安小康

1 引言

中國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，煤炭開采過程中，往往同時伴生大量瓦斯氣體，其是一種在煤炭地質(zhì)演變過程中形成的以甲烷為主要可燃成分的易燃易爆氣體。瓦斯中含大量甲烷，其是一種重要的溫室氣體來源。目前，中國在瓦斯含量4%～30%的低濃度瓦斯綜合利用方面已處于世界前列。煤礦每年大量抽排的4%以下超低濃度瓦斯因濃度和流量波動大，氣源條件不穩(wěn)定，長期以來利用效率很低，造成能源的浪費和大量溫室氣體的排放。

2 超低濃度瓦斯利用研究的必要性

2.1 符合國家科技創(chuàng)新政策

之前低濃度瓦斯氧化技術(shù)應(yīng)用較多的是氧化床內(nèi)置換熱器熱交換取熱利用型，瓦斯氧化裝置設(shè)計開發(fā)最初定位于低濃度瓦斯的氧化銷毀及取熱利用。因4%以下瓦斯?jié)舛容^低，可供利用的熱量有限，只能取出部分熱量制取熱水。但是經(jīng)過近十多年的應(yīng)用及總結(jié)，其也存在以下問題：換熱管束出現(xiàn)漏水等問題后，檢修困難，發(fā)現(xiàn)不及時，存在鍋爐爆炸的風(fēng)險；綜合換熱效率低；熱利用方式不同時，換熱器不同，導(dǎo)致氧化裝置本體不能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化；換熱器結(jié)構(gòu)型式特殊，需定制化設(shè)計[1]。

2.2 節(jié)能減排形勢的需要

中國大部分煤礦為瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井。多年來，中國瓦斯爆炸事故頻發(fā)，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了極大的壓力和挑戰(zhàn)。隨著近年來安全監(jiān)管力度的不斷加強，中國煤礦瓦斯抽采量和利用量逐年攀升。未被利用的抽采瓦斯，主要為濃度低于4%的超低濃度瓦斯。同時，隨著煤礦開采年限的增加，原有濃度高于4%的中高濃度、低濃度瓦斯，濃度也會逐年降低，使4%以下的超低濃度瓦斯量越來越多。

中國當(dāng)前每年通過通風(fēng)瓦斯（乏風(fēng)）排入大氣的純甲烷高達100～150 億Nm3，占到世界煤礦通風(fēng)瓦斯甲烷排放量的70%r5，相當(dāng)于1140 萬t～1700 萬t 標(biāo)準(zhǔn)煤。中國已經(jīng)成為世界上最大的瓦斯排放國，通過抽采瓦斯及通風(fēng)瓦斯兩種型式，排入大氣的純瓦斯量高達200～300 億Nm3，既浪費了寶貴的資源，又對環(huán)境產(chǎn)生了破壞，加重了溫室效應(yīng)[2]。

3 氧化裝置及系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 流向變換反應(yīng)器TFRR（氧化裝置）立式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

傳統(tǒng)瓦斯氧化裝置，采用水平結(jié)構(gòu)型式的氧化床，存在嚴(yán)重的熱量漂移，導(dǎo)致通過氧化裝置中下部的大量瓦斯未被完全氧化，裝置整體甲烷氧化率總體偏低。本項目瓦斯氧化裝置采用立式雙氧化床結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)計有大空腔氧化室，較好地順應(yīng)了高溫?zé)釤煔庾匀幌蛏掀频内厔荩趸矞囟葓鱿鄬^為均勻，工作較為穩(wěn)定，降低對瓦斯?jié)舛纫?。可以將氧化溫度穩(wěn)定、均勻地控制在900～1000℃間，裝置運行較可靠；頂部設(shè)置的大空腔氧化室，使瓦斯在高溫區(qū)停留時間大為延長，有助于實現(xiàn)較高的瓦斯氧化率（97%以上），進而提高熱利用效率；頂部氧化室，便于布置燃燒器，使用燃氣或燃油燃燒器系統(tǒng)，完成快速加熱啟動，啟動時間大幅降低（可縮短至5～8h 內(nèi)）。

3.2 瓦斯氧化系統(tǒng)安全技術(shù)的改進

濃度低于30%的抽采瓦斯應(yīng)用于地面輸送時，原有被廣泛應(yīng)用的自動噴粉抑爆裝置為被動式滅火阻火裝置，氣水兩相流混合輸送裝置壓降較大，二者的應(yīng)用受到了較大的限制。低濃度瓦斯細水霧混合輸送系統(tǒng)綜合了被動式水封阻火泄爆、干式波紋帶阻火器阻火、細水霧主動式滅火阻火（稀釋、氣化吸熱）、超壓安全放散、快速切斷閥等多種技術(shù)，并將多級阻火、滅火裝置串聯(lián)使用，該系統(tǒng)可以有效保障煤礦瓦斯地面輸送、瓦斯綜合利用的安全[3]。

