丁集煤矿超低浓度瓦斯氧化供热技术应用研究.pdf

doi 10. 11799/ ce202009007 收稿日期 2019-05-09 作者简介 柏 琳1980, 男, 安徽六安人, 高级工程师, 主要工作领域为热能工程及仪表与检测工程设计, E-mail berlinbell sina. com。 引用格式 柏 琳. 丁集煤矿超低浓度瓦斯氧化供热技术应用研究 [J]. 煤炭工程, 2020, 529 33-36. 丁集煤矿超低浓度瓦斯氧化供热技术应用研究 柏 琳 煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司, 安徽 合肥 230041 摘 要 针对丁集煤矿抽放排空超低浓度瓦斯造成的能源浪费和环境污染, 介绍了超低浓度瓦 斯甲烷浓度 7以下回收利用技术, 经配气掺混后瓦斯浓度降低至 1. 2送入蓄热式氧化装置, 生 成 900℃以上高温烟气, 通过烟气余热锅炉生成中温中压蒸汽供背压式汽轮发电机组发电和供热, 实现热电联产。 描述了应用低浓度瓦斯二次掺混输送技术解决浓瓦斯安全输送问题的方法, 应用瓦 斯氧化低温热风回用技术提高蓄热氧化炉热效率的方法, 以及应用背压式汽轮机和后置机组合热电 联产技术解决机组平稳运行与丁集煤矿热负荷波动大难适应问题的方法。 最后, 分析了丁集煤矿超 低浓瓦斯氧化利用工程的经济和社会效益。 关键词 超低浓度瓦斯; 瓦斯蓄热氧化; 煤矿热负荷; 后置机组; 热电联产 中图分类号 TD712. 67 文献标识码 A 文章编号 1671-0959202009-0033-04 Application of ultra-low concentration gas oxidation heating technology in Dingji Coal Mine BAI Lin Hefei Design and Research Institute of Coal Industry Co. , Ltd. , Hefei 230041, China Abstract Aiming at the energy loss and environment pollution caused by the discharge of ultra-low concentration gas in Dingji Coal Mine, the recovery and utilization technology is introduced for ultra-low concentration gas, the methane concentration of which is below 7. The methane concentration is reduced to 1. 2 after mixing with air. It is fed to the regenerative thermal oxidizer to generate high-temperature above 900℃ flue gas, and medium-temperature and medium-pressure steam is generated for power generation and heating of back-pressure steam turbine through flue gas waste heat boiler. The secondary mixing transportation technology of low-concentration gas is used to ensure the safe transportation of concentrated gas, the low -temperature hot air reuse technology of gas oxidation is used to improve the thermal efficiency of regenerative thermal oxidizer furnace, and the combined heat and power technology of