瓦斯氧化热能梯级利用技术

　　超低浓度瓦斯的排空造成的资源浪费和环境污染是煤矿亟待解决的问题，同时，随着煤矿采深增加，热害问题日益严重。如何利用超低浓度瓦斯解决井下热害，对煤矿节能环保、安全高效运行具有重要的现实意义。文章对丁集煤矿采用超低浓度瓦斯蓄热氧化热能梯级利用技术（超低浓度瓦斯在ＲＴＯ氧化、余热锅炉热能转换、高温蒸汽发电、低温蒸汽井下降温）进行了分析，结果表明，该技术实施后不仅实现了矿区用电量的自给自足，而且井下降温效果良好（空气温度低于２７℃）。

　　关键词：超低浓度瓦斯；热能梯级利用；蓄热氧化；发电；集中降温

　　我国在传统能源方面具有多煤、少油、贫气的特点。２０１０－２０１７年煤层气抽采量总体上升而近两年略有回落，利用量逐年有增长，但利用率偏低（３０％左右）［１－２］。而井下瓦斯利用量和利用率不高的问题，主要是因为低浓度瓦斯（甲烷浓度小于３０％）的利用是一个难点［３－４］，尤其是甲烷浓度小于８％的超低浓度瓦斯，绝大部分直接排空，造成极大的环境污染和资源浪费。因此，开展超低浓度瓦斯利用技术的深入研究，形成低浓度瓦斯梯级利用技术体系，将极大地提高我国煤层气整体利用率［５－６］。与此同时，随着矿井开采深度增加，采掘工作面环境的热害日益严重，极大地影响了工人劳动效率和人身健康，也严重威胁井下安全生产［７－１０］。因此，创造清凉的井下劳动环境是国内外目前亟待解决的问题。基于此，将超低浓度瓦斯进行蓄热氧化，开展余热锅炉产生的高温蒸汽发电（背压式汽轮机组），低温蒸汽通过溴化锂机组井下降温的研究，形成高效、经济的超低浓度瓦斯氧化热能梯级利用技术，对促进超低浓度瓦斯的全面利用具有重要的现实意义［１１－１４］。

　　１工程概况

　　丁集煤矿是淮南矿业（集团）公司热害最严重的矿井之一，根据地质勘探钻井测温结果表明，为二级热害区。因此，丁集煤矿建设并投运了矿井集中降温系统。该系统分为地面集中制冷系统、井下供冷系统以及输冷管路系统。其中，地面系统供回水温度设计为２．５℃／１８℃，由蒸汽型双效溴化锂冷水机组加离心式冷水机组串联的两级制冷装置实现。第一级为蒸汽型双效溴化锂机组，将冷媒回水由１８℃降至５～７℃；第二级为离心式冷水机组，将５～７℃冷媒水降至２．５℃。每台蒸汽型双效溴化锂机组与一台离心式冷水机组组成一个制冷单元，三个制冷单元互为备用。由上述可见，矿井集中降温系统的核心环节是制冷，蒸汽型溴化锂冷水机组因其高效、稳定的优越性能在整个制冷系统中尤为重要。而蒸汽是溴化锂机组稳定运行的原始驱动力。稳定连续的蒸汽供应是溴化锂机组体现其优越性的重中之重。之前矿井蒸汽由４台蒸发量为８ｔ／ｈ的燃煤锅炉提供，锅炉２用２备。由于运行时间较长，锅炉效率下降，供给降温系统的蒸汽品质不能满足需要。加上《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》（国发［２０１３］３７号）、《安徽省人民政府关于印发安徽省大气污染防治行动计划实施方案的通知》（皖政［２０１３］８９号）、《淮南市人民政府办公室关于印发淮南市整治城区燃煤锅炉工作方案的通知》（淮府办［２０１３］１１９号）等文件要求，淮南潘谢矿区多数生产矿井均需对矿内的燃煤锅炉房进行供热改造，丁集矿燃煤锅炉改造刻不容缓，必须尽快寻求新技术改变这一现状。

