馬立波 程紅林 呂軍林 胡利民

(1.興邊富民(北京)清潔能源技術(shù)有限公司，北京 100025；2.陽泉煤業(yè)集團二礦，山西 045000)

1 引言

煤炭開采過程中在采空區(qū)、新開作業(yè)面及井下瓦斯涌出濃度較高區(qū)域會通過專門的抽采泵站抽取瓦斯排放,這部分的濃度從百分之幾到幾十不等，絕大多數(shù)低于30%，又稱為低濃度抽放瓦斯。在少數(shù)煤礦，例如晉煤集團下屬的沁水煤田，井下從本煤層抽取的瓦斯的濃度也可達到40%～50%。根據(jù)國家能源局于2016年11月24日發(fā)布的煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用十三五規(guī)劃，全國井工煤礦平均開采深度接近500m，開采深度超過800m的礦井達到200余處，千米深井47處。隨著開采深度增加，地應(yīng)力、瓦斯含量和壓力增大，煤層透氣性降低，瓦斯抽采難度進一步加大。2015年，煤礦瓦斯抽采量136億m3、利用量48億m3,分別比2010年增長78.9%、100%，年均分別增長12.3%、14.9%，但是煤礦瓦斯利用率35.3%。

陽煤集團二礦桑掌乏風(fēng)氧化熱電聯(lián)供項目通過引進國際先進的蓄熱式高溫氧化技術(shù)(英文全名“Regenerative Thermal Oxidizer”，簡稱RTO)回收利用桑掌風(fēng)井排空的乏風(fēng)及低濃度瓦斯，變廢為寶綜合利用煤礦瓦斯資源；氧化銷毀排空的瓦斯(甲烷)，實現(xiàn)大規(guī)模溫室氣體減排；通過建設(shè)熱電聯(lián)供系統(tǒng)替代煤礦風(fēng)井現(xiàn)有小型燃煤熱風(fēng)爐，為桑掌進風(fēng)井筒提供飽和蒸汽，實現(xiàn)清潔供暖。該項目在潞安集團高河乏風(fēng)氧化發(fā)電項目的基礎(chǔ)上做了很多改進和優(yōu)化，大大提升了乏風(fēng)瓦斯摻混系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性以及乏風(fēng)氧化發(fā)電系統(tǒng)的熱回收利用效率。

2 乏風(fēng)瓦斯氧化熱電聯(lián)供工程設(shè)計

2.1 主要設(shè)計原則

(1)按照“以氣定電”的設(shè)計原則，煤礦排空的乏風(fēng)瓦斯及低濃度瓦斯長期監(jiān)測數(shù)據(jù)及未來氣源預(yù)測結(jié)果作為電站裝機規(guī)模設(shè)計依據(jù)，合理確定項目建設(shè)規(guī)模。

(2)在保證安全可靠運行的前提下，突出體現(xiàn)經(jīng)濟性、合理性和先進性。最大限度地降低工程造價，節(jié)約用地、用水，降低消耗和運行管理成本，為資源保護和環(huán)境保護做出積極的貢獻。

(3)項目選址與煤礦通風(fēng)機房、瓦斯泵站在保證安全距離的情況下就近布置，以減少乏風(fēng)管道建設(shè)投資及風(fēng)管運行阻力；

(4)乏風(fēng)及低濃度抽放瓦斯采集以不影響礦井通風(fēng)主扇、抽放泵站水環(huán)泵的正常運行為原則，不對礦井下的通風(fēng)系統(tǒng)和抽放泵站系統(tǒng)做任何工程改造或設(shè)備變更。

(5)考慮到山西省缺水的的特點，汽輪機發(fā)電系統(tǒng)不采用水冷，而采用風(fēng)冷。

2.2 總體工藝流程

陽煤二礦桑掌乏風(fēng)瓦斯氧化熱電聯(lián)供項目總體工藝流程主要包括乏風(fēng)瓦斯摻混系統(tǒng)、RTO乏風(fēng)氧化系統(tǒng)和余熱電站三大部分，總體工藝流程圖如圖1所示。

圖1 乏風(fēng)瓦斯氧化熱電聯(lián)供總體工藝流程圖

(1)變頻控制的RTO入口引風(fēng)機在乏風(fēng)及低濃度的輸送管道中產(chǎn)生所需的負壓，從乏風(fēng)擴散塔頂部引風(fēng)罩水平方向抽取乏風(fēng)至輸送管道內(nèi)；輸送管道又在瓦斯泵站排空管的頂部引風(fēng)罩側(cè)面利用負壓抽取低濃度瓦斯，低濃度瓦斯迅速摻混到管道內(nèi)的大量乏風(fēng)中，甲烷濃度稀釋至1.2%。通過一系列精確監(jiān)測及自動控制系統(tǒng)，可確保摻混后的乏風(fēng)甲烷濃度低于5%～16%的瓦斯爆炸濃度區(qū)域，從而實現(xiàn)摻混乏風(fēng)的安全輸送，徹底排除瓦斯爆炸的安全隱患。

