王永保，黃鳳河，劉 虎

(淮滬煤電有限公司 丁集煤礦，安徽 淮南 232001)

我國在傳統(tǒng)能源方面具有多煤、少油、貧氣的特點。2010-2017 年煤層氣抽采量總體上升而近兩年略有回落，利用量逐年有增長，但利用率偏低(30%左右)[1-2]。而井下瓦斯利用量和利用率不高的問題，主要是因為低濃度瓦斯(甲烷濃度小于30%)的利用是一個難點[3-4]，尤其是甲烷濃度小于8%的超低濃度瓦斯，絕大部分直接排空，造成極大的環(huán)境污染和資源浪費。因此，開展超低濃度瓦斯利用技術(shù)的深入研究，形成低濃度瓦斯梯級利用技術(shù)體系，將極大地提高我國煤層氣整體利用率[5-6]。與此同時，隨著礦井開采深度增加，采掘工作面環(huán)境的熱害日益嚴重，極大地影響了工人勞動效率和人身健康，也嚴重威脅井下安全生產(chǎn)[7-10]。因此，創(chuàng)造清涼的井下勞動環(huán)境是國內(nèi)外目前亟待解決的問題。

基于此，將超低濃度瓦斯進行蓄熱氧化，開展余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫蒸汽發(fā)電(背壓式汽輪機組)，低溫蒸汽通過溴化鋰機組井下降溫的研究，形成高效、經(jīng)濟的超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用技術(shù)，對促進超低濃度瓦斯的全面利用具有重要的現(xiàn)實意義[11-14]。

1 工程概況

丁集煤礦是淮南礦業(yè)(集團)公司熱害最嚴重的礦井之一，根據(jù)地質(zhì)勘探鉆井測溫結(jié)果表明，為二級熱害區(qū)。因此，丁集煤礦建設(shè)并投運了礦井集中降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為地面集中制冷系統(tǒng)、井下供冷系統(tǒng)以及輸冷管路系統(tǒng)。其中，地面系統(tǒng)供回水溫度設(shè)計為2.5 ℃/18 ℃，由蒸汽型雙效溴化鋰冷水機組加離心式冷水機組串聯(lián)的兩級制冷裝置實現(xiàn)。第一級為蒸汽型雙效溴化鋰機組，將冷媒回水由18 ℃降至5～7 ℃；第二級為離心式冷水機組，將5～7 ℃冷媒水降至2.5 ℃。每臺蒸汽型雙效溴化鋰機組與一臺離心式冷水機組組成一個制冷單元，三個制冷單元互為備用。

由上述可見，礦井集中降溫系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)是制冷，蒸汽型溴化鋰冷水機組因其高效、穩(wěn)定的優(yōu)越性能在整個制冷系統(tǒng)中尤為重要。而蒸汽是溴化鋰機組穩(wěn)定運行的原始驅(qū)動力。穩(wěn)定連續(xù)的蒸汽供應(yīng)是溴化鋰機組體現(xiàn)其優(yōu)越性的重中之重。之前礦井蒸汽由4臺蒸發(fā)量為8 t/h的燃煤鍋爐提供，鍋爐2用2備。由于運行時間較長，鍋爐效率下降，供給降溫系統(tǒng)的蒸汽品質(zhì)不能滿足需要。加上《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》(國發(fā)[2013]37號)、《安徽省人民政府關(guān)于印發(fā)安徽省大氣污染防治行動計劃實施方案的通知》(皖政[2013]89號)、《淮南市人民政府辦公室關(guān)于印發(fā)淮南市整治城區(qū)燃煤鍋爐工作方案的通知》(淮府辦[2013]119號)等文件要求，淮南潘謝礦區(qū)多數(shù)生產(chǎn)礦井均需對礦內(nèi)的燃煤鍋爐房進行供熱改造，丁集礦燃煤鍋爐改造刻不容緩，必須盡快尋求新技術(shù)改變這一現(xiàn)狀。

2 瓦斯蓄熱氧化熱能梯級利用技術(shù)

該技術(shù)利用礦井抽采出的8%以下的超低濃度瓦斯經(jīng)一、二次摻混系統(tǒng)進入氧化爐氧化，通過瓦斯氧化產(chǎn)生930 ℃的高溫?zé)煔夤┙o煙氣余熱鍋爐。經(jīng)過余熱鍋爐換熱后產(chǎn)生過高壓熱蒸汽用于背壓式汽輪機發(fā)電，同時過熱蒸汽經(jīng)減溫減壓后(低溫蒸汽)通過溴化鋰機組供礦井降溫，其工藝流程如圖1所示。

圖1 超低濃度瓦斯氧化熱能梯級利用工藝流程

2.1 超低濃度瓦斯蓄熱氧化

RTO蓄熱氧化單元單體能處理90 000 m3/h的瓦斯氣，當(dāng)甲烷濃度為1.2%時，甲烷摧毀效率達到98.0%。系統(tǒng)運行參數(shù)如表1所示。從裝置實際情況來看，各項參數(shù)達到了設(shè)計預(yù)期。

表1 氧化裝置核心實際運行工作參數(shù)

2.2 背壓式汽輪機發(fā)電組

合理選擇背壓機的容量，是關(guān)系到背壓發(fā)電經(jīng)濟效益能否充分發(fā)揮的大問題。根據(jù)丁集礦RTO高溫?zé)煔饬髁?、溫度等情況，背壓式汽輪機采用單缸、單軸單級或多級背壓式汽輪機。其參數(shù)為：①背壓機額定功率1.15 MW，額定進汽流量17.6 t/h，進汽壓力3.43 MPa，進汽溫度435 ℃，排汽壓力0.8 MPa，排汽溫度282 ℃；②減速箱額定功率1.5 MW，輸入轉(zhuǎn)速9 000 r/min，輸出轉(zhuǎn)速1 500 r/min；③發(fā)電機額定功率1.5 MW，額定電壓10 500 V，功率因數(shù)0.8，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定頻率50 Hz，進風(fēng)溫度≤40 ℃。

