劉向忠

(西山煤電(集團)公司 東曲礦，山西 古交 030200)

·技術經(jīng)驗·

乏風氧化及余熱利用技術在東曲礦的應用

劉向忠

(西山煤電(集團)公司 東曲礦，山西 古交 030200)

礦井風排低濃度瓦斯在東曲礦具有穩(wěn)定的來源，圍繞低濃度瓦斯利用、降低風排瓦斯所產生的溫室效應，該礦采用乏風氧化及余熱利用技術，通過在羊圈港回風系統(tǒng)進行應用，產生了節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟效益。

乏風氧化；余熱利用；節(jié)能環(huán)保

隨著全球氣候變暖及國內環(huán)保呼聲增高，減少由煤礦排放瓦斯所帶來的溫室效應越來越受重視。為此，在傳統(tǒng)礦井抽采瓦斯利用的基礎上，對礦井乏風的利用逐漸興起。雖然乏風中瓦斯(主要成分甲烷)濃度普遍偏低，但總量可觀，科學有效地利用將有利于促進經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境改善。

1 乏風氧化綜合技術現(xiàn)狀

1.1 乏風氧化技術

常溫常壓下甲烷與空氣的引燃溫度為650 ℃～750 ℃，且甲烷濃度在3%以下時不燃燒。由于《煤礦安全規(guī)程》要求礦井總回風巷或一翼回風巷中甲烷濃度不得超過0.75%，因此乏風中瓦斯?jié)舛绕?，無法直接燃燒，成為開發(fā)利用乏風的難點和關鍵。目前，乏風氧化技術中瓦斯利用分主要、輔助燃料兩種，西山煤電集團東曲礦采用主要燃料利用技術。

采用傳統(tǒng)的燃燒技術，乏風中的瓦斯不能持續(xù)進行氧化反應，需要營造一個持續(xù)供熱保證氧化反應的環(huán)境。為此需要在兩個方面實現(xiàn)突破：

1) 尋找使乏風中甲烷持續(xù)氧化的溫度范圍。試驗發(fā)現(xiàn)，當混合氣溫度在750 ℃以上時，甲烷氧化反應最劇烈。

2) 尋找維持乏風中甲烷氧化反應適宜溫度環(huán)境條件的方法。借助空氣燃燒，通過改變氣流進、排方向，由蓄熱媒介吸收熱量保證氧化反應所需環(huán)境條件。

總之，乏風氧化過程受到足夠能量激發(fā)才能進行，單純依靠自身的氧化熱無法維持反應進行，必須維持反應所需適宜環(huán)境以確保氧化過程的持續(xù)。

1.2 余熱利用技術

目前，乏風氧化過程中余熱利用有多種方式，如供暖、制冷及發(fā)電等。

1) 余熱供暖。乏風氧化裝置除了維持自身系統(tǒng)運行外，由乏風氧化設備產生的多余熱量供應到余熱鍋爐以產生蒸汽，并用于地面或井內供熱。

2) 余熱制冷。乏風氧化裝置產生的余熱可以通過余熱制冷機組，借助其產生冷量用于地面或礦井的降溫工程。

3) 余熱發(fā)電。乏風風量較大時，余熱通過熱煙氣供給余熱鍋爐進行發(fā)電，降低生產成本。

東曲礦主要采取余熱供暖，提供羊圈港進風井暖風，滿足礦井生產需求。

2 東曲礦乏風氧化利用技術

2.1 乏風來源

羊圈港回風井風量約11 000 m3/min，瓦斯?jié)舛?.4%左右，服務東曲礦+860 m水平八、九采區(qū)，新鮮風流由羊圈港進風井進入采區(qū)，通過+860 m水平東翼軌道巷、八采區(qū)輔助運輸巷、+860 m水平集中皮帶巷進入各工作面，乏風通過八采區(qū)邊界回風巷由羊圈港回風立井排出，見圖1.

