肖 露

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院）

煤層氣是煤礦在開采過程中抽排出來的瓦斯（主要成分為甲烷），是一種具有強烈溫室效應的氣體，如果直接排放到大氣中，它的溫室效應要比二氧化碳大20倍。近年來，我國大氣污染形勢嚴峻，區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出，不僅損害人民群眾的身體健康，還會影響社會的和諧穩(wěn)定［1］。隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進，能源資源消耗持續(xù)增加，大氣污染防治壓力繼續(xù)加大［2］。為切實改善空氣質(zhì)量，國家制定了《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2013〕37號）。該計劃中明確提到，加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸（1蒸噸=0.7 MW）及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐，其他地區(qū)原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。

東北地區(qū)在我國屬于典型的高寒地區(qū)，冬季煤礦井下工作面和工業(yè)場地建筑采暖任務艱巨。目前，用于采暖期煤礦井筒加熱和建筑供暖的燃煤鍋爐數(shù)量龐大，大量燃煤煙氣的排放造成了嚴重的環(huán)境污染［3，4］。2018年，排放的抽采瓦斯量達到77億立方米，產(chǎn)生的溫室效應相當于1.05億噸二氧化碳，其熱值相當于9 430kt標煤發(fā)熱量，造成了巨大的環(huán)保壓力和能源浪費。在此背景下，筆者結(jié)合煤與煤層氣供采共用技術(shù)［5～7］，利用低濃度抽采煤層氣蓄熱氧化技術(shù)和裝備替代燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽，進行井筒進風加熱，并為辦公樓等其他用戶供暖，不僅能夠有效解決當前燃煤燃燒大氣污染物超標的問題，減少大氣污染物排放［8］，避免廢水和固體廢物的排放，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，同時利用排空的低濃度瓦斯，還可以節(jié)省燃煤消耗，獲得抽采瓦斯利用補貼，為礦方帶來經(jīng)濟效益。

1 礦井用熱需求及供熱現(xiàn)狀

東北高寒地區(qū)某礦井目前的供暖方式［9］為通過工業(yè)廣場內(nèi)獨立設置的燃煤鍋爐房為用戶供暖。其中，洗衣房和浴室、主副井筒防凍用熱熱媒為0.4 MPa的飽和蒸汽；其他建筑物采暖熱媒為110℃熱水和70℃熱空氣（由設在鍋爐房內(nèi)的汽-水換熱器交換后供給），總體的燃煤鍋爐供暖工藝流程如圖1所示。井區(qū)共配置了4臺燃煤鍋爐進行供熱，包括2臺10 t熱水爐、1臺10 t蒸汽爐和1臺6 t蒸汽爐。在采暖季，主要熱負荷為井筒防凍、建筑物采暖、洗浴和衣物烘干，具體可根據(jù)實際用熱情況啟用不同數(shù)量的燃煤鍋爐。在非采暖季，主要熱負荷為洗浴，因此僅運行1臺6 t蒸汽爐即可。

圖1 燃煤鍋爐供暖工藝流程

經(jīng)過熱量平衡計算，燃煤鍋爐年消耗煤炭燃料30 kt，總耗電量4 352 085 kW·h。為實現(xiàn)所有供暖需求，該礦井年消耗煤量大，運行成本高。另外，根據(jù)環(huán)保要求，煤礦燃煤鍋爐還需要進行脫硫除塵或清潔能源改造。

2 低濃度煤層氣利用方案

該礦井抽采的原料氣濃度僅7%，無法直接進入內(nèi)燃機進行燃燒發(fā)電。如果進行提純，則成本過高，產(chǎn)氣率過低，經(jīng)濟性差，因此到目前為止，抽采的煤層氣全部放空。

低濃度煤層氣［10］蓄熱氧化技術(shù)和裝備是近年來發(fā)展起來的一種新型超低濃度煤層氣利用途徑，通過將空氣（或乏風）與煤礦井下抽采的煤層氣混配成甲烷濃度約1.2%的穩(wěn)定氣源，然后進入蓄熱氧化供暖裝備被加熱、氧化并釋放熱量，隨著裝置的周期換向，裝置進入自持運行穩(wěn)定狀態(tài)。通過連接配套的余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電機組可對多余熱能進行高效利用［11～13］。

