羅申國(guó)

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001）

·試驗(yàn)研究·

杜兒坪礦中部風(fēng)井風(fēng)排瓦斯氧化處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)

羅申國(guó)

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001）

我國(guó)煤礦風(fēng)排瓦斯量巨大，直接排放造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，利用乏風(fēng)氧化機(jī)組將其銷毀，同時(shí)產(chǎn)生熱能，不僅改善大氣環(huán)境，還為礦井風(fēng)排瓦斯處理開(kāi)辟了一條新途徑。以杜兒坪礦中部風(fēng)井風(fēng)排瓦斯氧化處理項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，介紹了工程概況、機(jī)組選型、裝機(jī)規(guī)模及工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并論述了避免對(duì)礦井通風(fēng)安全造成影響的措施。

風(fēng)排瓦斯；氧化機(jī)組；工藝系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

目前，煤礦瓦斯主要是通過(guò)地面鉆井抽采、井下瓦斯抽采和通風(fēng)解決。地面鉆井抽采的高濃度瓦斯，甲烷濃度大于90%，熱值與天然氣相當(dāng)，可以通過(guò)長(zhǎng)距離管道輸送、壓縮（CNG）和液化（LNG）等方式用作化工原料、民用燃?xì)夂颓鍧嵞茉雌嚾剂系?；井下抽放瓦斯?jié)舛纫话阍?%～55%，可通過(guò)坑口瓦斯電站發(fā)電、煤礦附近民用燃?xì)馀c采暖等方式加以利用；礦井通風(fēng)中含有的甲烷濃度小于0．75%的風(fēng)排瓦斯，由于甲烷含量極低，用提純分離和直接燃燒兩種傳統(tǒng)辦法均不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)排瓦斯的有效處理，所以，以前只能選擇直接排放。我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，高瓦斯和瓦斯突出礦井占一半以上，由于采煤每年向大氣排放的瓦斯高達(dá)300億m3，其中風(fēng)排瓦斯占瓦斯排放總量的80%左右，直接排放造成了巨大的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。利用乏風(fēng)氧化機(jī)組銷毀風(fēng)排瓦斯，產(chǎn)生熱能供礦井用熱，變廢為寶，不僅改善了大氣環(huán)境，還為礦井風(fēng)排瓦斯處理開(kāi)辟了一條新途徑，具有推廣價(jià)值。

1 工程概況

西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦中部風(fēng)井風(fēng)排瓦斯氧化處理項(xiàng)目由西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司籌建，項(xiàng)目位于山西省太原市西20 km處杜兒坪礦中部風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)，分兩期建設(shè)，投產(chǎn)后，年處理風(fēng)排瓦斯量（折純）1 923．75萬(wàn)m3，折合當(dāng)量CO2為28．98萬(wàn)t／年，減排大量溫室氣體，是一個(gè)典型的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目，具有較好的社會(huì)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目依托現(xiàn)有中部風(fēng)井空閑場(chǎng)地、供水、供電等基礎(chǔ)設(shè)施，利用乏風(fēng)氧化機(jī)組銷毀中部風(fēng)井排風(fēng)中的風(fēng)排瓦斯，解決了長(zhǎng)期以來(lái)風(fēng)排瓦斯直接排放而造成的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問(wèn)題。同時(shí)，可按照《京都議定書》開(kāi)展清潔發(fā)展機(jī)制（CDM），獲得經(jīng)濟(jì)效益，是西山煤電集團(tuán)公司從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、整合資源優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的大局和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度出發(fā)做出的重要決策。

煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院先后承擔(dān)了該項(xiàng)目的可研報(bào)告編制、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)工作，可研報(bào)告和初步設(shè)計(jì)均已通過(guò)山西省發(fā)改委組織的專家評(píng)審。該項(xiàng)目2011年4月開(kāi)工建設(shè)，現(xiàn)已基本安裝完畢，進(jìn)入調(diào)試運(yùn)營(yíng)階段。

2 機(jī)組選型及裝機(jī)規(guī)模

2．1 風(fēng)排瓦斯監(jiān)測(cè)參數(shù)