　　２瓦斯蓄热氧化热能梯级利用技术

　　该技术利用矿井抽采出的８％以下的超低浓度瓦斯经一、二次掺混系统进入氧化炉氧化，通过瓦斯氧化产生９３０℃的高温烟气供给烟气余热锅炉。经过余热锅炉换热后产生过高压热蒸汽用于背压式汽轮机发电，同时过热蒸汽经减温减压后（低温蒸汽）通过溴化锂机组供矿井降温，其工艺流程如图１所示。２．１超低浓度瓦斯蓄热氧化ＲＴＯ蓄热氧化单元单体能处理９００００ｍ３／ｈ的瓦斯气，当甲烷浓度为１．２％时，甲烷摧毁效率达到９８．０％。系统运行参数如表１所示。从装置实际情况来看，各项参数达到了设计预期。２．２背压式汽轮机发电组合理选择背压机的容量，是关系到背压发电经济效益能否充分发挥的大问题。根据丁集矿ＲＴＯ高温烟气流量、温度等情况，背压式汽轮机采用单缸、单轴单级或多级背压式汽轮机。其参数为：①背压机额定功率１．１５ＭＷ，额定进汽流量１７．６ｔ／ｈ，进汽压力３．４３ＭＰａ，进汽温度４３５℃，排汽压力０．８ＭＰａ，排汽温度２８２℃；②减速箱额定功率１．５ＭＷ，输入转速９０００ｒ／ｍｉｎ，输出转速１５００ｒ／ｍｉｎ；③发电机额定功率１．５ＭＷ，额定电压１０５００Ｖ，功率因数０．８，额定转速１５００ｒ／ｍｉｎ，额定频率５０Ｈｚ，进风温度≤４０℃。２．３溴化锂机组溴化锂机组内部工作流程由冷剂水、溴化锂浓溶液的循环组成，机级内部为真空，内部由发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器四部分组成。供给矿井集中降温系统的蒸汽压力为０．６ＭＰａ，温度为１９５℃，流量为５．５ｔ／ｈ（单台溴化锂机组），完全超过溴化锂机组所要求的蒸汽品质。通过应用该技术，能够满足蒸汽型双效溴化锂机组的蒸汽需求。溴化锂机组设备配置情况见表２。

　　３应用效果分析

　　３．１ＲＴＯ运行测试分析

　　根据ＲＴＯ现场测试，低浓度瓦斯氧化系统气体进出口参数见表３。在低浓度瓦斯氧化系统中，ＣＨ４与Ｏ２发生化学反应，１体积ＣＨ４和２体积Ｏ２生成１体积ＣＯ２和２体积气态Ｈ２Ｏ，总气体体积保持不变。测试出口含氧量比６月２７日测试的降低了一个百分点，这是因为６月２７日进气口流量较大，降低了ＣＨ４与Ｏ２的反应几率。总体而言，ＲＴＯ运行ＣＨ４与Ｏ２发生化学反应的效果较好。

　　３．２背压式汽轮机组

　　分别对不同进汽压力、进汽温度、排汽压力下汽轮机组功率变化率的变化规律进行了测试，以及进气量对汽轮机组功率的影响规律进行了测试。测试结果如图２。从图２（ａ）可以看出，随着进汽压力增大，汽轮机功率变化率近似呈指数增大；从图２（ｂ）可以看出，随着进汽温度增大，汽轮机功率变化率呈线性增大；从图２（ｃ）可以看出，随着排汽压力增大，汽轮机功率变化率呈线性减小。从图３可以看出，背压式汽轮机组利用高温蒸汽月发电量可达到８０００００ｋＷ·ｈ，其中２月份是系统调试阶段，６月份系统验收，期间系统停机状态，所以相对发电总量较少。其它３个月份正常运行，月发电量７０００００～８０００００ｋＷ·ｈ，该系统运行稳定，高温蒸汽得以充分利用。同时，从图３可以看出，丁集矿区月用电量在６５００００ｋＷ·ｈ左右，低于发电量，即背压式发电机组的发电量完全可满足整个矿区的用电量。

　　３．３井下实际降温效果对比

　　溴化锂机组应用前后制冷量对比如表４所示，从表４可以看出，背压式发电机组排出的低温蒸汽用于溴化锂机组之后，蒸汽压力和流量都得到显著提高，尤其是制冷量提高４０％以上.井下不同位置的降温效果进行考察，如表５所示（选取了３个工作日）。从表５可以看出，井下不同地点在新技术使用前（供冷前）的温度均在２８℃以上，甚至达到３２℃，相对湿度９６％以上。在供冷降温后，井下温度均降至２７℃以下，相对湿度基本控制在７８％以下，达到了《煤矿安全规程》对井下空气温度的要求。

　　４结语

　　针对超低浓度瓦斯排空的资源浪费和环境污染问题，采用ＲＴＯ对超低浓度瓦斯进行蓄热氧化，通过余热锅炉的热能转换，形成高温蒸汽发电、低温蒸汽井下降温的热能梯级利用技术。该新技术在丁集矿的应用表明，超低浓度瓦斯氧化后的热能，采用背压式发电机组的发电量不仅可满足整个矿区的用电量，而且降温系统运行所需的低温蒸汽供应稳定，采取井下供冷措施以后，各掘进头面温度普遍降低３～５℃，平均温度在２５～２６℃，湿度降低了２０％，有效保证了煤矿安全生产的高效运行。同时该技术在丁集矿的成功实施，将为其它矿区节能环保提供有力的技术支撑。

　　作者：王永保 黄凤河 刘虎 单位：淮沪煤电有限公司 丁集煤矿

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