一 技术背景
煤矿瓦斯,主要成分为甲烷,在煤矿采动之前赋存于煤炭和围岩当中,称之为煤层气,煤矿开采时逸出混合空气,称之为瓦斯。这种气体无色、无臭、无味且易燃、易爆。在常温常压条件下,当瓦斯中甲烷的浓度达到5%~16%(爆炸极限)时,如遇明火,就会发生“瓦斯爆炸”,因此瓦斯一直是煤矿开采过程中最为重要的安全课题。
瓦斯直接排放不仅会造成能源浪费,还会加剧温室效应。因为瓦斯中的甲烷是一种重要的温室气体,其温室效应是二氧化碳的26倍,所以,提升抽采瓦斯资源的利用率势在必行。在国家双碳目标、绿色发展战略背景下,我国发展规划当中明确对甲烷等温室气体排放加大管控力度。
煤矿瓦斯利用的难点在于,所含甲烷的浓度受各种因素影响,变化较大。行业根据不同的应用条件,对其做了如下区分:甲烷浓度大于等于30%的为高浓度瓦斯,浓度3%~30%的为低浓度瓦斯,抽排泵站抽出的浓度低于3%的我们称它超低浓度瓦斯,从风井排出的浓度低于0.75%的瓦斯称为风排瓦斯或者“乏风”。当前瓦斯应用通常按照不同浓度进行梯度利用,高浓度瓦斯通常作为化工原料、燃料使用;抽采的浓度9%~30%的低浓度瓦斯可以通过往复式内燃机发电机组(瓦斯发电机组)进行利用;而抽采的浓度3%~9%的低浓度瓦斯之前没有成熟的直接利用技术,通常有两种间接利用方法:
一是与高浓度瓦斯掺混至浓度大于9%后通过瓦斯发电机组利用。
二是采用乏风氧化技术,利用煤矿乏风或空气稀释至浓度1.2%以下进行逆流蓄热氧化。
前者由于高浓度瓦斯气资源的限制而造成非常有限的掺混利用,后者综合热效率低,经济效益差,没有得到大范围推广。
此技术安全高效的解决了浓度2.5%~9%的低浓度瓦斯利用难题,填补了技术空白,该技术研发取得了重大突破,工业化应用取得了重大进展。
二 技术简介
2.1 技术特点
1> 燃烧安全;
2> 燃烧稳定;
3> 热量利用率高;
4> 不易熄火、不易回火设备运行安全;
5> 燃烧充分、环保排放达标;
2.2 核心技术原理
1> 独特设计的聚能岛技术。将热量全部锁住聚能岛内,瓦斯在高温区热解热量向两侧扩散,扩散到前段的热量对低浓度瓦斯进行预热,使瓦斯进入聚能岛后达到热解温度发生氧化反应,扩散到后端的热量对聚能岛未反应完全的瓦斯进行处理使全部瓦斯100%反应。聚能岛使反应区温度始终维持在高温。提供氧化所需的外部环境。同时可以锁住热量使对外辐射的热量全部用作低浓瓦斯处理。使反应持续并稳定进行。
2> 聚能岛使瓦斯全部发生氧化反应,除去部分散热损失外。理论可达到100%的热风抽取率。搭配余热锅炉使锅炉尾气温度控制在150-180℃,热量利用率达到90%以上,相对于循环烟气式RTO氧化设备,热量利用率提高30%以上,相对于旋转式RTO氧化设备,热量利用率提高50%以上。
3> 聚能岛采用高温蓄热陶瓷制作,耐温达1400℃,氧化维持温度在1000-1050℃左右,聚能岛可在此温度下长期稳定运行。相对于RTO蓄热体的温度不会持续变化,长期处于在一个稳定的温度下运行。有效避免了RTO温度的频繁变化。使蓄热体使用寿命更持久。
4> 低浓瓦斯在1000℃左右反应,远远低于氮氧化合物产生的温度,显著减少NOX的排放,最终NOx排放低于国内燃气锅炉所要求的排放指标。
5> 本瓦斯聚能氧化系统,体积小,内部采用国内先进的高温陶瓷模块进行耐火保温设计,使相关散热损失减少。提高系统的综合热量利用率
6> 运行瓦斯浓度远低于爆炸极限,配合系统的负压运行,避免瓦斯聚集。大大提高系统运行的安全系数
7> 系统采用DCS控制,设置各关键点位的超温,超浓保护。使浓度精准控制在安全范围内,当任一参数超过设定值触发紧急保护措施,保证系统运行的安全。
2.3 技术参数(以5T余热锅炉配套设备为例)
序号 | 名称 | 参数 | 备注 |
1 | 燃料 | ||
1.1 | 燃料种类 | 煤矿低浓度瓦斯气 | |
1.2 | 浓度 | 3.5% vol | |
