煤矿低浓度煤层气蓄热氧化供暖装备在高寒地区的应用

肖 露

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院）

煤层气是煤矿在开采过程中抽排出来的瓦斯（主要成分为甲烷），是一种具有强烈温室效应的气体，如果直接排放到大气中，它的温室效应要比二氧化碳大20倍。近年来，我国大气污染形势严峻，区域性大气环境问题日益突出，不仅损害人民群众的身体健康，还会影响社会的和谐稳定［1］。随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治压力继续加大［2］。为切实改善空气质量，国家制定了《大气污染防治行动计划》（国发〔2013〕37号）。该计划中明确提到，加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨（1蒸吨=0.7 MW）及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉，其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。

东北地区在我国属于典型的高寒地区，冬季煤矿井下工作面和工业场地建筑采暖任务艰巨。目前，用于采暖期煤矿井筒加热和建筑供暖的燃煤锅炉数量庞大，大量燃煤烟气的排放造成了严重的环境污染［3，4］。2018年，排放的抽采瓦斯量达到77亿立方米，产生的温室效应相当于1.05亿吨二氧化碳，其热值相当于9 430kt标煤发热量，造成了巨大的环保压力和能源浪费。在此背景下，笔者结合煤与煤层气供采共用技术［5～7］，利用低浓度抽采煤层气蓄热氧化技术和装备替代燃煤锅炉产生蒸汽，进行井筒进风加热，并为办公楼等其他用户供暖，不仅能够有效解决当前燃煤燃烧大气污染物超标的问题，减少大气污染物排放［8］，避免废水和固体废物的排放，具有良好的节能环保效益，同时利用排空的低浓度瓦斯，还可以节省燃煤消耗，获得抽采瓦斯利用补贴，为矿方带来经济效益。

1 矿井用热需求及供热现状

东北高寒地区某矿井目前的供暖方式［9］为通过工业广场内独立设置的燃煤锅炉房为用户供暖。其中，洗衣房和浴室、主副井筒防冻用热热媒为0.4 MPa的饱和蒸汽；其他建筑物采暖热媒为110℃热水和70℃热空气（由设在锅炉房内的汽-水换热器交换后供给），总体的燃煤锅炉供暖工艺流程如图1所示。井区共配置了4台燃煤锅炉进行供热，包括2台10 t热水炉、1台10 t蒸汽炉和1台6 t蒸汽炉。在采暖季，主要热负荷为井筒防冻、建筑物采暖、洗浴和衣物烘干，具体可根据实际用热情况启用不同数量的燃煤锅炉。在非采暖季，主要热负荷为洗浴，因此仅运行1台6 t蒸汽炉即可。

图1 燃煤锅炉供暖工艺流程

经过热量平衡计算，燃煤锅炉年消耗煤炭燃料30 kt，总耗电量4 352 085 kW·h。为实现所有供暖需求，该矿井年消耗煤量大，运行成本高。另外，根据环保要求，煤矿燃煤锅炉还需要进行脱硫除尘或清洁能源改造。

2 低浓度煤层气利用方案

该矿井抽采的原料气浓度仅7%，无法直接进入内燃机进行燃烧发电。如果进行提纯，则成本过高，产气率过低，经济性差，因此到目前为止，抽采的煤层气全部放空。

低浓度煤层气［10］蓄热氧化技术和装备是近年来发展起来的一种新型超低浓度煤层气利用途径，通过将空气（或乏风）与煤矿井下抽采的煤层气混配成甲烷浓度约1.2%的稳定气源，然后进入蓄热氧化供暖装备被加热、氧化并释放热量，随着装置的周期换向，装置进入自持运行稳定状态。通过连接配套的余热锅炉和蒸汽发电机组可对多余热能进行高效利用［11～13］。

由于煤层气浓度低且含有氧气，在利用过程中有爆炸风险，因此需要对工艺流程中各点的工艺参数进行精确控制［14］。结合高寒地区的现场条件，建议采用低浓度煤层气蓄热氧化供暖装备替代原矿井的燃煤锅炉。将泵站抽采的低浓度煤层气采用安全输送系统送至工业场地，通过蓄热氧化供暖装备产生高温烟气，进入锅炉，根据下游用热负荷产生蒸汽，从而加热井筒进风，并为办公楼、洗衣房及浴室等用户供热。在非供暖季，产生的蒸汽可带动蒸汽轮机发电，产生一定的经济效益。

在输送过程中，设置一个低浓度瓦斯混配系统，使泵站瓦斯与空气（或乏风）均匀混合，将浓度控制在1.2%以下，以保障装置安全平稳运行。图2为蓄热氧化工艺流程。

图2 蓄热氧化工艺流程

3 蓄热氧化供暖装备

3.1 矿井用热负荷计算

3.1.1 井筒防冻热负荷

按照GB/T 50466—2018《煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准》，入井风的耗热量Q计算式为：

式中 a——富余系数，取1.1；

Cp——空气比热容，kJ/（kg·℃）；

G——入井风量，m3/s；

基础病理学教学只针对疾病的普遍特征进行讲授，包括疾病的病因、发病机制、病理变化、结局和转归，其讲授的是疾病的基本特征，属于非专业性极强的医学课程，因此契合X型慕课，非职业“精英主义”的原则[4]。

tw——空气加热前的室外温度，℃；

γ——空气容重，kg/m3。

矿井所在地设计室外温度-21.83℃，进风立井进风量10 733 Nm3/min，则G=10733 Nm3/min÷60 m3/s=178.88 m3/s。经查表确定空气物性参数后，为保证进风温度达到2℃，入井风的耗热量Q=1.1×（10733 Nm3/min÷60 m3/s）×1.284 kg/m3×1.01 kJ/（kg·℃）×［2℃-（-21.83℃）］=6081 kW。

