近年來(lái)，煤炭行業(yè)深入推進(jìn)綠色低碳理念落地，對(duì)于煤礦生產(chǎn)企業(yè)而言，碳減排除了 減排外，煤礦瓦斯的甲烷逃逸排放也是重要組成部分。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷，是一種優(yōu)質(zhì)清潔的氣體能源，但也是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)達(dá)到了 的27.9倍[2]。煤礦生產(chǎn)過(guò)程中排出的大部分為低濃度瓦斯，限制了煤礦瓦斯的利用[3]。

煤礦低濃度瓦斯的直接排放造成了環(huán)境污染與能源浪費(fèi)[4]，因此，探索煤礦低濃度瓦斯有效利用的方式顯得尤為重要，不僅可以節(jié)約能源，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，還可以減緩溫室效應(yīng)5。

煤礦低濃度瓦斯的排放源分散，且濃度變化范圍廣，導(dǎo)致想要其資源化利用和碳減排面臨諸多挑戰(zhàn)，目前主要采用的技術(shù)包括：分離提純技術(shù)，超低濃度甲烷可以被濃縮并用于發(fā)電或作為化工原料，從而實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值；熱氧化利用技術(shù)，甲烷可以被完全氧化成 和水，同時(shí)釋放出大量熱能，可用于發(fā)電或供熱；生物催化利用技術(shù)，通過(guò)微生物的作用，將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇等高附加值化學(xué)品。但是目前由于技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性原因，只有一小部分的低濃度瓦斯被有效利用，大部分都是采用直接排空的處理方式。為了使煤礦低濃度瓦斯得到充分利用，并減少煤礦瓦斯直接排放對(duì)環(huán)境造成的危害，本文以低濃度瓦斯熱氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合煤礦自身瓦斯抽放情況及用熱需求，設(shè)計(jì)了一套煤礦低濃度瓦斯熱氧化供熱的方案，并對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)熱量、供熱情況、減排量進(jìn)行了計(jì)算，也為回?zé)嵫趸到y(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1.低濃度瓦斯熱氧化技術(shù)

熱逆流氧化技術(shù)（ThermalFlowReversalReactor，TFRR）是有效處理煤礦乏風(fēng)的主要技術(shù)之一，TFRR的關(guān)鍵在于氧化裝置內(nèi)部的多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)。反應(yīng)過(guò)程是利用內(nèi)置多孔介質(zhì)蓄熱填料，在非穩(wěn)定狀態(tài)下，依靠燃料氣流速度與反應(yīng)熱前鋒移動(dòng)速度差異，合理控制循環(huán)周期時(shí)長(zhǎng)，使得裝置內(nèi)部釋放儲(chǔ)存的熱量維持系統(tǒng)的自熱平衡，并抽出高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱利用[6]。

下文項(xiàng)目使用的是回?zé)嵫趸b置，回?zé)嵫趸步凶鲞^(guò)焓氧化，即氧化區(qū)最高溫度高于絕熱反應(yīng)溫度，但是高溫?zé)煔獾淖罱K溫度與常規(guī)反應(yīng)溫度相同?；?zé)嵫趸暮诵奶攸c(diǎn)是熱量回流，熱量回流是降低預(yù)混氣體氧化反應(yīng)濃度要求并穩(wěn)定氧化反應(yīng)的根本原因?；?zé)嵫趸夹g(shù)與普通熱氧化技術(shù)相比，可以降低瓦斯起始反應(yīng)濃度，氧化反應(yīng)更平緩、更安全，可實(shí)現(xiàn)煤礦低濃度瓦斯持續(xù)、穩(wěn)定氧化，適用濃度范圍大?；?zé)嵫趸b置和熱氧化裝置相比，具有以下特點(diǎn)：超低濃度瓦斯回?zé)嵫趸b置與余熱回收裝置有機(jī)結(jié)合，可提高裝置的經(jīng)濟(jì)性和熱效率；系統(tǒng)排煙溫度低，能量回收效率高；啟動(dòng)裝置加熱功率大、啟動(dòng)速度快、設(shè)備投資少、運(yùn)行費(fèi)用低。

2.項(xiàng)目簡(jiǎn)介

三寶煤礦抽采泵站當(dāng)前排采瓦斯純量約為 ，平均濃度約為 3 % 因濃度過(guò)低不能發(fā)電，目前全部排空放散。項(xiàng)目計(jì)劃在三寶煤礦建立一套回?zé)嵫趸茻嵯到y(tǒng)，包括抽采瓦斯安全輸送裝置、配氣裝置、回?zé)嵫趸b置、換熱器、測(cè)控元件及控制系統(tǒng)，工藝流程簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

將煤礦抽采泵站抽采濃度為 8 % 以下的瓦斯與空氣摻混至 0 . 2 5 % 至1 . 2 % 進(jìn)行氧化利用，產(chǎn)生的高溫余熱用于煤礦以及周邊的冬季供暖、制冷和發(fā)電，可替代煤礦原有的產(chǎn)能裝置，如燃煤燃?xì)忮仩t、空調(diào)和電力能源，實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯排放及碳排放量的降低，既獲得了經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)效益。

