陳 菁, 何 勇, 鄧 勉, 朱 凱

(1. 浙江億揚(yáng)能源科技有限公司，杭州 310023；2.杭州杭鍋工業(yè)鍋爐有限公司，杭州 311112;3. 淮滬煤電有限公司，安徽淮南 232007)

我國是煤炭大國，擁有豐富的煤層氣資源。煤炭開采過程中，釋放出的大量煤礦瓦斯屬于煤的伴生礦產(chǎn)資源。高濃度瓦斯(甲烷體積分?jǐn)?shù)≥30%)被禁止排放且主要作為民用或工業(yè)燃?xì)?用于發(fā)電)。甲烷體積分?jǐn)?shù)<30%為低濃度瓦斯，其中，甲烷體積分?jǐn)?shù)≥10%的瓦斯主要用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，而甲烷體積分?jǐn)?shù)<10%的瓦斯利用率極低，大部分直接排空[1-4]。2017年，全國抽采瓦斯利用率僅為38%左右。而國家能源局規(guī)劃，在“十三五”期間，煤礦抽采瓦斯利用率達(dá)到50%以上。由于甲烷造成的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，將其直接排放將對環(huán)境造成極大的危害[5-6]。另外，當(dāng)前環(huán)保形勢嚴(yán)峻，針對煤礦燃煤鍋爐的節(jié)能環(huán)保改造及小型燃煤鍋爐(蒸汽質(zhì)量流量為35 t/h以下)的淘汰工作已經(jīng)開始實(shí)施[7-10]。燃煤鍋爐的限制和淘汰，對煤礦的清潔生產(chǎn)提出了更高的要求。在此背景下，對擁有豐富瓦斯資源的煤礦而言，尋求一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的低濃度瓦斯綜合利用方法來滿足煤礦供能需求十分有意義。

為了充分利用煤礦低濃度瓦斯，減少瓦斯直接排放對大氣的危害，筆者對低濃度瓦斯綜合利用進(jìn)了研究，將原排空的低濃度瓦斯利用蓄熱氧化的方法產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)，經(jīng)過熱能的綜合利用，以實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，替代原有小型燃煤鍋爐，滿足煤礦用能需求。

1 煤礦瓦斯資源及負(fù)荷需求

1.1 瓦斯資源

丁集煤礦礦井的設(shè)計(jì)生產(chǎn)原煤能力為500萬t/a，主要系統(tǒng)生產(chǎn)原煤能力800萬t/a，該煤礦為煤與瓦斯產(chǎn)量突出的礦井。該煤礦建有地面永久的新、老瓦斯抽放泵房各1座：老泵房內(nèi)有4臺(tái)大瓦斯抽采泵(型號(hào)為2BEF-720，額定抽采體積流量為556 m3/min)、2臺(tái)小瓦斯抽采泵(型號(hào)為2BE1-505，額定抽采體積流量為150 m3/min)；新泵房安裝4臺(tái)瓦斯抽采泵(型號(hào)為2BEF-720)。

根據(jù)歷年瓦斯資料，開采的瓦斯中甲烷體積分?jǐn)?shù)為4%～15%，煤礦抽采瓦斯純量(所含甲烷體積分?jǐn)?shù)為100%的瓦斯體積流量)為40～65 m3/min，隨著礦井延伸、采場增加，抽采瓦斯純量會(huì)逐步增加。

1.2 用能需求

丁集煤礦用能主要有電力、供冷及供熱。供冷為依靠蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源制取冷凍水。原供熱熱源為4臺(tái)8 t/h燃煤鍋爐(產(chǎn)生蒸汽)，現(xiàn)燃煤鍋爐將淘汰。燃煤鍋爐承擔(dān)的用汽負(fù)荷包括：礦井降溫溴化鋰制冷機(jī)用汽熱負(fù)荷，采暖期主辦公樓、食堂等建構(gòu)筑物的采暖及井筒防凍熱負(fù)荷，烘衣服、洗浴熱負(fù)荷。煤礦所需熱源為0.6 MPa飽和蒸汽，井筒保溫、采暖、烘衣及洗浴采用蒸汽加熱熱水或者空氣，以滿足熱需求。

