煤矿乏风氧化利用

分类：矿业论文发表 时间：2020-02-12 09:19 关注：(1)

　　将常村煤矿中央回风井中无法利用的煤矿乏风中所含极低浓度的瓦斯在人为环境下强制氧化，并对氧化产生的氧化热进行合理利用，通过余热锅炉产出高温高压的蒸汽与常规发电技术的对接，使瓦斯得到彻底的综合利用，实现煤矿循环经济的新飞跃，为同类型矿井的瓦斯利用提供借鉴与示范。

　　关键词：常村煤矿；乏风氧化；瓦斯治理；节能减排

　　瓦斯是影响中国煤矿安全生产的主要因素，一般煤矿会采取有效的通风措施对井下瓦斯进行排放，从而形成大量的乏风瓦斯。如果不加以利用乏风瓦斯中的CH4，而是直接排放，会产生非常强的温室效应，污染环境。若将如此量大的CH4经过氧化，使其转化为低温室效应的CO2，CO2的减排量将较大。常村煤矿乏风瓦斯具有CH4体积分数小（小于0.75%）、富集难、气量大等特点，从技术和经济角度对乏风进行氧化利用具有较好的实践意义[1]。

　　1工程概况

　　常村煤矿隶属于山西潞安集团，是借助世界银行贷款建设的一座现代化矿井，设计生产能力6.0×106t/a。井田范围为南北17km，东西7.4km，地质储量1.109544×109t，可采储量0.943992×109t。主采3#煤层的储量占76%，平均厚度为6.02m，倾角为3°～6°。矿井为中央立井开拓方式，中央并列抽出式通风，工作面沿走向布置，回采方法有分层金属网假顶垮落法和一次采全高低位放顶煤垮落法两种。矿井瓦斯涌出量较大，属高瓦斯矿井。常村煤矿的商品煤煤种为低中灰、特低硫、低磷、特高发热量的贫煤，发热量为28826.118kJ，是优质动力和化工用煤，适用于化工、发电、高炉喷吹等。商品煤品种有洗大块、洗中块、洗小块、洗混块及混煤、末煤[2]。常村煤矿现有风井排出的乏风总量一直稳定在23000m3/min，CH4体积分数一般在0.2%～0.3%之间。另外，风井附近（100m处）建有瓦斯抽放站，大量的瓦斯被排空（CH4体积分数为25%～30%）。拟采用常用的配气手段将此抽放站的瓦斯掺混在乏风中，以进一步保证乏风中CH4体积分数的稳定性，提高设备的氧化效率，提升温室气体减排效果[3]。该矿区已经建有10kV供电专线，且建有2×50000kV·A供电变压器，现在用电2×10000kV·A，有足够的供电能力。由此可以看出，常村煤矿完全具备乏风氧化利用的基本条件。

　　2煤矿乏风氧化利用方案

　　2.1乏风氧化工程整体方案

　　利用常村煤矿现有预留场地，建成“1.08×106m3/h”级的煤矿乏风氧化工作站，在高温环境下对一直向空气中排放的煤矿乏风瓦斯进行氧化摧毁，将CH4变为低温室效应的CO2；CH4氧化过程中释放出的热量由反应后的气体带出，通过热交换器（余热锅炉）产生高温高压蒸汽，进入汽轮发电机组发电[4]。项目建设从煤矿乏风风井软连接口开始，经由管道到乏风氧化装置、氧化热利用装置（蒸汽利用与发电）和热风排放口。图1所示为乏风氧化利用示意图。在现有矿区内一片50m×300m的空白区域放置乏风氧化装置RTO及余热发电装置，主要设备的控制室与RTO控制室合并，设置在该区域的中间位置，主要设备占地面积：余热锅炉（柱中心距）27m×12m，汽轮发电机房36m×18m，空气冷凝器42m×20m，控制室9m×18m。

　　2.2乏风氧化工程设计规模和技术经济指标

　　2.2.1设计规模根据煤矿的具体乏风排放情况，设计处理规模为“1.08×106m3/h”级，安装12台双塔模块单元，目的是消除目前排放到大气乏风中的CH4。同时，氧化所产生的过量热能将被排到烟气管线。当乏风的CH4体积分数为1.2%时，CH4的摧毁效率可以达到95%，在满负荷运行情况下，每年将摧毁8.126×107Nm3CH4。2.2.2乏风氧化工程的技术经济指标设计处理乏风CH4体积分数为1%～1.2%，氧化处理率在95%以上，单台处理量为90000m3/h，设计总处理量为1.08×106m3/h。2.2.3氧化热利用方式氧化热利用以发电为主（冬季首先满足煤矿井口热风取暖需求，多余热风用于发电）2.2.4设备的技术指标设备能耗如表1～2所示。计算总能耗时考虑安全系数取1.05。

　　2.3余热发电工程设计规模和主要技术参数

　　结合本工程实际情况，拟建设规模30MW的纯凝气高温高压空冷汽轮发电机组一套，参数如下：a)余热锅炉（1台），型号Q306.78/954-117-9.8/540；蒸汽压力9.8MPa；蒸汽温度540℃；蒸发量117t/h。b)汽轮发电机组，型号N30-8.83/535；设计容量30MW；蒸汽压力8.83MPa；蒸汽温度535℃；空冷，凝气压力20kPa；常压热力除氧。

