张志洪, 晏乃强

(1. 上海交通大学 环境科学与工程学院， 上海 200240;2. 上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

环保技术

乏风瓦斯发电项目可行性分析

张志洪1,2, 晏乃强1

(1. 上海交通大学 环境科学与工程学院， 上海 200240;2. 上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

介绍了乏风瓦斯发电技术的原理及工艺流程，并对乏风瓦斯发电项目的经济可行性进行了具体分析，为国内类似项目提供了一定的借鉴。

煤层气； 乏风瓦斯； 发电； 经济性

煤矿瓦斯，也叫煤层气，是富集在煤炭中的一种共生气体，主要成分是甲烷(CH4)，是一种无色、无臭、易燃、易爆的气体。CH4是仅次于CO2的重要温室气体，CH4排入大气而引起气候异常以及对臭氧层的破坏，已经成为全世界共同面临的重大问题。

煤矿瓦斯按其来源可分为三大类：一是来自矿井瓦斯抽采系统的瓦斯；二是来自地面矿井的瓦斯；三是来自矿井回风井排出的瓦斯。

煤矿采矿过程中，为了降低矿井中的瓦斯浓度、提高煤矿生产的安全性，需要采用大量乏风的方法将煤矿瓦斯排到矿井外，这部分煤矿瓦斯称为乏风瓦斯或通风瓦斯(Ventilation Air Methane，VAM)。

1 乏风瓦斯处理现状

乏风瓦斯中的CH4体积分数非常低(一般在0.1%～0.75%)，且波动范围大，直接作为主燃料使用受到了一定的限制，目前几乎所有的煤矿没有尝试回收和处理矿井乏风中的CH4，而直接将其排放到大气之中。乏风瓦斯是最大的CH4工业排放源，收集和利用煤矿乏风瓦斯，减少温室气体排放，是我国面临的紧迫任务之一。

我国每年通过乏风排入大气的CH4约为(100～150)×108m3，相当于(1 140～1 700)×104t标准煤，而且基本没有得到利用。由于CH4具有很强的温室效应，相当于CO2温室效应的21.5倍，对臭氧层的破坏能力是CO2的7倍。随着国家对能源的需求越来越大，不断发展分布式能源成为节约能源、解决当前能源危机的主要途径之一，而丰富廉价、现实存在的乏风资源就是可靠的气源保证[1]。然而由于煤矿乏风CH4含量极低，如果进行分离提纯，耗能要远远超过获取CH4的能量，很不经济；另外这种浓度的CH4不能直接燃烧，所以长期以来只能空排，造成了巨大的能源浪费和环境污染。近年来，随着科学技术的进步和发展，以及节能减排力度的加大，乏风瓦斯的处理和利用技术正在得到越来越多的应用。

2 乏风瓦斯发电原理及流程

目前乏风瓦斯的利用技术主要有恩姆易基机械设备系统公司(MEGTEC)开发的热逆流氧化器(TFRR)和加拿大矿产与能源技术中心(CANMET)开发的催化热逆流氧化器(CFRR)。两者的区别在于催化剂的使用和反应温度不同。从实际商业运行的角度来看，目前只有TFRR在煤矿领域有大规模的商业应用。

TFRR是一个固定在钢架上的密封钢制容器，容器内是陶瓷床，陶瓷床内部装有电加热器元件。TFRR的氧化反应化学方程式如下[2]：

(1)

氧化器先通过电加热将陶瓷床中心加热至1 000 ℃，当乏风瓦斯经过高温区时，发生上述的化学反应，并释放出热量，通过热量交换，热量被传递到整个陶瓷床。

如果乏风瓦斯中的CH4浓度达到某个平衡点，则系统不需要外部热量就可以维持自身的运行，而这个平衡点就是乏风瓦斯中的CH4氧化产生的热量，等于氧化器本身的热量损失和出口烟气带走的热量。如果乏风瓦斯中的CH4浓度高于平衡点，而且没有将氧化产生的多余能量通过热交换导出，出口气体温度将非常高。将多余的热量通过热交换导出，则氧化器可以持续不断地运行，导出的热量可以用来供热或发电。要使余热发电系统能够稳定运行，通常需要CH4体积分数不低于0.5%，当乏风瓦斯中的CH4体积分数低于0.5%时，需要补充一些低浓度瓦斯(CH4体积分数30%～40%)。

乏风瓦斯发电项目的系统工艺流程见图1。

图1 系统工艺流程

3 效益分析

重庆某煤矿风井排风量为700 000 m3/h，乏风瓦斯中的CH4体积分数为0.6 %，安装8台单台处理能力为62 500 m3/h乏风瓦斯的TFRR，总处理能力为500 000 m3/h。乏风瓦斯发电系统的主要参数见表1。

表1 主要参数

3.1 净发电收益分析

每小时CH4氧化产生的热功率：

Q1=1 000Vφη1q1/(22.4×3 600)

(2)