根據(jù)煤礦自身的用熱類型，可以分為采暖期(12月至次年2月)，高負(fù)荷制冷期(6月至9月)，低負(fù)荷制冷期(5月、10月、11月)，非采暖非制冷期(3月、4月)這4個(gè)時(shí)期。不同時(shí)期煤礦熱負(fù)荷需求(折算為0.6 MPa對應(yīng)飽和蒸汽質(zhì)量流量)統(tǒng)計(jì)見表1。煤礦最大用熱負(fù)荷時(shí)期出現(xiàn)在高負(fù)荷制冷期，所需最大蒸汽質(zhì)量流量為17.75 t/h。

表1 煤礦不同時(shí)期需求蒸汽質(zhì)量流量表 t/h

2 冷熱電三聯(lián)供綜合供能系統(tǒng)

2.1 低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)

瓦斯的爆炸極限為5%～16%(甲烷體積分?jǐn)?shù))，而煤礦現(xiàn)抽采瓦斯甲烷體積分?jǐn)?shù)在4%～15%，剛好處在爆炸極限內(nèi)。因此，必須考慮安全可靠的低濃度瓦斯輸送系統(tǒng)。

目前，主要有3種低濃度瓦斯輸送技術(shù)，分別為自動(dòng)噴粉抑爆輸送技術(shù)、氣水兩相流輸送技術(shù)及細(xì)水霧輸送技術(shù)[11]。氣水兩相流輸送技術(shù)及細(xì)水霧輸送技術(shù)均采用水作為輸送過程中安全保障介質(zhì)，屬于提前預(yù)防爆炸的思路；但是，對水質(zhì)及瓦斯脫水提出了較高的要求。這兩種因素也在一定程度上限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。自動(dòng)噴粉抑爆輸送技術(shù)則采用爆炸后防御的思路，利用干粉作為介質(zhì)進(jìn)行抑爆，其關(guān)鍵技術(shù)在于抑爆觸發(fā)技術(shù)及抑爆劑技術(shù)[12]。3種低濃度瓦斯輸送技術(shù)各有利弊，但都得到較為廣泛的市場應(yīng)用。自動(dòng)噴粉抑爆輸送技術(shù)和細(xì)水霧輸送技術(shù)由于比較早出現(xiàn)，應(yīng)用相對廣泛。該煤礦低濃度瓦斯綜合利用工程采用自動(dòng)噴粉抑爆輸送技術(shù)。

2.2 低濃度瓦斯摻混系統(tǒng)

進(jìn)入蓄熱氧化裝置的瓦斯的甲烷體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為1.2%，而絕大部分抽采瓦斯所含甲烷體積分?jǐn)?shù)大于該值，因此需要對低濃度瓦斯進(jìn)行摻混。具有較高的安全性和精準(zhǔn)性是低濃度瓦斯摻混系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，摻混介質(zhì)可以是空氣、乏風(fēng)等[13-14]。當(dāng)?shù)蜐舛韧咚馆斔途嚯x較遠(yuǎn)時(shí)，從安全角度考慮，可以使用二次摻混技術(shù)，即先將處于爆炸極限范圍之內(nèi)的低濃度瓦斯摻混至爆炸極限以下(甲烷體積分?jǐn)?shù)為2.5%～3.0%)，然后輸送至建設(shè)場地的蓄熱氧化裝置前端，再進(jìn)行二次摻混至氧化所需的甲烷體積分?jǐn)?shù)。

圖1為低濃度瓦斯輸送摻混系統(tǒng)流程圖。

1—瓦斯抽采泵站；2—排空管；3—阻爆器；4—抑爆器；5—水封阻火器；6—機(jī)械脫水裝置；7—一次摻混器；8—一次摻混風(fēng)機(jī)；9—二次摻混器。

