潞安礦區(qū)煤礦瓦斯梯級利用技術(shù)及工程實(shí)踐

栗 磊 傅國廷 崔寶庫 栗魯平 靳曙琛 華明國

(潞安化工集團(tuán)有限公司，山西 046204)

潞安集團(tuán)主要生產(chǎn)基地潞安礦區(qū)和武夏礦區(qū)合計(jì)面積約4328km2，煤層氣(原位高濃度瓦斯)資源儲量約4340×108m3，可采儲量1120×108m3。十三五期間，潞安集團(tuán)共有高瓦斯礦井20座，突出礦井2座。2020年，潞安集團(tuán)所屬礦井抽采瓦斯總量超5×108m3，利用瓦斯總量超2.5×108m3。其中地面井抽采量0.5×108m3,利用量0.5×108m3，井下煤層氣抽采量4.5×108m3，利用量2.0×108m3。

1 乏風(fēng)瓦斯氧化利用(甲烷體積分?jǐn)?shù)<0.75%)

2015年5月潞安集團(tuán)與中煤科工重慶研究院、浙江億揚(yáng)能源科技有限公司等相關(guān)單位合作建成了潞安高河乏風(fēng)氧化發(fā)電項(xiàng)目正式并網(wǎng)發(fā)電并穩(wěn)定運(yùn)行。乏風(fēng)蓄熱氧化發(fā)電原理及工藝如圖1所示，對煤礦回風(fēng)井?dāng)U散塔排出的乏風(fēng)通過引風(fēng)罩進(jìn)行收集，同時(shí)將抽采瓦斯從抽采泵站引出，通過混配裝置摻入乏風(fēng)后提升乏風(fēng)甲烷濃度至1%～1.2%，然后經(jīng)脫水裝置脫水后，送入蓄熱氧化裝置(Regenerative Thermal Oxidizer，以下簡稱“RTO”)進(jìn)行氧化放熱，RTO出來的高溫?zé)煔膺M(jìn)入鍋爐換熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)電，發(fā)出的電能通過升壓變壓器升壓后并入電網(wǎng)。鍋爐中的富裕熱量或蒸氣輪機(jī)發(fā)電后的蒸氣余熱還可以通過換熱器換熱后用于洗浴、冬季供暖或煤礦進(jìn)風(fēng)井空氣加熱。

圖1 乏風(fēng)氧化利用工藝流程圖

高河乏風(fēng)氧化項(xiàng)目采用BOT合作模式，總投資3.8×108元，設(shè)計(jì)乏風(fēng)處理能力108×104m3/h，配備12臺氧化裝置(RTO)(單臺處理乏風(fēng)量90000m3/h)和1臺30MW汽輪發(fā)電機(jī)組，年發(fā)電量2×108kWh、年溫室氣體減排140×104t二氧化碳當(dāng)量、替代標(biāo)準(zhǔn)煤6.8×104t。2015年5月投運(yùn)至2020年底，累計(jì)發(fā)電量達(dá)到6.5×108kWh，摧毀甲烷3.0×108m3，累計(jì)運(yùn)行超過4.5×104h，實(shí)現(xiàn)減排455萬t二氧化碳當(dāng)量。

2 熱源撬供熱瓦斯利用(甲烷體積分?jǐn)?shù)≥5%)

2016年5月潞安集團(tuán)常村煤礦與北京亞炬同創(chuàng)技術(shù)有限公司共同研發(fā)了熱源撬低濃度瓦斯利用技術(shù)首期工程在常村煤礦中試成功，技術(shù)原理如圖2所示，在熱源撬瓦斯利用裝置內(nèi)，有多個(gè)氧化反應(yīng)室，將煤礦抽采瓦斯氣體經(jīng)脫水器脫水后與風(fēng)機(jī)送入的空氣共同送入NOx抑制器進(jìn)行摻混并抑制氮氧化物的產(chǎn)生，摻混后濃度大于5%的瓦斯氣體分多路正壓(>3kPa)通入熱源撬反應(yīng)室，瓦斯經(jīng)熱源撬反應(yīng)室內(nèi)催化床滲流至熱源撬反應(yīng)室氧化出氣口，由電弧一次性激發(fā)燃燒，氧化反應(yīng)開始并積儲熱能，隨之進(jìn)入自維氧化態(tài)連續(xù)工作，產(chǎn)生950±50℃的熱空風(fēng)，殼體出風(fēng)口負(fù)壓將熱風(fēng)引出至熱水鍋爐將經(jīng)過軟化水系統(tǒng)軟化的自來水加熱后向供熱管網(wǎng)供應(yīng)熱水用于洗浴等，熱水鍋爐中的尾氣有排風(fēng)機(jī)通過煙囪排出。

