超低浓度瓦斯氧化热能梯级利用技术分析

王永保，黄凤河，刘 虎

(淮沪煤电有限公司 丁集煤矿，安徽 淮南 232001)

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8 t/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。

图1 超低浓度瓦斯氧化热能梯级利用工艺流程

2.1 超低浓度瓦斯蓄热氧化

RTO蓄热氧化单元单体能处理90 000 m3/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。

表1 氧化装置核心实际运行工作参数

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1.15 MW，额定进汽流量17.6 t/h，进汽压力3.43 MPa，进汽温度435 ℃，排汽压力0.8 MPa，排汽温度282 ℃；②减速箱额定功率1.5 MW，输入转速9 000 r/min，输出转速1 500 r/min；③发电机额定功率1.5 MW，额定电压10 500 V，功率因数0.8，额定转速1 500 r/min，额定频率50 Hz，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0.6 MPa，温度为195 ℃，流量为5.5 t/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。

表2 溴化锂机组设备

3 应用效果分析

3.1 RTO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。

表3 设计氧化装置进出口气体组分

从表3的测试结果来看，RTO含湿量在进气口较低，在出气口较高，这是因为CH4与O2发生化学反应后，生成水汽，进而增大了出气口的含湿量。2019年6月27日的烟气流速比6月28日测试的烟气流速大，进而导致其静压比6月28日测试的静压偏大。在RTO进汽含氧量相同的情况下，6月28日测试出口含氧量比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。

图2 背压机进汽压力、进汽温度、排汽压力对功率修正曲线

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800 000 kW·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700 000～800 000 kW·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650 000 kW·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。

图3 背压式汽轮机组月发电量及厂区用电量

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。

表4 溴化锂机组实际制冷量统计

同时，在丁集矿采用低温蒸汽溴化锂机组后对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。

表5 丁集矿采掘工作面温度、湿度统计

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。