煤矿乏风瓦斯处理和发电项目CDM案例分析

2013-12-20张志洪

发电设备 2013年3期

张志洪

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

在煤矿生产中为了安全的需要，通常采用通风方法将瓦斯排出矿井，这部分煤层气与空气的混合体称为乏风瓦斯（VAM，Ventilation Air Methane）。乏风瓦斯中CH4的体积分数极低（0.1%～0.75%），目前没有技术可以进行直接燃烧，而是直接排进大气中。为减少乏风瓦斯直接排放对环境的破坏和提高瓦斯的利用率，重庆某煤矿引进国外先进的热逆流反应器，对直接排放的乏风瓦斯进行处理，减少CH4排放，并利用氧化过程中产生的额外热能进行发电，产生良好的经济效益和社会效益。

笔者以该乏风瓦斯处理和发电项目为例，运用煤层气方法学ACM0008进行温室气体减排量的分析和经济性评价。

1 煤矿乏风瓦斯的利用

1.1 煤矿乏风瓦斯特点

据统计，全世界煤矿CH4排放量约占全世界CH4排放总量的8%，其中绝大部分为煤矿乏风瓦斯。

我国的煤矿乏风瓦斯有如下特点：

（1）乏风瓦斯量极大，利用潜力巨大。中国矿井瓦斯大部分通过通风排入大气，每年向大气中排放的乏风瓦斯量约为1.5×1010m3，相当于CO22.0×108t。

（2）乏风瓦斯浓度低，利用困难。目前中国煤矿的乏风瓦斯体积分数一般在0.1%～0.75%，无法使用传统燃烧器直接进行燃烧。

1.2 煤矿乏风瓦斯利用技术

目前利用乏风瓦斯作为燃料的技术主要有两种：一是麦格特克（MEGTEC）系统技术公司提供的热逆流反应器（TFRR），二是加拿大能源技术研究院提供的催化热逆流反应器（CFRR）［1］。

1.2.1 热逆流反应器（TFRR）

热逆流反应器是由一个钢制容器组成，内部是陶瓷床，加热元件位于陶瓷床中央。项目启动时先用电加热将反应器的陶瓷中心部分加热到1 000℃，当煤矿乏风瓦斯通过陶瓷床中部的高温区时，CH4迅速氧化并释放热量，通过热交换，氧化能量被传递到陶瓷床材料的周围。当乏风瓦斯中CH4的体积分数达到0.2%左右时，则系统无须再用电加热就可以维持自身的运转；若CH4的体积分数超过0.2%，则多余热量可以通过热交换导出，用来供热或发电。

1.2.2 催化逆流反应器（CFRR）

催化逆流反应器的工作原理与热逆流反应器不同的是在中心高温区上下两侧装有催化媒。在催化剂的作用下，CH4可以在较低的温度下（600℃）发生氧化，并释放能量。

根据美国环保局的技术评估，热逆流反应器和催化逆流反应器都可以有效地治理和利用煤矿乏风瓦斯。但是从实际应用角度来看，目前只有热逆流反应器在煤矿有大规模的商业应用。

2 应用实例

2.1 项目规模

某项目乏风瓦斯体积分数约0.6%，安装处理能力62 500m3／h乏风瓦斯的TFRR 6台，乏风瓦斯的总处理量375 000m3／h，配备一台4MW汽轮发电机组，总投资约6 000万元。CH4的消除率大于97%。

项目实施后，可以大大减少温室气体CH4的排放，还可以获得可观的售电收入，而不需要额外的燃料消耗，并且可以通过项目所实现的“经核证的减排量”（CERs，Certified Emission Reductions），向发达国家出售，获得一定的收益。

2.2 实施方法与效果

煤矿乏风瓦斯CDM项目采用的方法学为ACM0008修订版“用于煤层气和煤矿瓦斯的收集、发电（电力或动力）、生热和／或通过放空燃烧将CH4消除的统一基准线方法学”。

煤矿乏风瓦斯处理和发电项目，除了消除或减少直接排空的乏风瓦斯中的CH4外，还可以利用其热量进行发电，替代其他发电方式，具有双重减排效果。

由于煤矿乏风瓦斯中CH4的体积分数很低，无法直接燃烧处理、用于发电或居民燃气供给，故可以确定基准线情景为：维持现状，即继续排空所有乏风瓦斯，继续使用电网电力。

2.3 CO2减排量的计算

2.3.1 计算方法

根据已批准的整合方法学ACM0008，乏风瓦斯处理与发电项目的CO2减排量为：

式中：ER为项目活动的CO2减排量；EB为基准线CO2排放量；EP为项目的CO2排放量；EL为泄漏CO2排放量。

基准线CO2排放量EB为：

式中：EBMD为基准线情况下销毁CH4所产生排放的基准线CO2排放量，t；EBMR为每年被项目活动利用而避免向大气排放的基准线CO2排放量，t；EBUse为项目活动替代的发电、热能利用或输入燃气输配网管导致的基准线CO2排放量，t。

