外不同設(shè)備生產(chǎn)商生產(chǎn)熱氧化設(shè)備在技術(shù)、甲烷氧化率、氧化熱利用方案和對甲烷濃度要求不同,在設(shè)計設(shè)備選擇時,應(yīng)針對不同的資源供應(yīng)情況和企業(yè)利用方案綜合考慮,優(yōu)選合理的開發(fā)利用方案。

[1] 翁一武,蘇適.煤礦通風(fēng)氣中甲烷減排及發(fā)電技術(shù)[J].上海電力,2005,(6):588-594.

[2] 陳宜亮,馬曉鐘.煤礦通風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)及氧化熱利用方式[J].中國煤層氣,2007,4(4):27-30.

[3] 王鑫陽,杜金.濃度低于1%礦井瓦斯氧化技術(shù)現(xiàn)狀及前景[J].煤炭技術(shù),2008,27(9):1-2.

[4] 劉文革.煤礦回風(fēng)瓦斯利用最新進(jìn)展及前景分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009,37(120):25-27.

Comparison of VAM Utilization Technology and Equipments Selection

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

桑逢云,男,工程師,畢業(yè)于山東科技大學(xué),現(xiàn)從事煤層氣開發(fā)利用研究工作。

(責(zé)任編輯 劉 馨)