1.3 | 煤气压力 | 5kPa | |
1.4 | 煤气温度 | 常温 | |
2 | 使用工况(3.5% vol) | ||
2.1 | 额定消耗量 | 11000m³/H/套 | |
2.2 | 最大消耗量 | 12000m³/H/套 | |
2.3 | 输出温度 | 850-900℃ | |
3 | 蒸汽参数 | ||
3.1 | 蒸汽压力 | 0.7Mpa | |
3.2 | 蒸汽温度 | 165℃ | |
3.3 | 蒸发量 | 5t/h |
2.4 收益计算
如上技术参数:
产生5吨蒸汽,消耗低浓瓦斯11000m³/H,可节约天燃气435m³/H,按冬季山西地方天然气单价8元/m³折算,可节约3480元/H。冬季供暖4个月 120天计算,供暖季可节约燃气10022400元,效果显著。(常规气价4元/m³亦可节约燃气费用500万余元/供暖季)
部分煤矿高浓瓦斯用于发电,受内燃机技术限制,现阶段每立方纯量瓦斯可产生3-4Kw.h电能,11000m³/H折算纯量瓦斯为385m³/H,可发电1540Kw.h。可为煤矿节约电费924元/H。
以上对比发现冬季瓦斯供暖相对瓦斯发电经济效益更加显著。针对部分煤矿低浓瓦斯不稳定,可利用部分高浓瓦斯进行掺混,到达热解浓度。使煤矿瓦斯冬季供暖,夏季发电得到充分利用,达到热、电、联产综合利用。使经济效益最大化。
三 工艺简介
系统包括1套瓦斯掺混及安全输送系统、1套11000m³/H瓦斯热解装置、1套5T/H饱和蒸汽余热锅炉系统、1套集中控制系统。
3.1 工艺流程说明:
3.1.1瓦斯掺混及安全输送系统
本系统按照《AQ1076-2009 煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》、《NB/T 51013-2014煤矿风排瓦斯蓄热氧化装置工程应用安全要求》等规范的要求进行设计,在安全方面设计多重安全可靠的保障措施。
低浓度瓦斯经过安全输送后,先后经过在线湿式放散阀、溢流式水封阻火器、脱水器、原位式激光浓度分析仪、瓦斯紧急切断阀、瓦斯流量调节阀等设备,进入二次掺混器与乏风混合,混合后瓦斯浓度控制在3%左右,通过管道输送后设置原位式激光瓦斯浓度分析仪、瓦斯进气开关阀、新鲜空气阀、吹扫风机、主风机等设备,最终符合浓度要求的瓦斯经过主风机送入瓦斯热值装置。
本瓦斯安全输送及掺混部分主要技术特点:
(1)系统设置多重阻爆、抑爆及泄爆装置,并配备多重检测设施,确保装置稳定、安全运行。
(2)实时监控。装置的各子系统集中控制、系统协调。瓦斯与乏风或空气两级掺混调节,严格控制掺混后浓度,确保配气掺混调节系统响应及时、运行安全。
(3)多重安全保护控制系统,控制系统具有故障诊断与安全保护功能,主要对浓度、各种温度、阀门位置反馈信号等参数进行监测 ,并按照一定规则执行相应保护措施,确保设备运行安全。
3.1.2瓦斯热解系统
本系统采用聚能热解技术可利用体积浓度范围为3-3.5%的超低浓度瓦斯,进行取热利用。
用柴油燃烧器将蓄热陶瓷高温区加热到瓦斯反应温度,掺混后3-3.5% vol的瓦斯经过安全保护阀组流入热解炉本体,热解炉本体布置聚能氧化装置;气体通过均布器均匀分布在聚能氧化去加热反应。产出的高温烟气经高温烟道流向余热利用设备。
5.3.3 余热回收系统
配套饱和蒸汽型余热锅炉,主要包括:余热锅炉本体、供水泵组和电控系统等部分构成,系统制取0.7MPa,165℃饱和蒸汽,蒸汽产量5t/h。
配套锅炉具体参数如下:
产品型号 | EGB-2000-1.25-5 |
换热功率(KW) | 3500 |
工作压力(MPa) | 0.5 |
工作温度(℃) | 143 |
设计压力为(MPa) | 1.25 |
换热面积(㎡) | 280 |
被加热软化水温度 | 常温 |
烟气流量(kg/h) | ~48000 |
烟气温度(℃) | 850 |
3.2 技术路线图