(2)乏風(fēng)及低濃度瓦斯經(jīng)過安全采集并摻混達到1.2%甲烷濃度后輸送至6臺RTO氧化裝置進行蓄熱氧化處理。單臺RTO氧化裝置處理風(fēng)量為90,000Nm3/h，6臺RTO總計可處理摻混乏風(fēng)風(fēng)量為540,000Nm3/h，摻混乏風(fēng)瓦斯在RTO裝置內(nèi)發(fā)生無火焰氧化反應(yīng)后可產(chǎn)生約950℃高溫?zé)犸L(fēng)，RTO蓄熱氧化裝置產(chǎn)生的低溫?zé)犸L(fēng)被引至煙囪直接排放。

(3)單臺RTO氧化裝置在入口乏風(fēng)瓦斯風(fēng)量為90,000Nm3/h、甲烷濃度為1.2%時可產(chǎn)生 24,000Nm3/h 的950℃高溫?zé)犸L(fēng)，6臺總共能產(chǎn)生14.4萬Nm3/h高溫?zé)犸L(fēng)。高溫?zé)犸L(fēng)通過余熱鍋爐熱交換產(chǎn)生高溫高壓(9.8MPa，540℃)水蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電，電力經(jīng)升壓變壓器升壓至35kV后送入附近國家電網(wǎng)辛興變電站上網(wǎng)。汽輪發(fā)電機組設(shè)置有供熱抽汽，冬季承擔(dān)煤礦井筒保溫及建筑采暖熱負荷。冬季可從汽輪機中間級抽出部分飽和蒸汽用于供熱，實現(xiàn)熱電聯(lián)供。

2.3 主要設(shè)備選型

(1)RTO蓄熱氧化裝置

RTO蓄熱氧化裝置根據(jù)興邊富民(北京)清潔能源技術(shù)有限公司提供的乏風(fēng)瓦斯參數(shù)、工藝參數(shù)及安全技術(shù)指標進行專項設(shè)計，單臺乏風(fēng)處理流量為9×104Nm3/h， 允許甲烷濃度為0.2%～1.2%，甲烷摧毀率大于98%，RTO出口高溫?zé)犸L(fēng)溫度950℃，啟動燃料為柴油。

RTO蓄熱氧化裝置是項目的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響項目的經(jīng)濟性。如果裝置臺數(shù)過多，會導(dǎo)致工程投資過大，煤礦瓦斯量不足，設(shè)備閑置，降低設(shè)備投入率；如果裝置臺數(shù)過少，會導(dǎo)致煤礦瓦斯利用率降低，資源浪費。該項目根據(jù)煤礦通風(fēng)、抽采多年運行數(shù)據(jù)及未來預(yù)測情況，共安裝6臺RTO蓄熱氧化裝置。

RTO蓄熱氧化裝置最佳工作濃度為1.2%，該工況下，單臺設(shè)備額定產(chǎn)出950℃高溫?zé)犸L(fēng)2.4×104Nm3/h，共計14.4×104Nm3/h。

(2)余熱鍋爐

余熱鍋爐選用杭州鍋爐集團股份有限公司生產(chǎn)的高溫高壓鍋爐，鍋爐型號Q144/940-53.5-9.8/540，臺數(shù)1臺，熱風(fēng)設(shè)計流量14.4×104Nm3/h，額定蒸汽壓力9.8MPa，額定溫度540℃，額定流量53.5t/h。

(3)汽輪機

汽輪機選用青島捷能汽輪機集團股份有限公司生產(chǎn)的高溫高壓抽凝式機組，機組型號C15-8.83/0.588，臺數(shù)1臺，額定功率15MW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定進汽量54t/h,額定進汽壓力8.83MPa.a。

(4)發(fā)電機

發(fā)電機選用山東濟南發(fā)電設(shè)備廠有限公司生產(chǎn)的設(shè)備，發(fā)電機型號QF-16-2，額定功率16MW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電壓10.5kV。

2.4 電站主要系統(tǒng)

該項目主要由乏風(fēng)瓦斯摻混輸送系統(tǒng)、乏風(fēng)瓦斯氧化系統(tǒng)、余熱回收發(fā)電系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、化水系統(tǒng)等組成。

(1)乏風(fēng)瓦斯摻混系統(tǒng)

負壓安全采集摻混系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場情況分為高負壓抽采和低負壓抽采兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含采集罩、眼鏡閥、氣動快速切斷閥、啟動調(diào)節(jié)閥、檢測儀表、摻混裝置。

