羅申國

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西 太原 030001）

·試驗研究·

杜兒坪礦中部風井風排瓦斯氧化處理項目設(shè)計

羅申國

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西 太原 030001）

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

風排瓦斯；氧化機組；工藝系統(tǒng)；設(shè)計

目前，煤礦瓦斯主要是通過地面鉆井抽采、井下瓦斯抽采和通風解決。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，可以通過長距離管道輸送、壓縮（CNG）和液化（LNG）等方式用作化工原料、民用燃氣和清潔能源汽車燃料等；井下抽放瓦斯?jié)舛纫话阍?%～55%，可通過坑口瓦斯電站發(fā)電、煤礦附近民用燃氣與采暖等方式加以利用；礦井通風中含有的甲烷濃度小于0．75%的風排瓦斯，由于甲烷含量極低，用提純分離和直接燃燒兩種傳統(tǒng)辦法均不能實現(xiàn)風排瓦斯的有效處理，所以，以前只能選擇直接排放。我國是產(chǎn)煤大國，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300億m3，其中風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。利用乏風氧化機組銷毀風排瓦斯，產(chǎn)生熱能供礦井用熱，變廢為寶，不僅改善了大氣環(huán)境，還為礦井風排瓦斯處理開辟了一條新途徑，具有推廣價值。

1 工程概況

西山煤電集團公司杜兒坪礦中部風井風排瓦斯氧化處理項目由西山煤電（集團）有限責任公司籌建，項目位于山西省太原市西20 km處杜兒坪礦中部風井工業(yè)場地內(nèi)，分兩期建設(shè)，投產(chǎn)后，年處理風排瓦斯量（折純）1 923．75萬m3，折合當量CO2為28．98萬t／年，減排大量溫室氣體，是一個典型的節(jié)能環(huán)保項目，具有較好的社會環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

項目依托現(xiàn)有中部風井空閑場地、供水、供電等基礎(chǔ)設(shè)施，利用乏風氧化機組銷毀中部風井排風中的風排瓦斯，解決了長期以來風排瓦斯直接排放而造成的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題。同時，可按照《京都議定書》開展清潔發(fā)展機制（CDM），獲得經(jīng)濟效益，是西山煤電集團公司從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、整合資源優(yōu)勢，加強環(huán)境保護的大局和可持續(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)計研究院先后承擔了該項目的可研報告編制、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計工作，可研報告和初步設(shè)計均已通過山西省發(fā)改委組織的專家評審。該項目2011年4月開工建設(shè)，現(xiàn)已基本安裝完畢，進入調(diào)試運營階段。

2 機組選型及裝機規(guī)模

2．1 風排瓦斯監(jiān)測參數(shù)

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

2．2 機組選型

通過對目前開發(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)、將風排瓦斯用做助燃空氣使用、稀燃瓦斯渦輪機組和混合煤礦瓦斯渦輪技術(shù)（HCGT）等幾種風排瓦斯減排技術(shù)進行對比分析，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顯著的風排瓦斯減排效果。本工程選用的是在煤礦風排瓦斯減排領(lǐng)域已實現(xiàn)工業(yè)化運行、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）機組。沃克斯2（VOX-II）機組處理量2 100 m3／min·臺，氧化器溫度1 000℃～1 200℃，可處理風排瓦斯?jié)舛?．2%～1．2%，甲烷摧毀率97%；薩敏（CH4MIN）機組處理量1 200 m3／min·臺，氧化器溫度600℃～800℃，可處理風排瓦斯?jié)舛?．15%～0．8%，甲烷摧毀率95%。機組年運行小時數(shù)為7 500 h，使用壽命21年。

2．3 裝機規(guī)模

根據(jù)中部風井的乏風排風量和風排瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合中部風井工業(yè)場地內(nèi)現(xiàn)有空閑場地情況，確定本工程總處理能力為7 500 m3／min（45萬m3／h），約占中部風井排風量的60%，安裝3臺沃克斯2（VOX-II）機組+1臺薩敏（CH4MIN）機組，項目分兩期建設(shè)，一期建設(shè)1臺沃克斯2（VOX-II）機組+1臺薩敏（CH4MIN）機組；二期建設(shè)暫按2臺沃克斯2（VOX-II）機組考慮，根據(jù)一期工程實際效果，對二期工程技術(shù)和選型再進一步確定。公用輔助系統(tǒng)第一期建設(shè)完成。

3 工藝系統(tǒng)設(shè)計

工藝系統(tǒng)包括乏風輸送系統(tǒng)、機組啟動系統(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 乏風輸送系統(tǒng)

根據(jù)4臺氧化機組布置位置，一期工程和二期工程乏風輸送管道分開設(shè)置。中部風井兩座擴散塔出口新增加內(nèi)插鋼管（DN5800），中間設(shè)有隔板，兩期工程分別從兩個擴散塔出口內(nèi)插鋼管兩側(cè)各引一路管道（DN3000，V=9．91 m／s），兩座擴散塔靠通風機一側(cè)的兩路管道匯合后，管徑不變，架空送至二期氧化機組場地，再通過干管（DN2100，V=10．11 m／s）分別接入二期2臺熱氧化機組。兩座擴散塔靠配電室一側(cè)的兩路管道匯合后，管徑不變，架空送至一期氧化機組場地，再通過干管（DN2100，V=10．11 m／s）分別接入一期兩臺熱氧化機組。