3.1.2 建筑物供暖热负荷

为满足风井广场建筑物采暖需求，需要将蓄热氧化供暖装备产生的余热用于供暖负荷。建筑物采暖主要包括室内散热器供暖和洗衣房、浴室供暖，其热负荷为5 258 kW。

矿井用总热负荷为6081 kW+5258 kW=11339 kW。

3.2 装置供热方案

在低浓度煤层气蓄热氧化供暖装备中，甲烷在装置内氧化形成高温烟气，然后被输送至锅炉内产生蒸汽，蒸汽进入换热器后加热空气和水。具体供热方案如下：

a.建设2套75 000 Nm3/h蓄热氧化供暖装备，原抽采泵站与新建抽采泵站处各建1套，相距1.5 km，考虑到换热效率和输送损失后，实际供暖能力为11 789 kW，满足极端最冷气象条件下的用热需求。

b.整套设备设计处理原料气甲烷浓度1.2%，满负荷运行时纯瓦斯消耗量为30 Nm3/min。

c.将新建泵站的蓄热氧化供暖装备产生的蒸汽输送至中央广场，2套装置的蒸汽合并后送到原锅炉房，与原供暖系统相接。

d.系统配置2台1 000 kW燃烧器，可在极端寒冷天气时增加供热能力。

e.供暖季（约174天）向矿区提供热量，实现井筒加热、矿区供暖和浴室供暖，运行电耗为2×400 kW。

f.非供暖季（约160天）输出蒸汽发电并向浴室供热，配1台发电机组，装机功率3 000 kW，发电功率2 748 kW，装置运行电耗2×450 kW，每个非供暖季共向外输送电量7 096 000 kW·h。

3.3 气源保障分析

矿井处于东北高寒地区，在供暖季，井下温度低于2℃，极端冷月温度可达-14.8℃。为了防止工作面结冻，顺利完成采煤作业，必须保证井下工作温度不低于2℃。因此，在采用蓄热氧化供暖装备进行供热时，为了防止煤矿采煤工作停滞，必须保障供热气源的稳定性和连续性。

表1为1～4月的矿井瓦斯泵站抽放量。由表1可以看出，在供暖季，该泵站目前可提供最少16.80 Nm3/min的纯瓦斯。根据矿井建设计划，在主回风井广场拟再新建一个抽采泵站，纯瓦斯量15 Nm3/min。因此，该矿井煤层气的抽放量最低将达31.80 Nm3/min。而本方案中，满负荷运行时的瓦斯消耗量只需要30 Nm3/min，因此该装置在供暖季可以满足热负荷需求，气源有保障。

表1 1～4月的矿井瓦斯泵站抽放量

3.4 安全保障措施

按照AQ 1076—2009《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》的要求，本装置设置了自动喷粉抑爆装置、水封阻火泄爆装置及自动阻爆装置等多重安全保障措施，能够有效保证低浓度瓦斯输送的安全性。设置了断电保护系统，能够保证停电工况下监控系统正常工作30 min，为快速反应、关断供气、打开旁通阀提供电源，同时安装在抽采瓦斯管道上的气动快关阀在停电时能自动关闭，阻止抽采瓦斯进入后续管路。设置了甲烷浓度超限保护系统，当进气浓度超限时，高精度甲烷浓度传感器能够快速精准测量，发出控制信号关闭装置进气阀、抽采瓦斯管道快关阀，打开装置旁通阀，保障系统的安全。

系统中重要阀门的执行机构、燃烧器、高精度快速响应激光浓度传感器及监控系统等关键部件选用进口件，其中激光浓度传感器的响应时间不超过0.25 s，当原料气浓度超过1.2%后可实现快速切断，避免气体进入蓄热氧化供暖装备、达到甲烷的爆炸下限。蓄热氧化供暖装备和新风加热器主要是结构件，故障率低，能够保证大修周期在半年以上，并且在冬季供暖季期间，不会出现故障停机，使持续供热有保障。

整套装备在设计时，严格按照矿方提供的进风量、室外计算温度等设计基础数据进行计算，并按照相关规范要求预留10%的设计余量，以满足系统供暖的负荷要求。

4 实践效果分析

低浓度煤层气蓄热氧化供暖装备与燃煤锅炉相比，蓄热氧化供暖装备不用消耗燃煤，可节约燃煤成本，同时还可以获得抽采瓦斯利用补贴，减少除尘脱硫运行成本，每年可利用纯瓦斯1 443万立方米，产生1 667万元的经济效益，减排CO2当量257.7 kt，环保效益显著。

在供暖方面，即使在极端最冷环境下，低浓度煤层气蓄热氧化供暖装备也可以保证煤矿井下工作面温度不低于2℃，使采煤工作正常进行；能够保证工业场地建筑物内温度不低于16℃，并向浴室和洗衣房提供热水，确保工作环境的舒适度。

5 结论

5.1 将煤矿抽采的低浓度煤层气送入蓄热氧化供暖装备产生高温烟气，通过锅炉产生蒸汽替代燃煤锅炉加热井筒，并为办公楼、浴室和洗衣房提供热水，符合我国大气污染防治及煤层气利用相关政策，具有良好的节能环保效益，还可为高寒地区煤矿企业带来可观的经济效益。

5.2 低浓度煤层气蓄热氧化供暖装备的应用对我国优化能源结构、提高非常规能源利用率、实现低碳循环及推进节能减排等具有良好的示范作用。该技术适用于浓度低于8%的超低浓度煤层气的利用，对提高瓦斯利用率、促进瓦斯“零排放”目标的实现具有现实意义。

5.3 低浓度煤层气的利用可以实现高寒地区煤矿的“煤与瓦斯共采共用”，构建了“以用促抽，以抽促安全”的良性循环发展。