該系統(tǒng)利用煤礦低濃度瓦斯氧化產(chǎn)生的熱量供熱，降低了煤礦電能和其它燃料的消耗量，減少了溫室氣體的排放，是一套經(jīng)濟(jì)合理、低碳環(huán)保的供熱方案。

裝置選擇方面，設(shè)計(jì)選擇1臺(tái)ZYYH10-1.2-S1.4-90/70型回?zé)嵫趸b置，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

熱能回收裝置方面，選擇1臺(tái)TSXD05/900-S1.4-90/70熱能回收裝置，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表

3.方案預(yù)期

3.1用熱需求計(jì)算

三寶煤礦工業(yè)建筑面積為 ，行政、公共建筑面積為 ，除燈房、浴室考慮集中供暖外，職工食堂、礦山救護(hù)大隊(duì)等均未考慮集中供暖，礦辦公樓、單身公寓樓等部分建筑采用空調(diào)或電加熱器等臨時(shí)采暖措施。采用集中供熱方式供暖，所需供熱負(fù)荷為4193kW。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，工業(yè)廠房供暖體積耗熱指標(biāo)估算在 2 . 5 W/ ，取廠房平均高度4.5米、室內(nèi)作業(yè)溫度 室外采暖溫度 計(jì)算，廠房平均面積熱負(fù)荷：

3.2瓦斯利用補(bǔ)貼計(jì)算

采用瓦斯減排利用系統(tǒng)供熱，每年可以利用瓦斯（純量）196.22萬(wàn)立方米，三寶煤礦可以獲得瓦斯利用補(bǔ)貼98.11萬(wàn)元。

利用瓦斯純量

天× 3 6 5 天

利用瓦斯補(bǔ)貼

= 1 9 6 . 2 2 萬(wàn) 元／ 萬(wàn)元

3.3減排計(jì)算

三寶煤礦傳統(tǒng)熱泵供熱方案總用電量為173萬(wàn)（kW·h）。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年度西南區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子（容量邊際排放因子）為0.4407（ W·h），熱泵系統(tǒng)用電年碳排放量為762.4噸。

回?zé)嵫趸到y(tǒng)利用煤礦低濃度瓦斯每年可以減排瓦斯（純量）196.22萬(wàn)立方米，折合碳減排量35025.3噸。回?zé)嵫趸到y(tǒng)總用電量為22.1萬(wàn)（kW·h），碳排放量為97.4噸?；?zé)嵫趸到y(tǒng)年碳減排量為34927.9噸。

在同等供熱能力下，瓦斯減排利用系統(tǒng)比熱泵供熱系統(tǒng)每年多減排二氧化碳35690.3噸，可為煤炭企業(yè)節(jié)約大量碳排放配額，使煤炭企業(yè)生產(chǎn)符合環(huán)保政策，確保正常生產(chǎn)。

目前，同型號(hào)的回?zé)嵫趸b置已在唐山煤礦試運(yùn)行，并取得了不錯(cuò)的效果，證明該方案配置是可行的。表3是試運(yùn)行的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

4.結(jié)論

本項(xiàng)目以熱氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套煤礦低濃度瓦斯熱氧化供熱的方案，建立回?zé)嵫趸到y(tǒng)，利用煤礦低濃度瓦斯進(jìn)行熱氧化供熱，通過(guò)理論計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）煤礦工業(yè)場(chǎng)地每天的熱負(fù)荷需求為4558kW，設(shè)計(jì)使用的回?zé)嵫趸到y(tǒng)完全可以滿足煤礦工業(yè)場(chǎng)地的全部熱負(fù)荷需求。

（2）回?zé)嵫趸到y(tǒng)利用煤礦低濃度瓦斯供熱，年碳減排量達(dá)到34927.9噸；可獲得瓦斯利用補(bǔ)貼98.11萬(wàn)元；同等供熱能力下，比傳統(tǒng)熱泵供熱系統(tǒng)每年多減排二氧化碳35690.3噸；

（3）回?zé)嵫趸到y(tǒng)的應(yīng)用解決了煤礦用熱需求，實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯能源利用和碳減排，在環(huán)保、節(jié)能方面具有顯著效益，具有廣闊的推廣前景。

目前該項(xiàng)目處于建設(shè)過(guò)程中，僅通過(guò)理論計(jì)算得出研究結(jié)果，為項(xiàng)目運(yùn)行提供參考。能

參考文獻(xiàn)：

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[2]任世華、謝亞辰、焦小淼等。煤炭開(kāi)發(fā)過(guò)程碳排放特征及碳中和發(fā)展的技術(shù)途徑[J].工程科學(xué)與技術(shù)，2022，54（1）： 60-68.

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作者單位：

馮育艷：黔西南州晴隆安寶煤礦有限公司晴隆縣三寶煤礦

董擊來(lái)、周軍：貴州煤礦安全監(jiān)察局安全技市中心

劉玉航：貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院