2.3 蓄熱氧化裝置

蓄熱氧化裝置是將低濃度瓦斯氧化產(chǎn)生熱能的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)原理為：首先將裝置預(yù)熱至一定的溫度以上，瓦斯中的甲烷通過無焰氧化釋放熱量，并通過瓦斯供給的周期性循環(huán)，使得燃燒區(qū)域始終維持高溫狀態(tài)，從而維持氧化反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；在維持系統(tǒng)熱量平衡后，多余的熱量可提取出來綜合利用[15-17]。蓄熱氧化裝置運(yùn)行原理示意圖見圖2。

圖2 蓄熱氧化裝置運(yùn)行原理示意圖

從蓄熱氧化裝置氧化后出來的高溫?zé)犸L(fēng)可以達(dá)到950 ℃。高溫?zé)犸L(fēng)體積流量約占總進(jìn)氣體積流量的27%，剩余的則經(jīng)過蓄熱陶瓷降溫后變成低溫風(fēng)排走。蓄熱氧化裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的核心技術(shù)在于保證瓦斯連續(xù)平穩(wěn)地進(jìn)行周期性切換、裝置本體設(shè)計(jì)及蓄熱氧化裝置系統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)。

2.4 冷熱電綜合供能系統(tǒng)

根據(jù)煤礦現(xiàn)有瓦斯資源以及用能需求，首先以滿足制冷用汽及供熱用汽為前提制定綜合供能系統(tǒng)。最大供能出現(xiàn)在高負(fù)荷制冷期，需要17.75 t/h蒸汽?？紤]建設(shè)2臺(tái)處理瓦斯體積流量均為90 000 m3/h的蓄熱氧化裝置，然后配置余熱鍋爐?？紤]到煤礦實(shí)際用能需求及成本，蒸汽參數(shù)選擇中溫、中壓(450 ℃、3.82 MPa)即可。2臺(tái)蓄熱氧化裝置產(chǎn)生的高溫?zé)犸L(fēng)進(jìn)入2臺(tái)余熱鍋爐，共計(jì)產(chǎn)生18 t/h中溫、中壓蒸汽。2臺(tái)蓄熱氧化裝置消耗瓦斯純量約為36 m3/min。

瓦斯氧化后，經(jīng)過余熱鍋爐可產(chǎn)生中溫、中壓的過熱蒸汽，而煤礦所需蒸汽品質(zhì)為0.6 MPa飽和蒸汽。因此，根據(jù)煤礦的用能特點(diǎn)及能量的梯級利用原理，后面設(shè)置了兩級發(fā)電機(jī)組，第一級為背壓式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，第二級為凝汽式發(fā)電機(jī)組?？紤]主蒸汽先經(jīng)過背壓式汽輪機(jī)發(fā)電，利用背壓式汽輪機(jī)排汽供汽，背壓式汽輪機(jī)排汽設(shè)置為0.8 MPa(考慮一定的蒸汽輸送壓損后設(shè)置比0.6 MPa高一些)。第一級背壓式汽輪機(jī)額定發(fā)電功率為1 150 kW。另外，由于煤礦不同階段用汽需求差異較大，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照最大量考慮，則存在有些用能時(shí)期有富余蒸汽。不同階段需求蒸汽質(zhì)量流量見圖3。

圖3 不同階段需求蒸汽質(zhì)量流量

從圖3可看出：除了高負(fù)荷制冷期用汽量和可供蒸汽量持平，其他時(shí)期都存在不同程度的蒸汽富余。因此，考慮設(shè)置1臺(tái)凝汽式汽輪機(jī)，將富余蒸汽送入凝汽式汽輪機(jī)中進(jìn)行發(fā)電，凝汽式汽輪機(jī)的排汽壓力設(shè)置為0.073 MPa，機(jī)組額定功率為2 700 kW。第一級和第二級發(fā)電系統(tǒng)將采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的方式，首先滿足系統(tǒng)自身用電，余電并入煤礦變電站，供煤礦自用。冷熱電綜合供能系統(tǒng)見圖4。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)有：(1)充分結(jié)合了煤礦的各種用能需求，利用煤礦瓦斯，可替代小型燃煤鍋爐以滿足煤礦供能問題；(2)采用一拖一的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，設(shè)置了2個(gè)瓦斯輸送及摻混系統(tǒng)，并分別配置蓄熱氧化裝置與余熱鍋爐，有效減少了由于瓦斯參數(shù)波動(dòng)給系統(tǒng)安全穩(wěn)定性造成的影響；(3)依據(jù)能量梯級利用原則，設(shè)置了兩級發(fā)電機(jī)組，最大化地使系統(tǒng)全年都能最大負(fù)荷運(yùn)行，提高能量利用率；(4)系統(tǒng)提供不同品質(zhì)的蒸汽，實(shí)現(xiàn)對煤礦的冷熱電三聯(lián)供；(5)系統(tǒng)發(fā)電采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，扣除系統(tǒng)自耗電，余電并入煤礦變電站，供煤礦自用。