圖2 熱源撬瓦斯利用工藝流程圖

目前常村煤礦運(yùn)行的熱源撬瓦斯利用項(xiàng)目單臺熱源撬的處理能力為2～10m3/min純瓦斯，甲烷摧毀率大于96%，氧化熱效率大于90%。滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可將115t/h的自來水溫度升高40℃；或生產(chǎn)1MPa、179.9℃的飽和蒸汽6.2t/h，該項(xiàng)目利用瓦量達(dá)340×104m3/a，年節(jié)約職工澡堂供熱費(fèi)用500×104余元。

3 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電瓦斯利用(甲烷體積分?jǐn)?shù)6%～30%)

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電瓦斯利用是潞安集團(tuán)應(yīng)用最早也是目前最普遍的瓦斯發(fā)電技術(shù)，2006年5月26日，潞安集團(tuán)五陽煤礦建成的山西省第一個(gè)低濃度瓦斯內(nèi)燃機(jī)發(fā)電站投用運(yùn)行，目前潞安集團(tuán)已建成投運(yùn)14座低濃度內(nèi)燃機(jī)瓦斯發(fā)電站，總裝機(jī)容量達(dá)82.5MW，日利用瓦斯量總計(jì)48×104余m3/d。

4 井下抽采高濃度瓦斯作為燃料利用(甲烷體積分?jǐn)?shù)≥30%)

按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，瓦斯氣中甲烷含量≥30%時(shí)，可用于工業(yè)或民用燃料。潞安集團(tuán)一緣煤業(yè)于2009年在地面工業(yè)廣場瓦斯抽放泵站附近建成一座地面供氣站，工藝流程如圖3所示。

圖3 井下高濃度瓦斯利用工藝流程圖

井下抽采的高濃度瓦斯，通過羅茨風(fēng)機(jī)輸送至儲氣罐(容量為5000m3)，瓦斯儲氣罐中的瓦斯經(jīng)壓縮機(jī)加壓后通過供氣管路供給公司內(nèi)部食堂、鍋爐、酒店等用氣地點(diǎn)使用。2013年后與當(dāng)?shù)劂y海集團(tuán)合作，其中銀海集團(tuán)提供100%的純瓦斯對該礦抽采瓦斯?jié)舛炔蛔?0%時(shí)，將其配足30%，供給煤礦內(nèi)部和銀海集團(tuán)使用，目前該礦抽采量約11×104m3/d，日瓦斯利用利用量約為3×104m3/d。

5 地面井抽采高濃度瓦斯利用(甲烷體積分?jǐn)?shù)>90%)

潞安集團(tuán)自1996年開展了地面瓦斯抽采先導(dǎo)性試驗(yàn)，積累了較為豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。截止2019年底，潞安集團(tuán)地面瓦斯抽采井正常排采運(yùn)行414口，產(chǎn)氣量約2150×104m3/a，2020年新增地面瓦斯抽采井鉆井102口，壓裂和排采117口，穩(wěn)產(chǎn)后預(yù)計(jì)增加產(chǎn)能1300×104m3/a。目前潞安集團(tuán)建成地面井抽采高濃度瓦斯利用項(xiàng)目5個(gè)，分別為五陽煤礦、李村煤礦、余吾煤業(yè)采用集輸后壓縮儲氣(CNG)的方式進(jìn)行利用，高河能源、李陽煤業(yè)采用集輸后增壓入管網(wǎng)的方式進(jìn)行利用，年可利用瓦斯約1170×104余m3/a，未利用高濃度瓦斯進(jìn)行焚燒減少溫室氣體排放。