罗申国

(煤炭工业太原设计研究院，山西 太原 030001)

0 引言

为了积极响应国家和山西省大气污染行动计划，霍尔辛赫煤矿2017年将燃煤锅炉改造为天然气锅炉，锅炉总容量为25 t/h，安装有2台10 t/h和1台15 t/h天然气锅炉，燃料来源为城市管网天然气，运行方式为采暖季3台锅炉全部运行，非采暖季只运行1台10 t/h锅炉，用于为煤矿洗浴热水提供加热蒸汽。天然气锅炉于2017年10月底投入运行，2017年采暖季5个月燃用天然气514万m3，共支付天然气燃料费用1 997万元。为了节省锅炉的运行燃料成本，拟将煤矿瓦斯抽采泵站目前排空的低浓度瓦斯回收废物利用，通过安装蓄热氧化机组将低浓度瓦斯氧化，尾部配置余热锅炉回收氧化机组排放的烟气余热，产生饱和蒸汽替代现有部分天然气锅炉为煤矿供热，从而减少天然气锅炉运行时间，减少天然气使用量。

1 工程概况

霍尔辛赫煤矿开采3#煤层，井田面积71.394 6 km2，3#煤层资源量共计545.30 Mt，可采储量为240.01 Mt，矿井设计生产能力3 Mt/a，服务年限61.5 a。矿井瓦斯平均含量6.87 m3，矿井瓦斯储量41.20亿m3，可抽放瓦斯总量19.57亿m3，瓦斯资源较丰富。地面固定瓦斯抽采泵站已建成投产，安装有4台水环真空泵，2运2备；根据霍尔辛赫瓦斯抽采泵站近3年抽采报表统计数据，2016年抽采瓦斯量941万m3、2017年抽采瓦斯量880万m3、2018年1月—8月19日抽采瓦斯量475.24万m3，抽采浓度在1%～30%(其中1%～5%浓度区间瓦斯抽采量)，抽采纯量6～22 m3/min，平均抽采纯量20.4 m3/min。利用煤矿固定地面瓦斯抽采泵站抽采系统抽放的瓦斯，燃料来源有保证。

2 氧化机组选型

从霍尔辛赫煤矿瓦斯抽放泵站抽放记录表的瓦斯参数可知，瓦斯抽采泵站抽采瓦斯平均纯量20.4 m3/min，平均瓦斯浓度5%，按混合空气后甲烷浓度1%计算，混合后的混合气量为122 400 m3/h。目前，国内外低浓瓦斯的利用主要有热氧化、催化氧化和作为辅助燃料3种利用方式[1-3]。采用热氧化方式利用低浓瓦斯的技术主要有重庆研究院和中国胜利动力机械集团公司(以下简称胜动集团)的热氧化技术、美国Megtec公司的Vocsidizer技术、德国EISENMANN的热氧化技术、英国Harworth公司的热氧化技术、加拿大Biothermica公司的VAMOXTM技术；采用催化氧化方式利用低浓瓦斯的技术主要有澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)的CAT技术、加拿大矿物与能源技术中心的CH4Min技术。热回流氧化器(TFRR)或再生热氧化器(RTO)由在工业领域得到广泛应用的VOC氧化器发展而来，其核心温度达1000℃，适用瓦斯浓度范围为0.2%至1.2%之间；是经过检验的切实可靠的技术，应用也已经得到证明，可以处理煤矿通风排出的所有低浓瓦斯[4-7]；但温度高，体积大，成本高昂。再生催化氧化器(RCO)工业应用已被证实，专用催化剂的技术已经获得很多国家认可，工作温度600～800 ℃，适用瓦斯浓度范围为0.2%～1.0%之间；相对前者来说其工作温度更低，因此很可能是成本最低的低浓瓦斯减排方案。可以处理煤矿通风排出的所有低浓瓦斯[8-10]；但体积较大，暂时无商业应用。将低浓瓦斯用做助燃空气使用适用于燃煤燃气锅炉，瓦斯发电机组，适用于任何浓度的瓦斯气体，无需特殊技术，煤矿排风井和瓦斯抽采泵站距离瓦斯电站较近时，其相对成本较低，可以利用部分低浓瓦斯；如果煤矿排风井和瓦斯抽采泵站距离瓦斯电站较远，通过管道输送大量低浓瓦斯供瓦斯电站用作燃烧空气投资费用大，经济性较差。