式中：V为每小时处理的乏风瓦斯体积，m3/h；φ为乏风瓦斯中的CH4体积分数；η1为TFRR的CH4氧化效率；CH4氧化时产生的热量q1=801.3 kJ/mol。以CH4体积分数0.6%、CH4氧化效率97%计，Q1为28 916 kW。

TFRR自身散热损失取1%，余热锅炉效率80%，汽轮发电机组效率26%，可发电量为5 954 kW。

可配6 MW汽轮发电机组一套，扣除1 400 kW厂用电，净发电量可达4 554 kW。

煤矿瓦斯发电上网电价比照生物质发电项目上网电价[3]。目前，重庆地区煤矿瓦斯发电上网电价为0.583元/(kW·h)，按年运行7 800 h计，净发电年收益为2 070.89万元。

3.2 减排收益分析

项目可减少温室气体的排放，所获得的碳减排量可以用于碳交易。碳交易主要有两种途径：一种是通过清洁发展机制(CDM)参与国际碳市场交易；二是参与国内碳排放权交易。

由于近几年欧洲经济形势不佳，国际碳价已经由2008年前的10～30欧元/t跌至0.1欧元/t以下。除非国际碳价大幅度回升，否则依靠CDM获得的经济收益将接近为零。

我国从2011年10月开始在北京市、天津市、上海市、重庆市、湖北省、广东省及深圳市等7个省市开展碳排放权交易试点，目前碳交易价格在20～50元/t。项目总的减排量为CH4消除引起的减排量加上净发电替代电网电力所获得的减排量[4]。估算得到的项目减排量见表2。

表2 碳减排量估算 t

按碳价25元/t计，碳交易年收益约为916.75万元。

3.3 经济性分析

根据《建设项目经济评价方法与参数》[5]，由以上数据计算后得到的经济性指标见表3。

表3 经济性指标

由表3可知：财务内部收益率为23.92%，远大于行业基准收益率8%；累计财务净现值6 060.18万元，远大于零；投资回收期3.69年。以上表明，项目的财务盈利能力较强，具有很好的经济效益。

3.4 其他因素分析

项目的总投资、年运行小时数、上网电价、售碳价是主要的不确定因素。各因素的单因素敏感分析见表4～表7。

表4 总投资敏感性分析

表5 上网电价敏感性分析

表6 年运行小时数敏感性分析

表7 售碳价敏感性分析

由表4～表7可以看出：在考虑了总投资、上网电价、年运行小时10%的变化范围后，项目的盈利能力仍然好；考虑到售碳价受政策影响较大，即使售碳价为零时，内部收益率还是能够达到9.08%，投资回收期为6.4年，项目仍然可行。

4 结语

通过以上分析，可以得出以下结论：

(1) 乏风瓦斯发电利用项目，能够减少温室气体排放，获得巨大的环保效益。通过向电网出售电力以及碳交易，可以获得较好的经济收益。

(2) 即使不考虑碳交易收益，仅仅考虑售电获得的收益，乏风瓦斯发电项目仍然是可行的。

(3) 国家能源局提出要“加快实施低浓度瓦斯液化浓缩和风排瓦斯利用示范项目”[6]，为乏风瓦斯发电项目的实施提供了政策支持，预示此类项目将会有更大的发展前景。

[1] 王鑫阳,杜金.浓度低于1%的矿井瓦斯氧化技术现状及前景[J]. 煤炭技术，2008(9):1-3.

[2] 袁亮. 中国煤矿区煤层气清洁发展机制项目开发理论与实践[M]. 北京：煤炭工业出版社，2008.

[3] 国家发展和改革委员会. 国家发展改革委印发关于利用煤层气(煤矿瓦斯)发电工作的实施意见的通知：发改能源(2007)721号[A/OL]. [2007-04-16]. http://www.gov.cn/zwgk/2007-04/16/content_583702.htm.

[4] 国家发展和改革委员会. 回收煤层气、煤矿瓦斯和通风瓦斯用于发电、动力、供热和/或通过火炬或无焰氧化分解[EB/OL]. [2013-01-29]. http://www.ccchina.gov.cn/archiver/cdmcn/UpFile/Files/Default/20130311165532236827. pdf.

[5] 国家发展和改革委员会, 中华人民共和国建设部. 建设项目经济评价方法与参数[M]. 北京：中国计划出版社，2006.

[6] 国家能源局. 国家能源局关于印发煤层气勘探开发行动计划的通知：国能煤炭[2015]34号[A/OL]. [2015-02-03]. http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto85/201502/ t20150216_1890.htm.

Feasibility Analysis on Power Generation with VAM

Zhang Zhihong1,2, Yan Naiqiang1

(1. School of Environmental Sciences and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

An introduction is being presented to principles and process flow of the power generation technology with ventilation air methane (VAM), together with an analysis on economic feasibility of corresponding power generation projects using VAM, which may serve as a reference for similar domestic projects.

coalbed methane; ventilation air methane; power generation; economy

2015-03-04

张志洪(1981—)，男，高级工程师，主要从事电站锅炉、环保专业设计工作。

E-mail: zhangzhihong@speri.com.cn

X701

A

1671-086X(2015)04-0291-03