根據(jù)礦方對(duì)中部風(fēng)井進(jìn)行的排風(fēng)與抽采測(cè)量顯示，中部風(fēng)井的排風(fēng)量約為12 668 m3／min，風(fēng)排瓦斯純量為72 m3／min，典型風(fēng)排瓦斯?jié)舛葹?．57%，溫度典型值為15℃，濕度為100%，連續(xù)監(jiān)測(cè)其濃度在0．35%～0．7%波動(dòng)。

2．2 機(jī)組選型

通過(guò)對(duì)目前開(kāi)發(fā)出的熱回流氧化（TFRR）或再生熱氧化（RTO）技術(shù)、再生催化氧化（RCO）技術(shù)、直流氧化器技術(shù)、將風(fēng)排瓦斯用做助燃空氣使用、稀燃瓦斯渦輪機(jī)組和混合煤礦瓦斯渦輪技術(shù)（HCGT）等幾種風(fēng)排瓦斯減排技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定只有熱氧化技術(shù)（包括使用催化劑的技術(shù)和不使用催化劑的技術(shù)）可以在合理的成本投入下帶來(lái)顯著的風(fēng)排瓦斯減排效果。本工程選用的是在煤礦風(fēng)排瓦斯減排領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)行、較為成熟的技術(shù)，即Megtec公司再生熱氧化技術(shù)（RTO）的沃克斯2（VOX-II）機(jī)組和加拿大自然資源署薩敏（CH4MIN）技術(shù)（即再生催化氧化技術(shù)RCO）的薩敏（CH4MIN）機(jī)組。沃克斯2（VOX-II）機(jī)組處理量2 100 m3／min·臺(tái)，氧化器溫度1 000℃～1 200℃，可處理風(fēng)排瓦斯?jié)舛?．2%～1．2%，甲烷摧毀率97%；薩敏（CH4MIN）機(jī)組處理量1 200 m3／min·臺(tái)，氧化器溫度600℃～800℃，可處理風(fēng)排瓦斯?jié)舛?．15%～0．8%，甲烷摧毀率95%。機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7 500 h，使用壽命21年。

2．3 裝機(jī)規(guī)模

根據(jù)中部風(fēng)井的乏風(fēng)排風(fēng)量和風(fēng)排瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合中部風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)有空閑場(chǎng)地情況，確定本工程總處理能力為7 500 m3／min（45萬(wàn)m3／h），約占中部風(fēng)井排風(fēng)量的60%，安裝3臺(tái)沃克斯2（VOX-II）機(jī)組+1臺(tái)薩敏（CH4MIN）機(jī)組，項(xiàng)目分兩期建設(shè)，一期建設(shè)1臺(tái)沃克斯2（VOX-II）機(jī)組+1臺(tái)薩敏（CH4MIN）機(jī)組；二期建設(shè)暫按2臺(tái)沃克斯2（VOX-II）機(jī)組考慮，根據(jù)一期工程實(shí)際效果，對(duì)二期工程技術(shù)和選型再進(jìn)一步確定。公用輔助系統(tǒng)第一期建設(shè)完成。

3 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工藝系統(tǒng)包括乏風(fēng)輸送系統(tǒng)、機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和熱工控制系統(tǒng)，下面分別予以介紹。

3．1 乏風(fēng)輸送系統(tǒng)

根據(jù)4臺(tái)氧化機(jī)組布置位置，一期工程和二期工程乏風(fēng)輸送管道分開(kāi)設(shè)置。中部風(fēng)井兩座擴(kuò)散塔出口新增加內(nèi)插鋼管（DN5800），中間設(shè)有隔板，兩期工程分別從兩個(gè)擴(kuò)散塔出口內(nèi)插鋼管兩側(cè)各引一路管道（DN3000，V=9．91 m／s），兩座擴(kuò)散塔靠通風(fēng)機(jī)一側(cè)的兩路管道匯合后，管徑不變，架空送至二期氧化機(jī)組場(chǎng)地，再通過(guò)干管（DN2100，V=10．11 m／s）分別接入二期2臺(tái)熱氧化機(jī)組。兩座擴(kuò)散塔靠配電室一側(cè)的兩路管道匯合后，管徑不變，架空送至一期氧化機(jī)組場(chǎng)地，再通過(guò)干管（DN2100，V=10．11 m／s）分別接入一期兩臺(tái)熱氧化機(jī)組。