back-pressure turbine and post turbine is applied to stabilize the turbine operation and adapt to the great fluctuation of thermal load in Dingji Coal Mine.At last, the economic and social benefits are analyzed. Keywords ultra-low concentration gas; gas thermal storage oxidation; coal mine heat load; post turbine; combined heat and power generation 根据 煤矿瓦斯发电工程设计规范 GB 511342015, “高浓度瓦斯” 是指 “甲烷体积浓 度大于或等于 30的经煤矿瓦斯抽采系统抽出或排 出的瓦斯”, “低浓度瓦斯” 是指 “甲烷体积浓度大 于或等于 7且小于 30的经煤矿瓦斯抽采系统抽出 或排出的瓦斯”。 甲烷体积浓度小于 7的瓦斯由于 无法直接用于发电, 故在规范中未对其进行明确定 义, 但因其甲烷浓度比 “低浓度瓦斯” 还低, 可以 称其为“超低浓度瓦斯” [1-6]。 随着煤矿生产对瓦斯治理的日益重视, 以及对 治理成本的补偿, 瓦斯由抽放排空逐渐过渡到抽采 利用。 煤矿低浓度瓦斯输送安全保障系统设计规 范 AQ 1076、煤矿瓦斯发电工程设计规范 GB 51134等规范的实施, 也为高、 低浓度瓦斯利 33 第52卷第9期 煤 炭 工 程 COAL ENGINEERING Vol. 52, No. 9 万方数据 品 温 烟 气 用的工程建设提供了法规保障。 高、 低浓度瓦斯利 用日益广泛, 然而超低浓度瓦斯由于受到安全、 技 术、 法规 等 各 因 素 制 约, 其 利 用 仍 存 在 巨 大 空白[7-10]。 统计数据显示, 2016 年我国煤矿瓦斯排放量为 2. 02 亿 t, 排放的甲烷超过 80来自通风瓦斯, 剩 余抽排瓦斯中的 70 80为低浓度瓦斯, 浓度为 325。 瓦斯空排在造成能源浪费的同时, 也对 环境造成污染[11-15]。 1 超低浓度瓦斯中蕴含的能量 1Nm3甲烷的低位热值为 35881kJ, 1kg 标煤的 低位热值为 29271kJ/ kg。 1Nm3甲烷热值相当于 1. 226kg 标煤。 淮南丁集煤矿历年的抽采瓦斯纯量平均约为 70Nm3/ min, 其中高浓度瓦斯发电利用量约 10Nm3/ min, 低浓度瓦斯发电利用量约 24Nm3/ min, 剩下的 超低浓度瓦斯 36Nm3/ min 得不到利用直接排空。 由式 1可知, 丁集煤矿每分钟排空的超低浓度瓦斯能量 折算标煤约 44kg。 B G k b1 式中, B 为折标煤量, kg/ min; G 为 混合瓦斯 量, Nm3/ min; k 为瓦斯中甲烷体积浓度,; b 为甲 烷折标煤量, kg/ Nm3, 取 1. 226。 2 超低浓度瓦斯的氧化产热 利 用 蓄 热 式 氧 化 装 置 Regenerative Thermal Oxidizer,RTO对超低浓度瓦斯中的甲烷进行氧化, 其 产生的热量除了满足自身的氧化反应用热, 还可以有 多余热量输出并得到利用。 商用的 RTO 装置目前均 采用流向变换热反应器TFRR的原理, 如图 1 所示。 图 1 超低浓度瓦斯氧化-流向变换热 反应器TFRR原理图 RTO 装置运行时, 开启阀 1 关闭阀 2, 低温的超 低浓度瓦斯进风进入蓄热器 2 中吸热, 蓄热器 2 降 温, 进风达到反应温度后在热氧化室发生氧化放热反 应, 成为高温烟气。 高温烟气与蓄热器 1 换热, 蓄热 器 1 升温, 高温烟气降温后流出。 紧随其后关闭阀 1 开启阀 2, 进风流向改变, 超低浓度瓦斯进风进入蓄 热器 1 中吸热, 蓄热器 1 降温, 进风达到反应温度后 在热氧化室发生氧化放热反应, 成为高温烟气。 高温 烟气与蓄热器 2 换热, 蓄热器 2 升温, 高温烟气降温 后流出。 如此往复, 使得反应可以持续进行。 