圖4 冷熱電綜合供能系統(tǒng)圖

3 工程應(yīng)用效果分析

項(xiàng)目建設(shè)投產(chǎn)后，安全穩(wěn)定運(yùn)行。圖5為低負(fù)荷制冷期30 d的運(yùn)行曲線圖，系統(tǒng)消耗瓦斯生產(chǎn)熱量和蒸汽，兩級發(fā)電同時(shí)投運(yùn)且向煤礦供應(yīng)蒸汽，并承擔(dān)制冷負(fù)荷。

在運(yùn)行期間，2臺(tái)蓄熱氧化裝置消耗的瓦斯純量(平均值)在32 m3/min左右，背壓式汽輪機(jī)發(fā)電功率基本維持在1 120 kW。背壓式汽輪機(jī)排汽全部進(jìn)入凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電時(shí)，凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電功率為2 630 kW，此時(shí)瓦斯純量為額定體積流量(36 m3/min)的89%，而背壓式汽輪機(jī)和凝汽式汽輪機(jī)的發(fā)電功率已經(jīng)接近額定功率的97%。在滿足煤礦供汽需求的情況下，凝汽式汽輪機(jī)消耗富余蒸汽投運(yùn)發(fā)電。因此，在瓦斯純量達(dá)到額定體積流量時(shí)，背壓式汽輪機(jī)及凝汽式汽輪機(jī)能達(dá)到額定發(fā)電功率，系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果。

經(jīng)環(huán)保檢測，該供能系統(tǒng)的煙氣中不存在SO2、NOx等有害氣體，完全符合國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)年利用瓦斯體積約為1 700萬m3，年減排CO2質(zhì)量約為25萬t，年節(jié)約標(biāo)煤質(zhì)量約為1.4萬t。應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明：在滿足煤礦供熱的前提下，該系統(tǒng)能很好地解決煤礦淘汰小型燃煤鍋爐的問題，并具有良好的減排意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

4 結(jié)語

(1) 煤礦的用能負(fù)荷最大時(shí)期出現(xiàn)在高負(fù)荷制冷期，折合0.6 MPa飽和蒸汽約為17.75 t/h。根據(jù)現(xiàn)有瓦斯情況及用能需求，采用2臺(tái)90 000 m3/h蓄熱氧化裝置并分別配置余熱鍋爐的瓦斯利用技術(shù)路線。共計(jì)消耗瓦斯純量為36 m3/min，產(chǎn)生的中溫、中壓蒸汽質(zhì)量流量約為18 t/h，能滿足煤礦最大蒸汽需求。同時(shí)根據(jù)能量梯級利用及煤礦不同時(shí)期用能需求，制定了冷熱電聯(lián)供的綜合供能系統(tǒng)。

(2) 冷熱電聯(lián)供的綜合供能系統(tǒng)設(shè)置兩級發(fā)電機(jī)組。第一級采用背壓式汽輪機(jī)發(fā)電，排汽滿足煤礦用能需求；第二級采用凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電，將用能需求較少時(shí)的富余蒸汽送入凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電。系統(tǒng)發(fā)電采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，扣除系統(tǒng)自耗電，余電并入煤礦變電站，供煤礦自用。兩級發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率達(dá)到預(yù)期效果，該綜合供能系統(tǒng)在滿足煤礦供熱的前提下，具有良好的節(jié)能減排效果。