兩座擴(kuò)散塔出口標(biāo)高為22．00 m，從內(nèi)插鋼管引出的乏風(fēng)輸送母管（DN3000）中心標(biāo)高為24．80 m，每個(gè)內(nèi)插鋼管兩側(cè)引出的乏風(fēng)輸送管道上均安裝有氣動(dòng)蝶閥，與礦井通風(fēng)機(jī)同步切換使用。進(jìn)加壓風(fēng)機(jī)前立管（DN2100）上安裝有流量測(cè)量裝置。流量測(cè)量裝置處設(shè)檢修平臺(tái)，壓力變送器、溫度儀表靠近流量測(cè)量裝置安裝，總管濃度儀測(cè)點(diǎn)設(shè)有檢修平臺(tái)。

風(fēng)排瓦斯進(jìn)入氧化裝置后，首先通過(guò)一層惰性陶瓷儲(chǔ)熱槽［薩敏（CH4MIN）機(jī)組還得再經(jīng)過(guò)一層催化劑］再進(jìn)入氧化室，預(yù)加熱到一定溫度后，可持續(xù)放熱反應(yīng)會(huì)將風(fēng)排瓦斯氧化為二氧化碳和水。第二層氧化劑和儲(chǔ)熱槽從處理過(guò)的氣流中吸收熱量，之后這些氣體經(jīng)過(guò)熱交換器和排氣煙囪被排空。

氧化反應(yīng)每隔一段時(shí)間調(diào)整一次氣流方向，以便獲取風(fēng)排瓦斯中的能量持續(xù)反應(yīng)；這個(gè)切換過(guò)程將確保風(fēng)排瓦斯始終從處于最佳溫度的氧化劑和儲(chǔ)熱槽通過(guò)。

3．2 機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)

氧化裝置啟動(dòng)氣源選用加壓灌裝的液化石油氣，氣罐設(shè)于毗鄰氧化裝置的安全位置。一旦氧化器的儲(chǔ)熱槽和催化床達(dá)到預(yù)定溫度將進(jìn)行持續(xù)放熱反應(yīng)后，燃燒器就停止工作。燃燒器被安置于位于兩個(gè)儲(chǔ)熱槽之間的混合室內(nèi)，混合室與風(fēng)排瓦斯進(jìn)氣管道中間有儲(chǔ)熱槽進(jìn)行隔離，阻止了可能的火焰擴(kuò)散。燃燒器工作時(shí)不輸入風(fēng)排瓦斯。

3．3 壓縮空氣系統(tǒng)

乏風(fēng)輸送管路氣動(dòng)蝶閥和氧化裝置本體提升閥等儀表氣源采用壓縮空氣，4臺(tái)氧化裝置及配套氣動(dòng)閥門需要的最大壓縮空氣量為6 m3／min，用氣壓力為0．55 MPa，故配置2臺(tái)空氣壓縮機(jī)、1臺(tái)干燥機(jī)和1個(gè)儲(chǔ)氣罐，安裝在壓縮空氣集裝箱內(nèi)。

3．4 余熱利用系統(tǒng)

催化氧化器和熱氧化器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)出副產(chǎn)物—尾部煙氣（溫度約300℃），通過(guò)煙氣換熱器換熱后，可以提供蒸汽或熱水，用于為風(fēng)井加熱或制冷、提供熱水和為煤礦建筑供熱，以此減少燃煤消耗。由于本工程附近目前沒(méi)有熱負(fù)荷，故設(shè)計(jì)暫未考慮余熱利用方式。

3．5 供配電系統(tǒng)

設(shè)置1個(gè)箱式變電站，布置在中部風(fēng)井35 kV變電所附近，其單回6 kV電源引自中部風(fēng)井35 kV變電所。在箱式變電站中，設(shè)置6 kV高壓母線一段，為箱式變電站中的干式變壓器供電。設(shè)置380 V低壓母線一段，為控制室的1臺(tái)控制電源屏、4臺(tái)機(jī)組配電屏及廠區(qū)照明電源供電。變壓器的工作方式為單臺(tái)工作，并設(shè)置變壓器綜合保護(hù)裝置。控制室采用活動(dòng)板房結(jié)構(gòu)，成套制作，內(nèi)設(shè)置1臺(tái)控制電源屏、1臺(tái)控制屏、4臺(tái)機(jī)組配電屏及4臺(tái)變頻器屏。

