李硯博

（山西韜拓云聯(lián)礦山技術(shù)有限公司， 山西 太原 030012）

0 引言

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)煤礦排放的甲烷量大約為190 億m3，為世界第一，約占我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)排放的總甲烷量的1/3，其中，通過(guò)煤礦通風(fēng)瓦斯排放的甲烷量約為130～170 億m3，折合1 510～1 975 萬(wàn)t 標(biāo)準(zhǔn)煤，與西氣東輸?shù)奶烊粴饬?20 億m3相當(dāng)[1]。甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的21 倍，對(duì)臭氧的破壞能力是CO2的7 倍。

隨著雙碳政策的不斷落地，礦井瓦斯也逐步被當(dāng)成一種清潔、高效的能源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。低濃度瓦斯是一種危害較小、雜質(zhì)較低的礦井瓦斯[1-2]。目前細(xì)分能源的應(yīng)用越發(fā)成熟，以低濃度瓦斯為主要燃料，推動(dòng)設(shè)備發(fā)電，再向終端供熱供暖成為了低濃度瓦斯利用的重要方式。但這種方式存在低濃度瓦斯進(jìn)行燃燒不充分的弊端，為解決這一問(wèn)題，筆者針對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備提出了新的升級(jí)改造思路。

1 瓦斯資源及抽采情況

晉城某礦為低瓦斯礦井，但局部瓦斯聚集量較大，周邊煤礦多為高瓦斯礦井，因此該礦按高瓦斯礦井進(jìn)行管理，配有一套瓦斯抽采系統(tǒng)，瓦斯泵站抽采瓦斯平均純量20.4 m3/min，平均瓦斯?jié)舛?%。

2 低濃度瓦斯利用方案

2.1 存在問(wèn)題

目前該礦對(duì)低濃度瓦斯的抽采積極性不高，主要有以下兩點(diǎn)原因及解決方法：首先是CH4濃度低。當(dāng)煤礦瓦斯中CH4含量低于6%時(shí)則無(wú)法直接點(diǎn)燃，即使點(diǎn)燃也難以維持燃燒；其次是流量與濃度不穩(wěn)定。由于煤礦工作面變化，通風(fēng)瓦斯流量和濃度都存在大幅波動(dòng)。

2.2 主要方案

目前，低濃度瓦斯綜合利用技術(shù)主要包括低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)、低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)和低濃度瓦斯氧化技術(shù)[4]。其中，低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)使用范圍有限、利用效率低、前期投資大、維修量大；低濃度瓦斯?jié)饪s技術(shù)投資高、功耗高、占地面積大、經(jīng)濟(jì)效益極差；低濃度瓦斯氧化技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用高、投資高、占地面積大、經(jīng)濟(jì)效益極差。綜合來(lái)看，以上三種方案各有其弊端，因此筆者提出低濃度瓦斯直燃供暖技術(shù)。

3 低濃度瓦斯熱源撬供暖技術(shù)應(yīng)用

晉城某礦從瓦斯抽采泵站將低濃度瓦斯輸送至瓦斯直燃系統(tǒng)；低濃度瓦斯在燃燒室內(nèi)燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔?，然后進(jìn)入余熱蒸汽鍋爐；在余熱蒸汽鍋爐中進(jìn)行熱交換，最終產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)入礦使用的熱力管網(wǎng)，滿(mǎn)足礦上的用熱需求。本項(xiàng)目建設(shè)包括低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)一套、6 套低濃度瓦斯直燃控制撬和配套的6 個(gè)燃燒室、2 臺(tái)6 t 的余熱鍋爐，具體如下：

3.1 低濃度瓦斯安全輸送系統(tǒng)

低濃度瓦斯氣源從泵站高壓管路接入低負(fù)壓抽采管，然后匯入混氣總管。安全輸送管路系統(tǒng)如圖1所示，主要由水封阻火泄爆裝置、自動(dòng)噴粉抑爆裝置、自動(dòng)阻爆裝置、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等組成的低濃度瓦斯安全輸送保障系統(tǒng)。

圖1 瓦斯安全輸送系統(tǒng)

低濃度瓦斯由參混裝置進(jìn)入，經(jīng)水封阻火泄爆裝置后進(jìn)入自動(dòng)噴粉擬爆裝置。其中水封阻火泄爆裝置設(shè)計(jì)安置于摻混裝置入口較近的位置，自動(dòng)噴粉抑爆器的安設(shè)位置應(yīng)距離相關(guān)輸送管路上安裝的最近的火焰?zhèn)鞲衅鬏S向距離40～50 m；當(dāng)有火花、壓力突變等情況出現(xiàn)時(shí)，各系統(tǒng)傳感器將在第一時(shí)間將信號(hào)傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)，在多重防護(hù)裝置共同作用下，確保瓦斯輸送安全。

3.2 直燃控制系統(tǒng)