由于煤層氣濃度低且含有氧氣，在利用過程中有爆炸風險，因此需要對工藝流程中各點的工藝參數(shù)進行精確控制［14］。結(jié)合高寒地區(qū)的現(xiàn)場條件，建議采用低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備替代原礦井的燃煤鍋爐。將泵站抽采的低濃度煤層氣采用安全輸送系統(tǒng)送至工業(yè)場地，通過蓄熱氧化供暖裝備產(chǎn)生高溫煙氣，進入鍋爐，根據(jù)下游用熱負荷產(chǎn)生蒸汽，從而加熱井筒進風，并為辦公樓、洗衣房及浴室等用戶供熱。在非供暖季，產(chǎn)生的蒸汽可帶動蒸汽輪機發(fā)電，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

在輸送過程中，設置一個低濃度瓦斯混配系統(tǒng)，使泵站瓦斯與空氣（或乏風）均勻混合，將濃度控制在1.2%以下，以保障裝置安全平穩(wěn)運行。圖2為蓄熱氧化工藝流程。

圖2 蓄熱氧化工藝流程

3 蓄熱氧化供暖裝備

3.1 礦井用熱負荷計算

3.1.1 井筒防凍熱負荷

按照GB/T 50466—2018《煤炭工業(yè)供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計標準》，入井風的耗熱量Q計算式為：

式中 a——富余系數(shù)，取1.1；

Cp——空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；

G——入井風量，m3/s；

基礎病理學教學只針對疾病的普遍特征進行講授，包括疾病的病因、發(fā)病機制、病理變化、結(jié)局和轉(zhuǎn)歸，其講授的是疾病的基本特征，屬于非專業(yè)性極強的醫(yī)學課程，因此契合X型慕課，非職業(yè)“精英主義”的原則[4]。

tw——空氣加熱前的室外溫度，℃；

γ——空氣容重，kg/m3。

礦井所在地設計室外溫度-21.83℃，進風立井進風量10 733 Nm3/min，則G=10733 Nm3/min÷60 m3/s=178.88 m3/s。經(jīng)查表確定空氣物性參數(shù)后，為保證進風溫度達到2℃，入井風的耗熱量Q=1.1×（10733 Nm3/min÷60 m3/s）×1.284 kg/m3×1.01 kJ/（kg·℃）×［2℃-（-21.83℃）］=6081 kW。

3.1.2 建筑物供暖熱負荷

為滿足風井廣場建筑物采暖需求，需要將蓄熱氧化供暖裝備產(chǎn)生的余熱用于供暖負荷。建筑物采暖主要包括室內(nèi)散熱器供暖和洗衣房、浴室供暖，其熱負荷為5 258 kW。

礦井用總熱負荷為6081 kW+5258 kW=11339 kW。

3.2 裝置供熱方案

在低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備中，甲烷在裝置內(nèi)氧化形成高溫煙氣，然后被輸送至鍋爐內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進入換熱器后加熱空氣和水。具體供熱方案如下：

a.建設2套75 000 Nm3/h蓄熱氧化供暖裝備，原抽采泵站與新建抽采泵站處各建1套，相距1.5 km，考慮到換熱效率和輸送損失后，實際供暖能力為11 789 kW，滿足極端最冷氣象條件下的用熱需求。

b.整套設備設計處理原料氣甲烷濃度1.2%，滿負荷運行時純瓦斯消耗量為30 Nm3/min。

c.將新建泵站的蓄熱氧化供暖裝備產(chǎn)生的蒸汽輸送至中央廣場，2套裝置的蒸汽合并后送到原鍋爐房，與原供暖系統(tǒng)相接。

d.系統(tǒng)配置2臺1 000 kW燃燒器，可在極端寒冷天氣時增加供熱能力。

e.供暖季（約174天）向礦區(qū)提供熱量，實現(xiàn)井筒加熱、礦區(qū)供暖和浴室供暖，運行電耗為2×400 kW。

f.非供暖季（約160天）輸出蒸汽發(fā)電并向浴室供熱，配1臺發(fā)電機組，裝機功率3 000 kW，發(fā)電功率2 748 kW，裝置運行電耗2×450 kW，每個非供暖季共向外輸送電量7 096 000 kW·h。

3.3 氣源保障分析

礦井處于東北高寒地區(qū)，在供暖季，井下溫度低于2℃，極端冷月溫度可達-14.8℃。為了防止工作面結(jié)凍，順利完成采煤作業(yè)，必須保證井下工作溫度不低于2℃。因此，在采用蓄熱氧化供暖裝備進行供熱時，為了防止煤礦采煤工作停滯，必須保障供熱氣源的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