在装置启动时, 蓄热器 2 需由外界输入热量, 保证超低浓瓦斯经过该蓄热器时能吸热, 然后在热 氧化室发生氧化反应放热。 氧化反应的放热量与进 风瓦斯的甲烷浓度正相关。 一般情况下, 当进风瓦 斯的甲烷浓度达到 0. 2时, 氧化反应生成的热量即 可保证自持, 不需外界额外输入热量。 当甲烷浓度 超出自持浓度时, 生成的多余热量可由热氧化室直 接取出加以利用。 3 热负荷及热源条件分析 丁集煤矿热负荷主要有冬季采暖、 井筒防冻, 夏季井下降温及全年的洗衣烘干和洗浴, 详见表 1。 表 1 丁集煤矿蒸汽热负荷统计表 项目用汽压力/ MPa 采暖期/ th -1 最大平均最小 制冷期/ th -1 最大平均最小 非采暖非制冷期/ th -1 最大平均最小 降温0. 616. 5115. 55. 55. 55. 5 保温0. 39. 85. 043. 23 干衣0. 60. 360. 2400. 360. 2400. 360. 240 采暖0. 32. 11. 681. 47 洗浴0. 34. 84. 403. 02. 704. 03. 60 合计17. 0611. 364. 719. 8613. 945. 59. 869. 345. 5 由表 1 可见, 丁集煤矿蒸汽热负荷在采暖期和 制冷期内, 波动较大, 最大值约为最小值的 3. 6 倍。 非采暖非制冷期内较为平衡。 此外最低用汽压力 0. 3MPa, 对 应 饱 和 温 度 144℃, 最 高 用 汽 压 力 43 设计技术 煤 炭 工 程 2020 年第 9 期 万方数据 0. 6MPa, 对应饱和温度 165℃, 对热源品质要求较 高。 在以上各种热负荷中, 由于洗浴热水温度一般 不超过 50℃, 对能源的品位要求较低。 可考虑采用 其他低品位热能代替较高品位的蒸汽热能, 减少能 源获得成本。 丁集煤矿锅炉房原建有 4 台 8t/ h 燃煤蒸汽锅 炉, 承担着全矿的供热。 由于建设年代较早, 排放 标准较低, 和现有环保标准差距较大, 已被当地政 府要求关停。 在此背景下, 丁集煤矿 2015 年即筹备 供热改造项目, 拟替代燃煤实现供热。 根据丁集煤 矿实际条件, 电力、 燃气瓦斯、 矿井回风热能、 瓦斯氧化热能、 瓦斯发电余热、 设备冷却排热等均 有潜力作为热源, 但要真正实现燃煤替代, 还应具 备热源品质、 数量满足要求热负荷对质和量的要求、 易获得及廉价等特点。 电力作为高品质的二次能源, 满足质、 量要求, 也易获得, 但工业电价相对昂贵, 用于供热其成本 较高。 燃气瓦斯经用燃气锅炉可制蒸汽供热, 品 质可以满足热负荷要求, 但燃气瓦斯量较少。 丁 集煤矿周边无天然气管线。 矿井抽排的高浓瓦斯约 10Nm3/ min, 即使停止供高浓瓦斯发电机组发电, 全部用来制热, 供热功率不超过 6MW, 折合蒸汽不 超过 8. 5t/ h, 无法满足制冷期和采暖期热负荷对供 应量的需求。 瓦斯发电机组的烟气余热经余热锅炉 制蒸汽, 根据丁集煤矿低浓瓦斯发电机组配置情况 及可供瓦斯量情况, 最大供汽不超过 2. 5t/ h, 依然 无法满足最大热负荷的需求。 矿井回风热能、 瓦斯 发电缸套水余热和设备冷却水冷排热, 由于提取 热量的热媒为水, 一般情况下也无法满足蒸汽热负 荷对热源品质的要求。 瓦斯氧化热能具有品质高、 数量大、 易获得及廉价的特点, 对丁集煤矿而言是 代替燃煤的最佳选择。 丁集煤矿可供氧化的超低浓 瓦斯 36Nm3/ min, 经氧化装置氧化后的高温烟气再 经余热锅炉制蒸汽, 产汽量不少于 20t/ h。 4 超低浓瓦斯氧化及低温热能利用工程设计 丁集煤矿可供应甲烷浓度 7以下的瓦斯纯量约 36Nm3/ min。 依 据 这 一 条 件, 建 设 两 台 进 风 量 90000Nm3/ h 的 RTO, 进风瓦斯浓度 1. 2, 可从热 氧化室取出的高温烟气量约为 23000Nm3/ h, 温度可 达 960℃。 这部分温度达 960℃的高温烟气送入烟气 余热锅炉生产过热蒸汽, 即可用来驱动汽轮机组发 电和供热。 排烟温度按 100℃ 考虑, 23000Nm3/ h 的 960℃烟气可提供的热量高达 7877kW。 单位瓦斯的 供热量达 26257kJ/ Nm3, 热效率约为 73. 2。 为了降低进入 RTO 的瓦斯浓度至 1. 