综上所述，虽然已经有一系列被开发出的低浓瓦斯利用技术，但只有热氧化技术(包括使用催化剂的技术和不使用催化剂的技术)是已实现工业化运行、较为成熟的技术；加拿大矿物与能源技术中心的CH4Min技术是研发比较早的一种低浓瓦斯催化氧化技术，但其商业化推广进展较慢。故本项目拟采用热氧化技术。根据瓦斯抽采气量，考虑到瓦斯抽采浓度波动和夏季供洗澡水用热负荷小的问题，拟配置2台6万m3蓄热氧化机组，每台蓄热氧化机组配套一台6 t/h余热蒸汽锅炉，产生饱和蒸汽(0.5 MPa)送至煤矿锅炉房现有分汽缸供热。

3 系统简介

3.1 低浓瓦斯安全输送系统

低浓度瓦斯输送安全保障系统执行《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》(AQ 1076—2009)中内燃机瓦斯发电管道输送安全保障系统设计要求。设计采用由水封阻火泄爆装置、自动喷粉抑爆装置和自动阻爆装置为主组成的低浓度瓦斯的输送安全保障系统，包括设备阀门和监控系统2部分。设备阀门主要包括水封阻火泄爆装置、自动抑爆装置抑爆器、自动阻爆阀门、湿式放散罐、电动调节阀等；监测控制系统由稳压电源、爆炸信号控制器、电气转换控制箱、传感器、声光报警器等组成。

低浓度瓦斯气源从泵站高低负压抽采系统放空管后预留接口接入，高负压抽采系统和低负压抽采系统预留接口管径均为DN600，接口后干管分别依次安装手动关断阀、橡胶软连接、湿式放散管、调节放散管、紧急放散管、快速切断阀、水封阻火器和手动关断阀，然后汇入总管DN600，再分两趟DN500低浓度瓦斯安全输送管路输送至掺混装置。两趟DN500低浓安全输送管路上依次安装自动阻爆阀门及干式泄爆器、自动抑爆装置抑爆器和水封阻火泄爆装置三级安全防护，然后两趟DN500管道合并为DN700母管进入掺混装置。水封阻火泄爆装置安设位置应尽可能靠近掺混装置入口；自动喷粉抑爆器的安设位置应距离相关输送管路上安装的最近的火焰传感器轴向距离40～50 m；自动阻爆阀门及配接的干式泄爆器距自动喷粉抑爆装置末端距离不大于10 m。火焰传感器和压力传感器设置在DN500管路上水封阻火泄爆装置后2 m处。

湿式放散管上安装有湿式放散阀，可设定放散瓦斯压力，当低浓度瓦斯压力超出设定值时，水封被击穿，自动通过湿式放散阀放空，可保护瓦斯抽采泵站超压，并阻止放散管火焰传播。调节放散管上安装有电动调节放散阀，可通过控制阀门开度调节排空瓦斯量，以控制进入输送系统管路的瓦斯量，防止进入氧化机组的瓦斯浓度超标。紧急放散管安装快速放散阀门，当事故停机时，快速开启放散阀排空。湿式放散管、调节放散管和紧急放散管合并成一路放散母管，并安装瓦斯专用阻火器，引至安全地点排放。当火焰、压力传感器监测到爆炸信号后，自动喷粉抑爆器和自动阻爆阀门动作，同时，水封阻火泄爆装置也起到实时泄爆和熄灭火焰的作用，在三级防护装置共同作用下，确保瓦斯输送安全。安全保障系统管道采用架空敷设，过道路处高度不小于4.5 m。管路在敷设沿线设置排水装置，方便排出管内积水。所有管件及管路应采用防腐与外保温处理，在阀门与设备处应放置清晰、醒目标志，加强日常维护及管理。

3.2 掺混系统

掺混系统由安装在抽采瓦斯管路上的DN700调节阀、DN700快速关断阀、掺混装置，以及瓦斯输送管路上安装的浓度传感器及流量传感器、压力传感器、混合后气体浓度传感器及流量传感器构成。掺混系统的处理量为12万m3/h，浓度范围0.3%～1.0%。掺混装置选用DN2000型掺混装置，掺混装置采用内、外相反方向螺旋形介质通道，使瓦斯和空气两种气体不断改变方向并增速，在掺混装置出口处进行掺混充分混合，保证混合气体均匀。掺混装置长度5 m，壁厚10 mm，与空气管道接口管径DN2000，与抽采瓦斯管路接口管径为DN700，混合后气体管道直径为DN2000。 为了避免冬季掺混装置内瓦斯(约20℃)与室外寒冷空气(-29 ℃)混合后温度降低，导致从泵站输送来的瓦斯气体中气态水凝结生成液态水，在冷空气中产生结冰现象，减小管路截面，影响气体输送安全，设计考虑从余热锅炉尾部引出一路低温烟气，通过管道送至掺混装置入口，先与空气混合提高气体温度至2 ℃以上再进行掺混。蓄热氧化装置入口配套的主风机控制进入氧化装置的风量恒定，当泵站提供的瓦斯气量变化时，吸入的室外空气量随着变化；当泵站提供的瓦斯浓度变化时，掺混装置出口混合管道中的甲烷浓度超过1%报警，同时通过放空管电动调节阀调节控制进入掺混装置的瓦斯量，多余部分排空；甲烷浓度达到1.2%时，停主风机和蓄热氧化机组；当掺混装置出口混合管道中瓦斯浓度低于0.5%时报警，低于0.3%时停主风机和氧化机组，同时关闭总管快速切断阀，打开放空管紧急放散阀排空。