项目的CO2排放量为：

式中：EP为项目CO2排放量，t；EPME为回收和利用CH4所消耗能源所产生的项目CO2排放量，t；EPMD为CH4利用所产生的项目CO2排放量，t；EPUM为CH4利用过程中未充分燃烧产生的项目CO2排放量，t。

项目产生的泄漏CO2排放量为：

式中：EL为泄漏CO2排放量，t；ELd为由于替代其他CH4热能利用所产生的泄漏CO2排放量，t；ELo为由于其他不确定性产生的泄漏CO2排放量，t。

2.3.2 计算数据

CDM项目实例的主要参数见表1。

表1 CDM实例的主要参数

计算如下：

（1）基准线CO2排放量EB计算

CH4的温室效应潜力相当于CO2的21倍，即排放1tCH4相当于CO2排放21t。

在基准线情景中，全部乏风瓦斯都被直接排空，因此EBMD＝0。

每年被项目活动利用而在基准线情景下排入大气中的CH4量13 710t，其产生的基准线CO2排放量为：

该项目活动产生的热能用于发电，可以替代华中电网电力中这部分电量的CO2排放量，不存在其他热能利用或输入燃气输配管网。EBUse可以按以下公式求出：

式中：EFELEC为项目替代的发电CO2排放因子，t／（MW·h）；GEN为项目的总发电量，MW·h。

根据国家发展和改革委员会应对气候变化司发布的《2 0 1 2年中国区域电网基准线排放因子》［2］，重庆市所在华中区域电网 OM（operation margin）CO2排放因子是0.9 9 4 4t／（M W·h），BM （build margin）CO2排放因子是0.473 3t／（MW·h），各取50%的加权平均值，用于CDM项目的电网组合CO2排放因子为0.733 8t／（MW·h）。

由此得出基准线CO2排放量：

（2）项目排放CO2量计算

在项目实施后，项目本身需要消耗8 500 MW·h的电力，可以得出回收和利用CH4所消耗能源所产生的项目CO2排放量为：

乏风瓦斯经处理后，其中97%的CH4被氧化为CO2，由此产生的CO2排放量为：

其中2.75为CH4和CO2的折算系数。

反应器的CH4消除率为97%，还有3%的CH4未经消除直接排入大气，这部分CH4量为411t。所以，CH4利用过程中未充分燃烧产生的项目CO2排放量为：

由此得出项目实施后的年CO2排放量为：

（3）泄漏CO2排放量

由于项目活动实施之前基准线中的热能需求为零，因而也不会产生由于跟基准线热能需求冲突而造成的泄漏，因此ELd为零。

其他不确定性产生的泄漏量暂不考虑。

因此项目产生的泄漏排放量可以忽略不计。（4）项目CO2减排量

根据公式（1），每年的项目CO2减排量为：

2.4 经济性评价

2.4.1 收支分析

该项目实施后的收入有：

（1）发电收入

该项目发电功率4MW，扣除厂用电1 000kW，净发电功率为3 000kW，每年上网供电总量为2.55×107kW·h。

根据国家发改委《关于利用煤层气（煤矿瓦斯）发电工作的实施意见》和煤层气（煤矿瓦斯）电厂上网电价，比照国家发展改革委制定的（发改价格〔2006〕7号）《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》中生物质发电项目上网电价（执行当地2005年脱硫燃煤机组标杆上网电价加补贴电价），重庆地区的煤层气发电上网电价约为0.58元／kW·h，每年的售电收入为1 479万元。

（2）CERs净减排收入

2008年前价格区间在每吨10～30欧元，2008年后国际碳价持续下跌，目前已跌至约1欧元；但随着欧洲整体经济形势好转，碳价会有大幅反弹。

项目年CO2减排量为261 420t，按8元／t进行计算，每年售碳收入为210万元。当按40元／t计算时，每年售碳收入为1 049万元。

该项目的运行成本包括材料费、修理费、工资福利费、折旧费、摊销费、其他费用、财务费用等，估算成本约400万元／年。

2.4.2 净利润

由上述收支分析得出：碳价8元／t时，年净利润为1 479＋210-400＝1 289万元，按25%税率计，年净利润约967万元；碳价40元／t时，净利润为1 479＋1 049-400＝2 128元，按25%税率计，净利润为1 596万元。

2.4.3 设备残值

在经济寿命期结束后，设备残值按总投资的5%计，即300万元。

2.4.4 经济性指标

该项目的主要经济性指标见表2。