2.3 溴化鋰機組

溴化鋰機組內(nèi)部工作流程由冷劑水、溴化鋰濃溶液的循環(huán)組成，機級內(nèi)部為真空，內(nèi)部由發(fā)生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器四部分組成。供給礦井集中降溫系統(tǒng)的蒸汽壓力為0.6 MPa，溫度為195 ℃，流量為5.5 t/h(單臺溴化鋰機組)，完全超過溴化鋰機組所要求的蒸汽品質(zhì)。通過應(yīng)用該技術(shù)，能夠滿足蒸汽型雙效溴化鋰機組的蒸汽需求。溴化鋰機組設(shè)備配置情況見表2。

表2 溴化鋰機組設(shè)備

3 應(yīng)用效果分析

3.1 RTO運行測試分析

根據(jù)RTO現(xiàn)場測試，低濃度瓦斯氧化系統(tǒng)氣體進出口參數(shù)見表3。在低濃度瓦斯氧化系統(tǒng)中，CH4與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，1體積CH4和2體積O2生成1體積CO2和2體積氣態(tài)H2O，總氣體體積保持不變。

表3 設(shè)計氧化裝置進出口氣體組分

從表3的測試結(jié)果來看，RTO含濕量在進氣口較低，在出氣口較高，這是因為CH4與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成水汽，進而增大了出氣口的含濕量。2019年6月27日的煙氣流速比6月28日測試的煙氣流速大，進而導(dǎo)致其靜壓比6月28日測試的靜壓偏大。在RTO進汽含氧量相同的情況下，6月28日測試出口含氧量比6月27日測試的降低了一個百分點，這是因為6月27日進氣口流量較大，降低了CH4與O2的反應(yīng)幾率。總體而言， RTO運行CH4與O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的效果較好。

3.2 背壓式汽輪機組

分別對不同進汽壓力、進汽溫度、排汽壓力下汽輪機組功率變化率的變化規(guī)律進行了測試，以及進氣量對汽輪機組功率的影響規(guī)律進行了測試。測試結(jié)果如圖2。從圖2(a)可以看出，隨著進汽壓力增大，汽輪機功率變化率近似呈指數(shù)增大；從圖2(b)可以看出，隨著進汽溫度增大，汽輪機功率變化率呈線性增大；從圖2(c)可以看出，隨著排汽壓力增大，汽輪機功率變化率呈線性減小。

圖2 背壓機進汽壓力、進汽溫度、排汽壓力對功率修正曲線

從圖3可以看出，背壓式汽輪機組利用高溫蒸汽月發(fā)電量可達到800 000 kW·h，其中2月份是系統(tǒng)調(diào)試階段，6月份系統(tǒng)驗收，期間系統(tǒng)停機狀態(tài)，所以相對發(fā)電總量較少。其它3個月份正常運行，月發(fā)電量700 000～800 000 kW·h，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，高溫蒸汽得以充分利用。同時，從圖3可以看出，丁集礦區(qū)月用電量在650 000 kW·h左右，低于發(fā)電量，即背壓式發(fā)電機組的發(fā)電量完全可滿足整個礦區(qū)的用電量。

圖3 背壓式汽輪機組月發(fā)電量及廠區(qū)用電量

3.3 井下實際降溫效果對比

溴化鋰機組應(yīng)用前后制冷量對比如表4所示，從表4可以看出，背壓式發(fā)電機組排出的低溫蒸汽用于溴化鋰機組之后，蒸汽壓力和流量都得到顯著提高，尤其是制冷量提高40%以上。

表4 溴化鋰機組實際制冷量統(tǒng)計

同時，在丁集礦采用低溫蒸汽溴化鋰機組后對井下不同位置的降溫效果進行考察，如表5所示(選取了3個工作日)。從表5可以看出，井下不同地點在新技術(shù)使用前(供冷前)的溫度均在28 ℃以上，甚至達到32 ℃，相對濕度96%以上。在供冷降溫后，井下溫度均降至27 ℃以下，相對濕度基本控制在78%以下，達到了《煤礦安全規(guī)程》對井下空氣溫度的要求。

表5 丁集礦采掘工作面溫度、濕度統(tǒng)計

4 結(jié) 語

針對超低濃度瓦斯排空的資源浪費和環(huán)境污染問題，采用RTO對超低濃度瓦斯進行蓄熱氧化，通過余熱鍋爐的熱能轉(zhuǎn)換，形成高溫蒸汽發(fā)電、低溫蒸汽井下降溫的熱能梯級利用技術(shù)。該新技術(shù)在丁集礦的應(yīng)用表明，超低濃度瓦斯氧化后的熱能，采用背壓式發(fā)電機組的發(fā)電量不僅可滿足整個礦區(qū)的用電量，而且降溫系統(tǒng)運行所需的低溫蒸汽供應(yīng)穩(wěn)定，采取井下供冷措施以后，各掘進頭面溫度普遍降低3～5 ℃，平均溫度在25～26 ℃，濕度降低了20%，有效保證了煤礦安全生產(chǎn)的高效運行。同時該技術(shù)在丁集礦的成功實施，將為其它礦區(qū)節(jié)能環(huán)保提供有力的技術(shù)支撐。