2及以下, 以策安全, 对抽放站抽排的 7以下浓度瓦斯采取了 两级掺混设计。 一级掺混设在抽放站, 通过掺入空 气将瓦斯浓度降至 3以下, 二级掺混设在 RTO, 将 瓦斯浓度由 3降至 1. 2。 一、 二级掺混设施距离 约为 500m。 和掺混空气相比, 掺混煤矿乏风, 可以回收额 外的瓦斯, 对超低浓瓦斯利用是一种有益的补充。 在外部条件允许的情况下应予优先考虑。 丁集煤矿 风井距离 RTO 装置较远, 按 7浓度的低浓瓦斯掺 0. 23的煤矿乏风计算, 经济流速下所需乏风风管 直径约 2. 3m, 管径较大, 在工业广场内布置较为困 难。 因此工程实施时考虑就近掺混空气。 相对传统 的低浓瓦斯细水雾安全输送系统、 两相流安全输送 系统或喷粉安全输送系统, 两级掺混设计降低了瓦 斯输送系统的初始投资及运行费用, 同时也解决了 长距离低浓瓦斯安全输送问题。 为了最大限度地利用 RTO 排烟余热, 提高装置 热效率, 将 RTO 的低温烟气进行回用。 在设计工况 下, 90000Nm3/ h 进风的 RTO, 除高温烟气外, 尚有 67000Nm3/ h 低温烟气厂家资料说明高出进风温度 约 50℃从装置排出。 将部分低温烟气引入二次掺 混装置入口作为配气, 既可以代替空气稀释瓦斯浓 度, 同时也加热了 RTO 的进风, 回收了低温烟气的 热能。 超低 浓 瓦 斯 氧 化 部 分 工 程 建 设 规 模 为 2 90000Nm3/ h 瓦斯氧化装置210t/ h 中温中压烟气 余热蒸汽锅炉11MW 背压式汽轮发电机组1 3MW 凝汽式汽轮发电机组后置机, 并配套建设超 低浓瓦斯掺混系统。 此部分工程在满足煤矿蒸汽热 负荷的同时, 兼顾发电。 低温热能利用部分工程对 丁集煤矿 3 台 820kW 离心式空压机冷却系统和 9 台 600kW 低浓瓦斯发电机组缸套水系统进行了改造, 建设 9435kW42204kW 板换含备用及保护板 换, 提取空压机余热和瓦斯发电机组的缸套水余热 向煤矿提供洗浴热水。 5 经济和社会效益 丁集煤矿超低浓瓦斯氧化与及低温热能利用工 程 2019 年 1 月 25 日通过 72h 试运转, 目前进入试 生产阶段。 经测算, 项目竣工投产后, 全年发电量 53 2020 年第 9 期 煤 炭 工 程 设计技术 万方数据 17. 6GWh, 供热量 22 万 GJ, 扣除自用电后, 全 年外供电量 11. 3GWh, 供热供电年创产值约 1700 万元, 年创利税约 370 万元, 有着较好的经济效益。 该工程每年回收利用的超低浓瓦斯约 1555 万 Nm3, 直接减少二氧化碳排放 20. 3 万 t。 工程供电供热替 代煤炭当量值及节煤量合计1. 3 万 t 标煤, 间接减少 二氧化碳排放 3. 3 万 t, 合计减排量达 23. 6 万 t。 另 外新增就业岗位 40 余个, 社会效益显著。 6 结 语 利用超低浓瓦斯氧化进行热电联产, 目前国内成 功案例屈指可数。 该工程在丁集煤矿运转情况完全达 到了设计目的, 燃煤锅炉房关停, 供热替代平稳过 渡, 既完成了的环保要求, 又实现了经济效益。 此外 该工程通过 BOT 方式运行, 还减轻了煤矿的供热管理 负担。 工程的成功离不开事前缜密筹划。 技术方案上 反复比较, 采用热能梯级利用的方式, 降低成本。 工 程运营管理上引入对 RTO 及热电站有成熟运营经验 的第三方团队, 缩短建设周期和人员与设备的磨合 期。 各方面务必互相匹配、 衔接有序, 才能使得工程 达到一个满意解。 随着政府部门对环境保护力度的不断加大, 煤 矿现有的环保措施不到位或蒸发量不达标的燃煤锅 炉均被要求限期拆除或整改。 发掘煤矿现有副产品 或现有设施的供热潜能, 代替燃煤供热, 既是应对 环保压力的可选之道, 也是企业节能增效的有效之 策。 抽放排空的超低浓度瓦斯经过氧化装置的点石 成金, 变成有巨大供热潜力高品质能源, 应当也必 然会受到更多的重视。 参考文献 [1] 冯 兵. 60000Nm3/ h 煤矿瓦斯蓄热氧化装置设计开发 [D]. 济南 山东大学, 2018. 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