3.3 蓄热氧化系统

瓦斯蓄热氧化系统主要由瓦斯蓄热氧化装置、主风机、燃烧系统、点火系统等几部分组成。瓦斯蓄热氧化装置主要由氧化室、蓄热室、气体分布室、炉墙、蓄热体、蓄热体支架、保温棉、起炉燃烧器等组成。主风机用来克服管路阻力，包括掺混系统阻力、蓄热氧化装置阻力、新风/热水加热器烟气侧阻力及相关的管道阻力。氧化装置启动气源是使用城市天然气，就近从煤矿锅炉房供气管道接入；一旦氧化装置的储热槽和催化床达到预先设定的温度，氧化装置本身将进行持续放热反应，燃烧器停止工作。燃烧器被安置于位于2个储热槽之间的混合室内，混合室与低浓瓦斯进气管道中间设置有储热槽进行隔离，阻止了可能的火焰扩散，燃烧器工作时不输入低浓瓦斯。燃料供应系统和点火系统采取了一系列安全措施，例如，瓦斯进气安全阀组设有稳压阀，用于稳定压力；设有高低压安全保护，若因燃烧器前瓦斯管路泄露等原因造成管路压力过低，则低压保护动作；若因燃烧器前瓦斯管路稳压阀坏掉，或是堵塞管路致使压力超高，则高压保护动作。另外点火系统燃料供应系统还设置有燃料快速切断阀、比例调节阀，根据氧化装置反应室内所需的温度变化来调节其开度，控制天然气用量，天然气量和助燃空气量同步变化以确保燃烧稳定。同时，设置有火焰探测器监测燃烧器工作状态，当燃烧器正常工作时，火焰信号显示；当燃烧器停止工作时，火焰熄灭，天然气供气管路电磁阀自动关闭快速切断气源，确保点火安全可靠。

3.4 余热回收系统

余热回收系统包括烟气系统、蒸汽系统、给水系统、排污系统、取样、加药和除氧系统等。从蓄热氧化装置出来的烟气通过烟道送至余热蒸汽锅炉进行换热，锅炉排出的烟气分2路，一路送至掺混装置，用于冬季加热掺混装置使用的冷空气；另一路通过烟囱排放；2台余热锅炉合用一座钢烟囱，直径2 m，高度20 m。余热锅炉蒸汽采用单母管系统，每台余热锅炉出口蒸汽支管(φ159 mm×4.5 mm)汇入蒸汽母管(φ219 mm×6 mm)，架空敷设送至现有燃气锅炉房分汽缸。给水管道(φ76 mm×3.5 mm)从现有锅炉房给水泵出口母管接入，送至余热锅炉区，再由支管(φ57 mm×3 mm)分别送至每台锅炉。给水泵、水处理系统、除氧器等辅助设备均利用天然气锅炉房现有，避免重复投资节省费用。另外还设置有2台空压机、冷干机及储气罐，为仪表提供仪用压缩空气。

4 结语

针对霍尔辛赫瓦斯抽放站抽放量及甲烷浓度和目前煤矿供热现状，本着充分利用低浓度瓦斯资源、节省煤矿天燃气锅炉运行成本费用、节能减排、造福社会，发展清洁能源，促进企业可持续发展的原则，利用霍尔辛赫瓦斯抽放站抽放的低浓度瓦斯通过蓄热氧化机组氧化，配套余热蒸汽锅炉回收高温烟气余热产生饱和蒸汽，替代现有部分天然气锅炉供热。该项目技术可行、投资成本低、为煤矿节省供热成本，同时将低浓度瓦斯加以利用还可获得国家补助。项目实施后，可替代现有12 t/h燃气锅炉供热，年节省天然气约332万m3，年节省燃料费约1 289万元，除去支付供热费用610万元，煤矿每年可节省运行成本约679万元；同时年利用低浓度瓦斯509万m3，获得减排收益204万元，具有较好的经济社会环境效益。同时，山西省也处于深化改革、传统产业绿色化改造的关口，瓦斯综合利用作为山西新能源产业的一环，对于煤矿乃至全山西的经济转型都有重要意义，低浓瓦斯蓄热氧化技术在其他有低浓度瓦斯尚未利用且有余热需求的煤矿均可推广应用。