　　3结语

　　a)建设“1.08×106m3/h”级的大规模煤矿乏风氧化利用工程，最大化利用无法利用的煤矿乏风资源，氧化摧毁CH4，并将带动发电，每年可回收电力2×108kW·h。b)开创新型产业模式，符合国家政策导向，高度结合国际节能减碳、抑制地球温暖化的发展趋势，具有极大的社会效益和通过国际碳交易带来的良好经济效益，对促进地方经济发展有益。c)针对尚无先例的煤矿乏风进行氧化，回收利用氧化热，可充分提高资源利用率。其中，氧化以后的排风成分接近加热空气，可作为冬季煤矿井筒热源利用。d)采用高温处理方法进行CH4氧化摧毁，无次生污染，既有益于维护地球环境，又带来极高的社会效益。

　　参考文献：

　　［1］张田.煤矿乏风瓦斯预热催化氧化数值模拟［D］.淄博：山东理工大学，2014.

　　［2］黄和文.煤矿低浓度瓦斯热氧化发电利用［J］.能源与环境，2013(4)：30-31.

　　［3］田振林.彬长矿区煤层气“零”排放技术研究与实践［J］.中国煤层气，2013，10(4)：38-39.

　　［4］周娴.煤矿乏风低浓度甲烷氧化处理实验研究［D］.北京：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)，2009.

　　作者：李浩 单位：山西潞安金源煤层气开发有限责任公司

　　的CO2；CH4氧化过程中释放出的热量由反应后的气体带出，通过热交换器（余热锅炉）产生高温高压蒸汽，进入汽轮发电机组发电[4]。项目建设从煤矿乏风风井软连接口开始，经由管道到乏风氧化装置、氧化热利用装置（蒸汽利用与发电）和热风排放口。图1所示为乏风氧化利用示意图。在现有矿区内一片50m×300m的空白区域放置乏风氧化装置RTO及余热发电装置，主要设备的控制室与RTO控制室合并，设置在该区域的中间位置，主要设备占地面积：余热锅炉（柱中心距）27m×12m，汽轮发电机房36m×18m，空气冷凝器42m×20m，控制室9m×18m。

　　2.2乏风氧化工程设计规模和技术经济指标

　　2.2.1设计规模根据煤矿的具体乏风排放情况，设计处理规模为“1.08×106m3/h”级，安装12台双塔模块单元，目的是消除目前排放到大气乏风中的CH4。同时，氧化所产生的过量热能将被排到烟气管线。当乏风的CH4体积分数为1.2%时，CH4的摧毁效率可以达到95%，在满负荷运行情况下，每年将摧毁8.126×107Nm3CH4。2.2.2乏风氧化工程的技术经济指标设计处理乏风CH4体积分数为1%～1.2%，氧化处理率在95%以上，单台处理量为90000m3/h，设计总处理量为1.08×106m3/h。2.2.3氧化热利用方式氧化热利用以发电为主（冬季首先满足煤矿井口热风取暖需求，多余热风用于发电）2.2.4设备的技术指标设备能耗如表1～2所示。计算总能耗时考虑安全系数取1.05。

　　2.3余热发电工程设计规模和主要技术参数

　　结合本工程实际情况，拟建设规模30MW的纯凝气高温高压空冷汽轮发电机组一套，参数如下：a)余热锅炉（1台），型号Q306.78/954-117-9.8/540；蒸汽压力9.8MPa；蒸汽温度540℃；蒸发量117t/h。b)汽轮发电机组，型号N30-8.83/535；设计容量30MW；蒸汽压力8.83MPa；蒸汽温度535℃；空冷，凝气压力20kPa；常压热力除氧。

　　3结语

　　a)建设“1.08×106m3/h”级的大规模煤矿乏风氧化利用工程，最大化利用无法利用的煤矿乏风资源，氧化摧毁CH4，并将带动发电，每年可回收电力2×108kW·h。b)开创新型产业模式，符合国家政策导向，高度结合国际节能减碳、抑制地球温暖化的发展趋势，具有极大的社会效益和通过国际碳交易带来的良好经济效益，对促进地方经济发展有益。c)针对尚无先例的煤矿乏风进行氧化，回收利用氧化热，可充分提高资源利用率。其中，氧化以后的排风成分接近加热空气，可作为冬季煤矿井筒热源利用。d)采用高温处理方法进行CH4氧化摧毁，无次生污染，既有益于维护地球环境，又带来极高的社会效益。

　　参考文献：

　　［1］张田.煤矿乏风瓦斯预热催化氧化数值模拟［D］.淄博：山东理工大学，2014.

　　［2］黄和文.煤矿低浓度瓦斯热氧化发电利用［J］.能源与环境，2013(4)：30-31.

　　［3］田振林.彬长矿区煤层气“零”排放技术研究与实践［J］.中国煤层气，2013，10(4)：38-39.

　　［4］周娴.煤矿乏风低浓度甲烷氧化处理实验研究［D］.北京：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)，2009.

　　作者：李浩 单位：山西潞安金源煤层气开发有限责任公司