煤礦低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備在高寒地區(qū)的應(yīng)用

肖 露

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院）

煤層氣是煤礦在開(kāi)采過(guò)程中抽排出來(lái)的瓦斯（主要成分為甲烷），是一種具有強(qiáng)烈溫室效應(yīng)的氣體，如果直接排放到大氣中，它的溫室效應(yīng)要比二氧化碳大20倍。近年來(lái)，我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，區(qū)域性大氣環(huán)境問(wèn)題日益突出，不僅損害人民群眾的身體健康，還會(huì)影響社會(huì)的和諧穩(wěn)定［1］。隨著我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，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(shí)改善空氣質(zhì)量，國(guó)家制定了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)〔2013〕37號(hào)）。該計(jì)劃中明確提到，加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè)，到2017年，除必要保留的以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10蒸噸（1蒸噸=0.7 MW）及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時(shí)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(shí)10蒸噸以下的燃煤鍋爐。

東北地區(qū)在我國(guó)屬于典型的高寒地區(qū)，冬季煤礦井下工作面和工業(yè)場(chǎng)地建筑采暖任務(wù)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(yán)重的環(huán)境污染［3，4］。2018年，排放的抽采瓦斯量達(dá)到77億立方米，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)相當(dāng)于1.05億噸二氧化碳，其熱值相當(dāng)于9 430kt標(biāo)煤發(fā)熱量，造成了巨大的環(huán)保壓力和能源浪費(fèi)。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(jìn)行井筒進(jìn)風(fēng)加熱，并為辦公樓等其他用戶供暖，不僅能夠有效解決當(dāng)前燃煤燃燒大氣污染物超標(biāo)的問(wèn)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(shí)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(bǔ)貼，為礦方帶來(lái)經(jīng)濟(jì)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(guò)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)獨(dú)立設(shè)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(shè)在鍋爐房?jī)?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(tái)燃煤鍋爐進(jìn)行供熱，包括2臺(tái)10 t熱水爐、1臺(tái)10 t蒸汽爐和1臺(tái)6 t蒸汽爐。在采暖季，主要熱負(fù)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(shí)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(fù)荷為洗浴，因此僅運(yùn)行1臺(tái)6 t蒸汽爐即可。

圖1 燃煤鍋爐供暖工藝流程

經(jīng)過(guò)熱量平衡計(jì)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(shí)現(xiàn)所有供暖需求，該礦井年消耗煤量大，運(yùn)行成本高。另外，根據(jù)環(huán)保要求，煤礦燃煤鍋爐還需要進(jìn)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(wú)法直接進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行燃燒發(fā)電。如果進(jìn)行提純，則成本過(guò)高，產(chǎn)氣率過(guò)低，經(jīng)濟(jì)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型超低濃度煤層氣利用途徑，通過(guò)將空氣（或乏風(fēng)）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(jìn)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(jìn)入自持運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)連接配套的余熱鍋爐和蒸汽發(fā)電機(jī)組可對(duì)多余熱能進(jìn)行高效利用［11～13］。

由于煤層氣濃度低且含有氧氣，在利用過(guò)程中有爆炸風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)工藝流程中各點(diǎn)的工藝參數(shù)進(jìn)行精確控制［14］。結(jié)合高寒地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)地，通過(guò)蓄熱氧化供暖裝備產(chǎn)生高溫?zé)煔?，進(jìn)入鍋爐，根據(jù)下游用熱負(fù)荷產(chǎn)生蒸汽，從而加熱井筒進(jìn)風(fēng)，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(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

在輸送過(guò)程中，設(shè)置一個(gè)低濃度瓦斯混配系統(tǒng)，使泵站瓦斯與空氣（或乏風(fēng)）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(yùn)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(fù)荷計(jì)算

3.1.1 井筒防凍熱負(fù)荷

按照GB/T 50466—2018《煤炭工業(yè)供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，入井風(fēng)的耗熱量Q計(jì)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(fēng)量，m3/s；