兩座擴散塔出口標高為22．00 m，從內(nèi)插鋼管引出的乏風輸送母管（DN3000）中心標高為24．80 m，每個內(nèi)插鋼管兩側(cè)引出的乏風輸送管道上均安裝有氣動蝶閥，與礦井通風機同步切換使用。進加壓風機前立管（DN2100）上安裝有流量測量裝置。流量測量裝置處設(shè)檢修平臺，壓力變送器、溫度儀表靠近流量測量裝置安裝，總管濃度儀測點設(shè)有檢修平臺。

風排瓦斯進入氧化裝置后，首先通過一層惰性陶瓷儲熱槽［薩敏（CH4MIN）機組還得再經(jīng)過一層催化劑］再進入氧化室，預(yù)加熱到一定溫度后，可持續(xù)放熱反應(yīng)會將風排瓦斯氧化為二氧化碳和水。第二層氧化劑和儲熱槽從處理過的氣流中吸收熱量，之后這些氣體經(jīng)過熱交換器和排氣煙囪被排空。

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

3．2 機組啟動系統(tǒng)

氧化裝置啟動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。一旦氧化器的儲熱槽和催化床達到預(yù)定溫度將進行持續(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儲熱槽之間的混合室內(nèi)，混合室與風排瓦斯進氣管道中間有儲熱槽進行隔離，阻止了可能的火焰擴散。燃燒器工作時不輸入風排瓦斯。

3．3 壓縮空氣系統(tǒng)

乏風輸送管路氣動蝶閥和氧化裝置本體提升閥等儀表氣源采用壓縮空氣，4臺氧化裝置及配套氣動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臺空氣壓縮機、1臺干燥機和1個儲氣罐，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行時會產(chǎn)出副產(chǎn)物—尾部煙氣（溫度約300℃），通過煙氣換熱器換熱后，可以提供蒸汽或熱水，用于為風井加熱或制冷、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有熱負荷，故設(shè)計暫未考慮余熱利用方式。

3．5 供配電系統(tǒng)

設(shè)置1個箱式變電站，布置在中部風井35 kV變電所附近，其單回6 kV電源引自中部風井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臺控制電源屏、4臺機組配電屏及廠區(qū)照明電源供電。變壓器的工作方式為單臺工作，并設(shè)置變壓器綜合保護裝置?？刂剖也捎没顒影宸拷Y(jié)構(gòu)，成套制作，內(nèi)設(shè)置1臺控制電源屏、1臺控制屏、4臺機組配電屏及4臺變頻器屏。

3．6 熱工控制系統(tǒng)

設(shè)計采用可編程邏輯控制器（PLC）對機組進行監(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）和輔機順序控制系統(tǒng)（SCS）。4套氧化機組共用1套控制系統(tǒng)，通過專用的數(shù)據(jù)模塊提供界面給PLC系統(tǒng)，兩者之間能互相進行運行狀態(tài)的參數(shù)顯示。具有自動化程度高、生產(chǎn)效率高和用人少的特點。

4 避免對礦井通風造成影響的措施

1）在進行總平面布置時，本工程主要建構(gòu)筑物與通風機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）在風排瓦斯輸送管道與擴散塔銜接處，設(shè)計有內(nèi)插鋼管，內(nèi)插鋼管伸入擴散塔500 mm，四周與擴散塔保持200～300 mm，風排瓦斯輸送管道從內(nèi)插鋼管側(cè)面接出，當風排瓦斯氧化機組停機時，乏風可通過內(nèi)插鋼管直接排出，不增加通風系統(tǒng)阻力，保障通風系統(tǒng)安全運行。

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

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

5）在風排瓦斯氧化機組入口設(shè)置有隔離和吹掃阻尼器，可以阻止過高或過低濃度瓦斯進入機組。

5 結(jié) 語

按照安全可靠、建設(shè)示范性項目為設(shè)計原則，采用成熟可靠的先進工藝和技術(shù)，同時積極進行設(shè)計優(yōu)化與創(chuàng)新，杜兒坪礦中部風井風排瓦斯氧化處理項目主要技術(shù)經(jīng)濟指標達到國內(nèi)同類型項目的先進水平，榮獲2011年度煤炭行業(yè)（部級）優(yōu)秀工程咨詢成果二等獎。

利用乏風氧化機組銷毀礦井排風中的風排瓦斯，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，符合當前國家應(yīng)對氣候變化和節(jié)能減排政策，為礦井風排瓦斯處理開辟了一條新的途徑，可在全省進行推廣，具有指導(dǎo)和示范作用。

［1］ 謝凱萍，袁 梅，馬科偉，等．我國煤礦風排瓦斯利用的探討［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（1982—），男，四川南江人，2004年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，工程師，主要從事瓦斯發(fā)電、乏風利用等相關(guān)資源綜合利用設(shè)計工作（E-mail）luosg8261＠163．com