圖1 乏風的主要來源示意圖

2.2 乏風氧化機理

東曲礦引進4臺VAM60.00-Ⅲ型乏風氧化裝置進行氧化反應來減少溫室氣體的排放。其基本原理為：通過外部電能對氧化床進行加熱啟動，通過加熱電阻絲給氧化裝置加熱，為甲烷的氧化反應提供適宜溫度，氧化床內部使用蓄熱陶瓷重填，維持氧化溫度。乏風通過引風機引入氧化床，氧化產生熱量，利用換向閥實現(xiàn)乏風周期性逆流換向，一部分熱量輸出蓄熱，另一部分熱量由蓄熱陶瓷吸收，對進入的乏風進行加熱。持續(xù)進入氧化裝置的甲烷，氧化反應所需的熱能由再生陶瓷提供。此時，外部電源停止加熱，氧化裝置自動穩(wěn)定運行，內置熱交換器輸出多余熱量，如此進行循環(huán)。

乏風的氧化率隨甲烷濃度的升高而提高。當甲烷濃度大于0.4%時，氧化率明顯提升，在95%以上；當甲烷濃度小于0.25%時，氧化率則大大降低，在90%以下時，見圖2.

圖2 乏風氧化率曲線圖

2.3 余熱利用機理

利用氧化反應產生的熱量可制取0.62 MPa、156 ℃飽和蒸汽，通過熱風機組和外界冷空氣進行熱交換，所產生的熱空氣與羊圈港進風井井口冷空氣(冬季)混合，形成2 ℃以上的熱風，防止進風井口結冰，為井下安全生產提供保障，見圖3.

圖3 余熱利用工作原理圖

2.4 羊圈港進風井熱負荷計算

羊圈港進風斜井進風量為7 000 m3/min左右，回風立井回風量為11 000 m3/min左右，安裝兩臺FBCDZ-8-NO30 2×500 kW防爆對旋式主要通風機。按冬季室外溫度-25 ℃計算，通風耗熱量為：

Q=V×r×C×△t=14 721 MJ/h

式中：

Q—通風耗熱量，MJ/h；

V—進風量，m3/min，取7 000；

r—空氣密度，kg/m3，取1.293；

C—空氣比熱，kJ/(kg·℃)，取1.004；

△t—溫差，℃，取27.

實際運行中，羊圈港回風立井瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.4%，乏風氧化率96%，氧化反應消耗熱量約占0.1%，1臺氧化裝置可利用的余熱量約為4 200 MJ/h、飽和蒸汽量為1.57 t/h，4臺氧化裝置同時運行提供的熱量為16 800 MJ/h(4×4 200 MJ/h)，超過了冬季通風耗熱量14 721 MJ/h，滿足風井防凍所需。

2.5 東曲礦乏風氧化效益分析

2.5.1蒸汽收入

4臺乏風氧化裝置共可產生0.62 MPa、156 ℃飽和蒸汽總量為6.28 t/h(4×1.57 t/h).

蒸汽價格按120元/t計算，產蒸汽時間按5個月(3 600 h)計算，所供蒸汽收入：6.28×3 600×120=271萬元。

2.5.2減排溫室氣體收入

遵循《京都議定書》清潔發(fā)展機制，通過出售溫室氣體減排目標，可以獲得國際金融支持。東曲礦每年減排的溫室氣體折合二氧化碳約為4.31萬t(M).其中：

1) 瓦斯減排量折合二氧化碳量4.99萬t(M1).

該工程共安裝4臺乏風氧化裝置，每臺設備(設計乏風處理量6萬Nm3/h，年余熱回收熱能1.24×104GJ)按實際5個月(3 600 h)運行計算，甲烷氧化率按96%計算。

該工程每年減排純瓦斯量為：

4×6萬Nm3/h×0.4%×96%×3 600 h=332萬Nm3

該工程每年減排二氧化碳量為：

M1=332萬Nm3×0.717 kg/Nm3×21÷1 000=4.99萬t

式中：

21—減排1 t的甲烷可折算成21 t的二氧化碳；

0.717—甲烷的比重，kg/Nm3.

2) 余熱回收利用減排量折合二氧化碳量0.47萬t(M2).

4臺乏風氧化裝置年余熱回收熱能總和為4.96×104GJ(4×1.24×104GJ).