利用低濃度瓦斯直燃技術(shù)，該技術(shù)采用金屬纖維表面燃燒器，直接燃燒器采用的是非常成熟的用于燃?xì)忮仩t的預(yù)混式表面燃燒器，這種燃燒器通過(guò)風(fēng)機(jī)配比為低濃度甲烷，在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定、可靠的燃燒，所以用于低濃度瓦斯的燃燒器也是安全可靠的。

直燃機(jī)控制系統(tǒng)主要由超低瓦斯?jié)舛热紵龣C(jī)、甲烷濃度監(jiān)測(cè)、燃?xì)怆姶砰y、空燃比例閥、球閥及流量孔板等組成。通過(guò)直燃監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各管路中的氣體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，協(xié)調(diào)各設(shè)備高效運(yùn)作，服務(wù)直燃系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。燃燒控制系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 燃燒控制系統(tǒng)

3.3 燃?xì)夤苈犯脑?/h3>

燃燒機(jī)的爐頭經(jīng)過(guò)采用特殊合金編織成金屬絲網(wǎng)用無(wú)縫織線(xiàn)技術(shù)處理。當(dāng)?shù)蜐舛韧咚购涂諝鈪⒒旌螅旌蠚怏w在合金纖維絲網(wǎng)上出現(xiàn)紅色火焰，此時(shí)燃燒強(qiáng)度可以接近2 500 kW/m2，整個(gè)燃燒過(guò)程更加充分、均勻。避免了局部高溫區(qū)的產(chǎn)生，有效抑制了熱力型氮氧化合物的生成，達(dá)到靜音燃燒，超低排放效果，實(shí)現(xiàn)NOx排放在30 mg/m3以下的環(huán)保目標(biāo)。低濃度瓦斯在燃燒室內(nèi)充分燃燒后，釋放出熱風(fēng)，從燃燒室出口排出，進(jìn)入余熱鍋爐?，F(xiàn)整個(gè)燃燒過(guò)程的燃燒方向、燃燒烈度和燃燒時(shí)限都是可控工作狀態(tài)，保證了燃燒過(guò)程全面受控，安全、可靠地完成整個(gè)燃燒制熱過(guò)程，完全符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。安裝示意圖如圖3所示。

圖3 直燃系統(tǒng)安裝

4 應(yīng)用效益

4.1 經(jīng)濟(jì)性

首先該瓦斯直燃技術(shù)可以將6%以上的低濃度瓦斯直接燃燒，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，工藝流程簡(jiǎn)化，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)低濃度瓦斯直燃利用的技術(shù)空白。其次具有較低的運(yùn)行成本，在項(xiàng)目運(yùn)行中，直燃設(shè)備除了正常的運(yùn)行維保外，只需定期更換燃燒器，無(wú)需其他成本。相比較更換催化劑，直燃項(xiàng)目的成本最低。

按照測(cè)算，由六臺(tái)直燃控制撬和兩臺(tái)六蒸噸的余熱鍋爐組成的低濃度瓦斯供熱系統(tǒng)，只要消耗20 m3/min純瓦斯，其釋放出來(lái)的熱能，完全可以替代一臺(tái)冬季使用的12T 蒸汽鍋爐和夏季使用的1 臺(tái)4T 蒸汽鍋爐。

4.2 環(huán)保效益

系統(tǒng)采用低瓦斯直燃技術(shù)，燃燒效率更高，火苗更集中、燃燒更充分，燃燒溫度控制在1 000 ℃以?xún)?nèi)，有效抑制了NOx化合物的產(chǎn)生。如果對(duì)所有的抽采瓦斯回收利用，可以減排600 萬(wàn)m3低濃度瓦斯/a，減排27 萬(wàn)t 二氧化碳/a，碳排放減排效益顯著。

燃燒設(shè)備的均勻透氣性和燃?xì)馀c空氣的均勻預(yù)混，燃燒十分穩(wěn)定和溫度分布均勻，沒(méi)有局部高溫存在。預(yù)混又有足夠的空氣供給，故CO 的排放也低。如表1，根據(jù)對(duì)燃燒管路所排放的污染物進(jìn)行采樣發(fā)現(xiàn)，顆粒物、NOx和CH4的排放量都大幅減少，符合大氣排放要求。

表1 排放物抽樣檢測(cè)表 單位：mg/m3

4.3 安全效益

這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用可使爆炸濃度的抽采瓦斯可進(jìn)行安全可控地燃燒利用。大量的低濃度抽采瓦斯，能不受抽采瓦斯?jié)舛?、流量波?dòng)性影響，全部進(jìn)行可控的燃燒供熱及熱富集發(fā)電，便可真正實(shí)現(xiàn)礦井廢氣回收利用，實(shí)現(xiàn)大量減排指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

低濃度瓦斯直燃熱源撬供暖一體化技術(shù)具有占地面積小、投資省、供熱效率高等特點(diǎn)，充分利用低熱值燃?xì)馊紵碚摵图夹g(shù)，通過(guò)安全裝置、燃燒裝置與制熱裝置的集成，利用安全控制系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯安全燃燒制熱的工業(yè)化應(yīng)用，開(kāi)辟了一條低濃度瓦斯利用的新路線(xiàn)、新工藝，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。