表1為1～4月的礦井瓦斯泵站抽放量。由表1可以看出，在供暖季，該泵站目前可提供最少16.80 Nm3/min的純瓦斯。根據(jù)礦井建設計劃，在主回風井廣場擬再新建一個抽采泵站，純瓦斯量15 Nm3/min。因此，該礦井煤層氣的抽放量最低將達31.80 Nm3/min。而本方案中，滿負荷運行時的瓦斯消耗量只需要30 Nm3/min，因此該裝置在供暖季可以滿足熱負荷需求，氣源有保障。

表1 1～4月的礦井瓦斯泵站抽放量

3.4 安全保障措施

按照AQ 1076—2009《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設計規(guī)范》的要求，本裝置設置了自動噴粉抑爆裝置、水封阻火泄爆裝置及自動阻爆裝置等多重安全保障措施，能夠有效保證低濃度瓦斯輸送的安全性。設置了斷電保護系統(tǒng)，能夠保證停電工況下監(jiān)控系統(tǒng)正常工作30 min，為快速反應、關斷供氣、打開旁通閥提供電源，同時安裝在抽采瓦斯管道上的氣動快關閥在停電時能自動關閉，阻止抽采瓦斯進入后續(xù)管路。設置了甲烷濃度超限保護系統(tǒng)，當進氣濃度超限時，高精度甲烷濃度傳感器能夠快速精準測量，發(fā)出控制信號關閉裝置進氣閥、抽采瓦斯管道快關閥，打開裝置旁通閥，保障系統(tǒng)的安全。

系統(tǒng)中重要閥門的執(zhí)行機構(gòu)、燃燒器、高精度快速響應激光濃度傳感器及監(jiān)控系統(tǒng)等關鍵部件選用進口件，其中激光濃度傳感器的響應時間不超過0.25 s，當原料氣濃度超過1.2%后可實現(xiàn)快速切斷，避免氣體進入蓄熱氧化供暖裝備、達到甲烷的爆炸下限。蓄熱氧化供暖裝備和新風加熱器主要是結(jié)構(gòu)件，故障率低，能夠保證大修周期在半年以上，并且在冬季供暖季期間，不會出現(xiàn)故障停機，使持續(xù)供熱有保障。

整套裝備在設計時，嚴格按照礦方提供的進風量、室外計算溫度等設計基礎數(shù)據(jù)進行計算，并按照相關規(guī)范要求預留10%的設計余量，以滿足系統(tǒng)供暖的負荷要求。

4 實踐效果分析

低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備與燃煤鍋爐相比，蓄熱氧化供暖裝備不用消耗燃煤，可節(jié)約燃煤成本，同時還可以獲得抽采瓦斯利用補貼，減少除塵脫硫運行成本，每年可利用純瓦斯1 443萬立方米，產(chǎn)生1 667萬元的經(jīng)濟效益，減排CO2當量257.7 kt，環(huán)保效益顯著。

在供暖方面，即使在極端最冷環(huán)境下，低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備也可以保證煤礦井下工作面溫度不低于2℃，使采煤工作正常進行；能夠保證工業(yè)場地建筑物內(nèi)溫度不低于16℃，并向浴室和洗衣房提供熱水，確保工作環(huán)境的舒適度。

5 結(jié)論

5.1 將煤礦抽采的低濃度煤層氣送入蓄熱氧化供暖裝備產(chǎn)生高溫煙氣，通過鍋爐產(chǎn)生蒸汽替代燃煤鍋爐加熱井筒，并為辦公樓、浴室和洗衣房提供熱水，符合我國大氣污染防治及煤層氣利用相關政策，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，還可為高寒地區(qū)煤礦企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

5.2 低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備的應用對我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高非常規(guī)能源利用率、實現(xiàn)低碳循環(huán)及推進節(jié)能減排等具有良好的示范作用。該技術(shù)適用于濃度低于8%的超低濃度煤層氣的利用，對提高瓦斯利用率、促進瓦斯“零排放”目標的實現(xiàn)具有現(xiàn)實意義。

5.3 低濃度煤層氣的利用可以實現(xiàn)高寒地區(qū)煤礦的“煤與瓦斯共采共用”，構(gòu)建了“以用促抽，以抽促安全”的良性循環(huán)發(fā)展。