3.3 瓦斯氧化自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進

臥式氧化床結(jié)構(gòu)型式，工作過程溫度監(jiān)測及控制困難，工藝技術(shù)無法達到自動化要求。立式雙氧化床瓦斯氧化系統(tǒng)在空氣瓦斯混合器出口至氧化裝置離心風(fēng)機前的管路，設(shè)置在線瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)，對摻混后甲烷濃度進行在線檢測。在氧化裝置前端附近，通過瓦斯摻混調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)合氧化裝置前離心風(fēng)機頻率調(diào)節(jié)，可保證進入氧化裝置的氣體中甲烷濃度不超過1.0%，完成進氣濃度摻混調(diào)節(jié)，降低對礦井抽采瓦斯?jié)舛纫螅_保裝置運行安全。

3.4 技術(shù)先進性對比

臥式瓦斯氧化系統(tǒng)與立式雙氧化床瓦斯氧化系統(tǒng)功能特點對比分析如表1所示。

表1 臥式瓦斯氧化系統(tǒng)與立式雙氧化床瓦斯氧化系統(tǒng)功能特點

通過對比分析可以看出立式雙氧化床瓦斯氧化系統(tǒng)具有如下特點。

（1）氧化裝置：采用立式雙氧化床，氧化床溫度場相對較為均勻，工作較為穩(wěn)定，裝置運行較可靠；氧化溫度穩(wěn)定，瓦斯氧化率高，降低對瓦斯?jié)舛纫?；熱利用效率高；輔助燃燒系統(tǒng)，加熱啟動迅速，可大大縮短裝置啟動時間（可縮短至5～8h 內(nèi)）。

（2）瓦斯氧化自動控制系統(tǒng)：對摻混后甲烷濃度進行在線檢測；瓦斯摻混調(diào)節(jié)系統(tǒng)與離心風(fēng)機頻率調(diào)節(jié)共同完成進氣濃度摻混調(diào)節(jié)，降低對抽采瓦斯?jié)舛纫?，確保裝置運行安全[4]。

4 市場需求的情況分析及經(jīng)濟、社會效益

4.1 推廣應(yīng)用前景和市場需求

小于4%的低濃度瓦斯作為主要燃料氧化系統(tǒng)是一種先進的瓦斯氧化系統(tǒng)，能實現(xiàn)2～4%濃度的瓦斯作為主要燃料氧化反應(yīng)的持續(xù)運行。填補了小于4%的低濃度瓦斯氧化技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)運行的空白。

小于4%的低濃度瓦斯作為主要燃料氧化系統(tǒng)憑借自己的多重優(yōu)點處于中國先進水平，可廣泛用于礦井瓦斯?jié)獬偷耐咚寡趸到y(tǒng)中，具有優(yōu)秀的節(jié)能減排效果，必將在礦井瓦斯利用中得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

4.2 經(jīng)濟效益

低濃度瓦斯氣體采用抽采濃度2%左右的瓦斯氣體與通風(fēng)瓦斯?jié)舛?.6%的乏風(fēng)（或空氣）混合成瓦斯?jié)舛?.0%的氣體，在氧化裝置中氧化發(fā)熱，CH4 氧化率達到97%以上。在滿負(fù)荷運行條件下可生產(chǎn)熱水164.5t/h，熱能綜合利用率達到70%以上。該系統(tǒng)一個供暖季可節(jié)約標(biāo)煤3200t，標(biāo)煤價格按600 元/t，則該瓦斯氧化系統(tǒng)年收益為（運行維護費用較低，暫不計算）：

3200t×600（元/t）=192（萬元）

4.3 社會效益

4%以下的低濃度瓦斯蓄熱氧化及余熱利用系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，必將帶來巨大的社會效益。具體如下：

（1）該瓦斯氧化系統(tǒng)一個供暖季可節(jié)約標(biāo)煤3200t，減排CO2 當(dāng)量3.6 萬t。通過該技術(shù)項目的能有效解決當(dāng)前燃煤鍋爐的大氣污染物排放問題。

（2）按全年350 天該瓦斯氧化系統(tǒng)可以正常運行，則每年可減排瓦斯標(biāo)態(tài)純量504 萬m3。該技術(shù)項目充分利用了排空的低濃度瓦斯，減少了溫室氣體排放量，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益[5]。

5 結(jié)語

礦井富含瓦斯，抽排低濃度瓦斯若直接排空而不利用，既浪費大量潔凈能源，又污染大氣環(huán)境，十分可惜。低濃度瓦斯與空氣（或排風(fēng)瓦斯）摻混氧化綜合利用技術(shù)的開發(fā)與利用，不但可以有效利用煤礦抽排的潔凈能源，而且具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。低濃度瓦斯氧化瓦斯抽采產(chǎn)生積極推動作用，“以抽保用，以用促抽”，有效減少煤礦瓦斯災(zāi)害的威脅，解決礦井瓦斯造成的浪費和對環(huán)境污染問題。低濃度瓦斯氧化利用在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟上是合理的。低濃度瓦斯氧化利用項目使排空燃燒的瓦斯變害為利，減少了瓦斯氣對大氣的污染，降低地球表面的溫室效應(yīng)，保護地球的態(tài)環(huán)境，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性，具有良好的社會效益和環(huán)境效益。