3．6 熱工控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)視、控制。其功能范圍包括：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS），模擬量控制系統(tǒng)（MCS）和輔機(jī)順序控制系統(tǒng)（SCS）。4套氧化機(jī)組共用1套控制系統(tǒng)，通過(guò)專用的數(shù)據(jù)模塊提供界面給PLC系統(tǒng)，兩者之間能互相進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)顯示。具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高和用人少的特點(diǎn)。

4 避免對(duì)礦井通風(fēng)造成影響的措施

1）在進(jìn)行總平面布置時(shí)，本工程主要建構(gòu)筑物與通風(fēng)機(jī)房之間要留有不少于20 m的安全距離，滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范。

2）在風(fēng)排瓦斯輸送管道與擴(kuò)散塔銜接處，設(shè)計(jì)有內(nèi)插鋼管，內(nèi)插鋼管伸入擴(kuò)散塔500 mm，四周與擴(kuò)散塔保持200～300 mm，風(fēng)排瓦斯輸送管道從內(nèi)插鋼管側(cè)面接出，當(dāng)風(fēng)排瓦斯氧化機(jī)組停機(jī)時(shí)，乏風(fēng)可通過(guò)內(nèi)插鋼管直接排出，不增加通風(fēng)系統(tǒng)阻力，保障通風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3）風(fēng)排瓦斯輸送母管上設(shè)置有氣動(dòng)盲板閥和氣動(dòng)蝶閥，發(fā)生事故時(shí)，可迅速切斷風(fēng)排瓦斯供應(yīng)。

4）在熱氧化機(jī)組進(jìn)口安裝有瓦斯?jié)舛忍綔y(cè)儀和流量監(jiān)示器，為系統(tǒng)提供程序控制和安全保護(hù)。

5）在風(fēng)排瓦斯氧化機(jī)組入口設(shè)置有隔離和吹掃阻尼器，可以阻止過(guò)高或過(guò)低濃度瓦斯進(jìn)入機(jī)組。

5 結(jié) 語(yǔ)

按照安全可靠、建設(shè)示范性項(xiàng)目為設(shè)計(jì)原則，采用成熟可靠的先進(jìn)工藝和技術(shù)，同時(shí)積極進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)新，杜兒坪礦中部風(fēng)井風(fēng)排瓦斯氧化處理項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)同類型項(xiàng)目的先進(jìn)水平，榮獲2011年度煤炭行業(yè)（部級(jí)）優(yōu)秀工程咨詢成果二等獎(jiǎng)。

利用乏風(fēng)氧化機(jī)組銷毀礦井排風(fēng)中的風(fēng)排瓦斯，將其轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，并產(chǎn)生熱量，回收后可用于井筒防凍和地面建筑采暖，符合當(dāng)前國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化和節(jié)能減排政策，為礦井風(fēng)排瓦斯處理開(kāi)辟了一條新的途徑，可在全省進(jìn)行推廣，具有指導(dǎo)和示范作用。

［1］ 謝凱萍，袁 梅，馬科偉，等．我國(guó)煤礦風(fēng)排瓦斯利用的探討［J］．煤礦現(xiàn)代化，2010（2）：1-2．

The Design of Ventilation Air Methane Oxidation Treatment Project of Central Ventilation Shaft in Du＇erping Coal Mine

Luo Shen-guo

There is a huge number of coal mine ventilation air methane in China，emptying directly lead to environmental pollution and energy waste，using oxidation unit will be destroyed，and generate heat，not only improve the atmospheric environment，also for mine ventilation air methane treatment has opened up a new way．Takes the ventilation air methane oxidation treatment project design in Du＇erping coal mine central ventilation shaft as an example，introduces the engineering general situation，the unit type selection，installed capacity and design scheme of process system，and discusses the measures to avoid affecting the safety of mine ventilation．

Ventilation air methane；Oxidation unit；Process system；Design

TD712+．67

B

1672-0652（2013）09-0017-03

2013-06-22

羅申國(guó)（1982—），男，四川南江人，2004年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事瓦斯發(fā)電、乏風(fēng)利用等相關(guān)資源綜合利用設(shè)計(jì)工作（E-mail）luosg8261＠163．com