燃煤鍋爐系數(shù)0.095 t/GJ，折合成二氧化碳：

M2=0.095 t/GJ×4.96×104GJ=0.47萬t CO2

3) 工程相應產生排放量折合二氧化碳量0.65萬t(M3).

乏風中的瓦斯氣體在氧化后生成的二氧化碳氣體，相應產生排放量：

M3=332萬Nm3×0.717 kg/ Nm3×44/16=0.65萬t

式中：

44/16—二氧化碳與甲烷的相對分子量比。

4) 項目用電量產生排放量折合二氧化碳量0.5萬t(M4).

廠區(qū)的年自耗電量為6 221.44 MWh，按華北區(qū)域電網(wǎng)排放因子為0.811 45 t/MWh計算，折合成二氧化碳：

M4=0.811 45 t/MWh×6 221.44 MWh=0.5萬t

合計減排二氧化碳量：

M=4.99+0.47-0.65-0.5=4.31萬t

碳減排收益：減排二氧化碳量×單價=4.31萬t×69.6元/t=301萬元/a

2.5.3財政補貼

1) 年瓦斯利用補貼計算。

332萬Nm3×0.2元/Nm3=66.4萬元

式中：

0.2—每利用1 m3標況瓦斯國家補貼。

2) 余熱利用節(jié)約標煤計算。

余熱回收利用代替燃煤鍋爐年節(jié)煤量=年余熱回收熱能總和×1 000÷標煤熱值÷燃煤鍋爐熱效率=4.96×104GJ×1 000÷29 308 KJ/kg÷60%=2 820 t

式中，標煤熱值取29 308 KJ/kg；燃煤鍋爐熱效率取60%.

年節(jié)煤財政補貼：中央財政獎勵標準為240元/t標煤，省級財政獎勵標準不低于60元/t標準煤。

(240+60)元/t×2 820 t=84.6萬元

3) 總的經(jīng)濟收益計算。

財政補貼=年瓦斯利用國家補助+年節(jié)煤財政補貼=66.4+84.6=151萬元

年總收入為：蒸汽收入+減排溫室氣體收入+財政補貼=271+301+151=723萬元

項目年經(jīng)營成本：電費+人員工資+設備維護+水消耗=196+24+20+32=272萬元

年收益=年總收入-年經(jīng)營成本=723-272=451萬元

通過以上計算表明，乏風氧化可以增加煤礦企業(yè)的收入，尤其在近年煤炭效益不好、國內外都在致力于減排溫室氣體的大環(huán)境下，乏風氧化體現(xiàn)出更強的競爭力，符合國家政策。

3 結 語

羊圈港乏風氧化裝置年利用瓦斯332萬Nm3，折合減排二氧化碳量4.31萬t，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比節(jié)煤2 820 t，每年可獲得瓦斯利用補貼151萬元，年收益451萬元。該項目的實施，不僅為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了額外收入，同時減少了溫室氣體的排放，真正做到了變廢為利，收到良好的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益，對于推動煤礦綠色循環(huán)低碳發(fā)展、提高煤炭企業(yè)市場競爭力極為有利。

[1] 馬曉鐘.煤礦乏風氧化裝置的研制[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011(1)：2-3.

[2] 李宇紅，祁海鷹.預熱溫度影響甲烷高溫空氣燃燒特性的數(shù)值分析[J].工程熱物理學報，2010(2)：257-260.

ApplicationofTechnologiesonVentilationAirMethaneandWasteHeatUtilizationinDongquCoalMine

LIUXiangzhong

Dongqu coal mine is rich in low concentration coal mine gas with its steady ventilation system. Aimed at the utilization of low concentration VMM and the mitigation of Greenhouse effect, technologies on VMM oxidation and waste heat utilization are introduced in the ventilation system of Yangjuangang station, the practice harvests good result both economically and environmentally.

Ventilation air methane oxidation; Waste heat utilization; Saving energy and protecting environment

2017-08-02

劉向忠(1982—)，男，山西文水人，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，碩士研究生，高級工程師，主要從事煤礦一通三防瓦斯治理工作

(E-mail)61854937@qq.com

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