基礎(chǔ)病理學(xué)教學(xué)只針對(duì)疾病的普遍特征進(jìn)行講授，包括疾病的病因、發(fā)病機(jī)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(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)的醫(yī)學(xué)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(shè)計(jì)室外溫度-21.83℃，進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)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(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到2℃，入井風(fēng)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(fù)荷

為滿足風(fēng)井廣場(chǎng)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(fù)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(fù)荷為5 258 kW。

礦井用總熱負(fù)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?zé)煔猓缓蟊惠斔椭铃仩t內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入換熱器后加熱空氣和水。具體供熱方案如下：

a.建設(shè)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(shí)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(shè)備設(shè)計(jì)處理原料氣甲烷濃度1.2%，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(chǎng)，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(tái)1 000 kW燃燒器，可在極端寒冷天氣時(shí)增加供熱能力。

e.供暖季（約174天）向礦區(qū)提供熱量，實(shí)現(xiàn)井筒加熱、礦區(qū)供暖和浴室供暖，運(yùn)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(tái)發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)功率3 000 kW，發(fā)電功率2 748 kW，裝置運(yùn)行電耗2×450 kW，每個(gè)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(dá)-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(jìn)行供熱時(shí)，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(shè)計(jì)劃，在主回風(fēng)井廣場(chǎng)擬再新建一個(gè)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(dá)31.80 Nm3/min。而本方案中，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(fù)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(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，本裝置設(shè)置了自動(dòng)噴粉抑爆裝置、水封阻火泄爆裝置及自動(dòng)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(shè)置了斷電保護(hù)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(yīng)、關(guān)斷供氣、打開(kāi)旁通閥提供電源，同時(shí)安裝在抽采瓦斯管道上的氣動(dòng)快關(guān)閥在停電時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉，阻止抽采瓦斯進(jìn)入后續(xù)管路。設(shè)置了甲烷濃度超限保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)氣濃度超限時(shí)，高精度甲烷濃度傳感器能夠快速精準(zhǔn)測(cè)量，發(fā)出控制信號(hào)關(guān)閉裝置進(jìn)氣閥、抽采瓦斯管道快關(guān)閥，打開(kāi)裝置旁通閥，保障系統(tǒng)的安全。

系統(tǒng)中重要閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、燃燒器、高精度快速響應(yīng)激光濃度傳感器及監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件選用進(jìn)口件，其中激光濃度傳感器的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.25 s，當(dāng)原料氣濃度超過(guò)1.2%后可實(shí)現(xiàn)快速切斷，避免氣體進(jìn)入蓄熱氧化供暖裝備、達(dá)到甲烷的爆炸下限。蓄熱氧化供暖裝備和新風(fēng)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(huì)出現(xiàn)故障停機(jī)，使持續(xù)供熱有保障。

整套裝備在設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格按照礦方提供的進(jìn)風(fēng)量、室外計(jì)算溫度等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并按照相關(guān)規(guī)范要求預(yù)留10%的設(shè)計(jì)余量，以滿足系統(tǒng)供暖的負(fù)荷要求。

4 實(shí)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(shí)還可以獲得抽采瓦斯利用補(bǔ)貼，減少除塵脫硫運(yùn)行成本，每年可利用純瓦斯1 443萬(wàn)立方米，產(chǎn)生1 667萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益，減排CO2當(dāng)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(jìn)行；能夠保證工業(yè)場(chǎng)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?zé)煔?，通過(guò)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(guó)大氣污染防治及煤層氣利用相關(guān)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(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖裝備的應(yīng)用對(duì)我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高非常規(guī)能源利用率、實(shí)現(xiàn)低碳循環(huán)及推進(jìn)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(duì)提高瓦斯利用率、促進(jìn)瓦斯“零排放”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

5.3 低濃度煤層氣的利用可以實(shí)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。