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一 技術(shù)背景

煤礦瓦斯，主要成分為甲烷，在煤礦采動之前賦存于煤炭和圍巖當中，稱之為煤層氣，煤礦開采時逸出混合空氣，稱之為瓦斯。這種氣體無色、無臭、無味且易燃、易爆。在常溫常壓條件下，當瓦斯中甲烷的濃度達到5%～16%（爆炸極限）時，如遇明火，就會發(fā)生“瓦斯爆炸”，因此瓦斯一直是煤礦開采過程中最為重要的安全課題。

瓦斯直接排放不僅會造成能源浪費，還會加劇溫室效應(yīng)。因為瓦斯中的甲烷是一種重要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的26倍，所以，提升抽采瓦斯資源的利用率勢在必行。在國家雙碳目標、綠色發(fā)展戰(zhàn)略背景下，我國發(fā)展規(guī)劃當中明確對甲烷等溫室氣體排放加大管控力度。

煤礦瓦斯利用的難點在于，所含甲烷的濃度受各種因素影響，變化較大。行業(yè)根據(jù)不同的應(yīng)用條件，對其做了如下區(qū)分：甲烷濃度大于等于30%的為高濃度瓦斯，濃度3%～30%的為低濃度瓦斯，抽排泵站抽出的濃度低于3%的我們稱它超低濃度瓦斯，從風井排出的濃度低于0.75%的瓦斯稱為風排瓦斯或者“乏風”。當前瓦斯應(yīng)用通常按照不同濃度進行梯度利用，高濃度瓦斯通常作為化工原料、燃料使用；抽采的濃度9%～30%的低濃度瓦斯可以通過往復(fù)式內(nèi)燃機發(fā)電機組（瓦斯發(fā)電機組）進行利用；而抽采的濃度3%～9%的低濃度瓦斯之前沒有成熟的直接利用技術(shù)，通常有兩種間接利用方法：
    一是與高濃度瓦斯摻混至濃度大于9%后通過瓦斯發(fā)電機組利用。
    二是采用乏風氧化技術(shù)，利用煤礦乏風或空氣稀釋至濃度1.2%以下進行逆流蓄熱氧化。

前者由于高濃度瓦斯氣資源的限制而造成非常有限的摻混利用，后者綜合熱效率低，經(jīng)濟效益差，沒有得到大范圍推廣。

此技術(shù)安全高效的解決了濃度2.5%～9%的低濃度瓦斯利用難題，填補了技術(shù)空白，該技術(shù)研發(fā)取得了重大突破，工業(yè)化應(yīng)用取得了重大進展。

二 技術(shù)簡介

2.1 技術(shù)特點

1>  燃燒安全；

2>  燃燒穩(wěn)定；

3>  熱量利用率高；

4> 不易熄火、不易回火設(shè)備運行安全；

5>  燃燒充分、環(huán)保排放達標；

2.2 核心技術(shù)原理

1>  獨特設(shè)計的聚能島技術(shù)。將熱量全部鎖住聚能島內(nèi)，瓦斯在高溫區(qū)熱解熱量向兩側(cè)擴散，擴散到前段的熱量對低濃度瓦斯進行預(yù)熱，使瓦斯進入聚能島后達到熱解溫度發(fā)生氧化反應(yīng)，擴散到后端的熱量對聚能島未反應(yīng)完全的瓦斯進行處理使全部瓦斯100%反應(yīng)。聚能島使反應(yīng)區(qū)溫度始終維持在高溫。提供氧化所需的外部環(huán)境。同時可以鎖住熱量使對外輻射的熱量全部用作低濃瓦斯處理。使反應(yīng)持續(xù)并穩(wěn)定進行。

2>  聚能島使瓦斯全部發(fā)生氧化反應(yīng)，除去部分散熱損失外。理論可達到100%的熱風抽取率。搭配余熱鍋爐使鍋爐尾氣溫度控制在150-180℃，熱量利用率達到90%以上，相對于循環(huán)煙氣式RTO氧化設(shè)備，熱量利用率提高30%以上，相對于旋轉(zhuǎn)式RTO氧化設(shè)備，熱量利用率提高50%以上。

3>  聚能島采用高溫蓄熱陶瓷制作，耐溫達1400℃，氧化維持溫度在1000-1050℃左右，聚能島可在此溫度下長期穩(wěn)定運行。相對于RTO蓄熱體的溫度不會持續(xù)變化，長期處于在一個穩(wěn)定的溫度下運行。有效避免了RTO溫度的頻繁變化。使蓄熱體使用壽命更持久。

4> 低濃瓦斯在1000℃左右反應(yīng)，遠遠低于氮氧化合物產(chǎn)生的溫度，顯著減少NOX的排放，最終NOx排放低于國內(nèi)燃氣鍋爐所要求的排放指標。