低濃度抽放瓦斯采集利用乏風(fēng)輸送管道內(nèi)的負壓將低濃度抽放瓦斯從煤礦泵站瓦斯排空管吸引至乏風(fēng)管道進行摻混，并通過摻混裝置將其摻混均勻。

通過乏風(fēng)甲烷濃度、流量檢測儀表以及瓦斯管道濃度、流量檢測儀表數(shù)據(jù)進行分析計算，調(diào)節(jié)乏風(fēng)引風(fēng)罩調(diào)節(jié)閥、瓦斯管道調(diào)節(jié)閥開度，實現(xiàn)對摻混濃度進行精準控制。

乏風(fēng)管道設(shè)置有吹掃系統(tǒng)，啟動前及停機后，采用吹掃風(fēng)機對乏風(fēng)管道內(nèi)氣體進行吹掃，避免瓦斯積聚。

負壓安全采集摻混技術(shù)在解決了以往瓦斯采集摻混技術(shù)控制系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、維護成本高等問題的基礎(chǔ)上，更好地實現(xiàn)了摻混濃度的精準控制。

瓦斯摻混輸送系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 乏風(fēng)瓦斯摻混輸送系統(tǒng)工藝流程圖

(2)乏風(fēng)瓦斯氧化系統(tǒng)

乏風(fēng)與低濃度抽放瓦斯摻混、除水后，甲烷濃度1.2%，總流量54×104Nm3/h，分別進入6臺乏風(fēng)RTO蓄熱氧化裝置進行高溫氧化，可產(chǎn)出流量14.4×104Nm3/h、溫度950℃的高溫?zé)犸L(fēng)。

乏風(fēng)氧化裝置RTO啟動預(yù)熱燃料采用柴油，廠區(qū)內(nèi)設(shè)置有1座50m3的地埋油罐與油泵房。

該項目共安裝6臺RTO蓄熱氧化裝置，各自獨立運行，互不影響。

(3)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)

乏風(fēng)氧化裝置RTO產(chǎn)出的熱風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)管道輸送至余熱鍋爐，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電裝機容量15MW，電力通過升壓變壓器升壓至35kV后送至附近變電站上網(wǎng)。

2.5 設(shè)計要點

(1)科學(xué)論證煤礦瓦斯資源量，確定煤礦瓦斯本站服務(wù)年限，確定乏風(fēng)、低濃度瓦斯未來10～15年的瓦斯數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)煤礦瓦斯情況，確定乏風(fēng)氧化RTO裝置設(shè)計規(guī)模(單臺處理規(guī)模及臺數(shù))，并以此確定高溫?zé)煔鈪?shù)、余熱鍋爐參數(shù)和汽輪發(fā)電機組參數(shù)。

(3)在摻混輸送系統(tǒng)啟停過程中不影響煤礦設(shè)備運行安全的前提下，保證低濃度瓦斯收集率和利用率；在管道設(shè)計時，盡量縮短低濃度瓦斯管道距離，保證系統(tǒng)運行安全。

(4)鍋爐引風(fēng)機、給水泵采用變頻調(diào)節(jié)，同時與RTO進行連鎖控制，保證RTO在不同運行工況下，高溫?zé)犸L(fēng)均能余熱鍋爐完全利用，保證鍋爐的運行安全。

(5)由于煤礦在生產(chǎn)過程中，低濃度抽放瓦斯會存在一定的波動，所以摻混控制系統(tǒng)、RTO蓄熱氧化裝置、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組在選型過程中，設(shè)備應(yīng)充分考慮抗波動性，比如縮短摻混控制系統(tǒng)的反應(yīng)時間、適當增大鍋爐水容量等。

2.6 主要經(jīng)濟指標

陽煤二礦桑掌乏風(fēng)氧化發(fā)電項目主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表1。

3 乏風(fēng)氧化熱電聯(lián)供運行參數(shù)研究

陽煤二礦桑掌乏風(fēng)氧化發(fā)電項目于2018年11月向二礦桑掌風(fēng)井供暖，于2019年5月13日實現(xiàn)首次并網(wǎng)，6月4日完成72+24試運行正式進入試生產(chǎn)，2019年11月開始發(fā)電供熱同時生產(chǎn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

截止2019年11月29日，累計發(fā)電量為2406萬kWh，累計上網(wǎng)電量1925萬kWh，累計處理甲烷1011萬m3，實現(xiàn)減排CO2量16.2萬t。

經(jīng)第三方檢測機構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測，余熱鍋爐的大氣

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

污染物排放濃度遠低于《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271—2014)，成功實現(xiàn)氮、硫、塵近零排放。國家規(guī)定新建燃氣鍋爐上限值與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)(表2)。

表2 余熱鍋爐尾氣排放檢測數(shù)據(jù)單位：mg/m3