5>  本瓦斯聚能氧化系統(tǒng)，體積小，內(nèi)部采用國內(nèi)先進的高溫陶瓷模塊進行耐火保溫設(shè)計，使相關(guān)散熱損失減少。提高系統(tǒng)的綜合熱量利用率

6>  運行瓦斯?jié)舛冗h低于爆炸極限，配合系統(tǒng)的負壓運行，避免瓦斯聚集。大大提高系統(tǒng)運行的安全系數(shù)

7>  系統(tǒng)采用DCS控制，設(shè)置各關(guān)鍵點位的超溫，超濃保護。使?jié)舛染珳士刂圃诎踩秶鷥?nèi)，當任一參數(shù)超過設(shè)定值觸發(fā)緊急保護措施，保證系統(tǒng)運行的安全。

2.3 技術(shù)參數(shù)（以5T余熱鍋爐配套設(shè)備為例）

2.4 收益計算

如上技術(shù)參數(shù)：

產(chǎn)生5噸蒸汽，消耗低濃瓦斯11000m3/H，可節(jié)約天燃氣435m3/H，按冬季山西地方天然氣單價8元/m3折算，可節(jié)約3480元/H。冬季供暖4個月 120天計算，供暖季可節(jié)約燃氣10022400元，效果顯著。（常規(guī)氣價4元/m3亦可節(jié)約燃氣費用500萬余元/供暖季）

部分煤礦高濃瓦斯用于發(fā)電，受內(nèi)燃機技術(shù)限制，現(xiàn)階段每立方純量瓦斯可產(chǎn)生3-4Kw.h電能，11000m3/H折算純量瓦斯為385m3/H，可發(fā)電1540Kw.h?？蔀槊旱V節(jié)約電費924元/H。

以上對比發(fā)現(xiàn)冬季瓦斯供暖相對瓦斯發(fā)電經(jīng)濟效益更加顯著。針對部分煤礦低濃瓦斯不穩(wěn)定，可利用部分高濃瓦斯進行摻混，到達熱解濃度。使煤礦瓦斯冬季供暖，夏季發(fā)電得到充分利用，達到熱、電、聯(lián)產(chǎn)綜合利用。使經(jīng)濟效益最大化。

三 工藝簡介

系統(tǒng)包括1套瓦斯摻混及安全輸送系統(tǒng)、1套11000m3/H瓦斯熱解裝置、1套5T/H飽和蒸汽余熱鍋爐系統(tǒng)、1套集中控制系統(tǒng)。

3.1 工藝流程說明：

3.1.1瓦斯摻混及安全輸送系統(tǒng)

本系統(tǒng)按照《AQ1076-2009 煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》、《NB/T 51013-2014煤礦風排瓦斯蓄熱氧化裝置工程應(yīng)用安全要求》等規(guī)范的要求進行設(shè)計，在安全方面設(shè)計多重安全可靠的保障措施。

低濃度瓦斯經(jīng)過安全輸送后，先后經(jīng)過在線濕式放散閥、溢流式水封阻火器、脫水器、原位式激光濃度分析儀、瓦斯緊急切斷閥、瓦斯流量調(diào)節(jié)閥等設(shè)備，進入二次摻混器與乏風混合，混合后瓦斯?jié)舛瓤刂圃?%左右，通過管道輸送后設(shè)置原位式激光瓦斯?jié)舛确治鰞x、瓦斯進氣開關(guān)閥、新鮮空氣閥、吹掃風機、主風機等設(shè)備，最終符合濃度要求的瓦斯經(jīng)過主風機送入瓦斯熱值裝置。

本瓦斯安全輸送及摻混部分主要技術(shù)特點：

（1）系統(tǒng)設(shè)置多重阻爆、抑爆及泄爆裝置，并配備多重檢測設(shè)施，確保裝置穩(wěn)定、安全運行。

（2）實時監(jiān)控。裝置的各子系統(tǒng)集中控制、系統(tǒng)協(xié)調(diào)。瓦斯與乏風或空氣兩級摻混調(diào)節(jié)，嚴格控制摻混后濃度，確保配氣摻混調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)及時、運行安全。

（3）多重安全保護控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)具有故障診斷與安全保護功能，主要對濃度、各種溫度、閥門位置反饋信號等參數(shù)進行監(jiān)測 ，并按照一定規(guī)則執(zhí)行相應(yīng)保護措施，確保設(shè)備運行安全。

3.1.2瓦斯熱解系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用聚能熱解技術(shù)可利用體積濃度范圍為3-3.5%的超低濃度瓦斯，進行取熱利用。

 用柴油燃燒器將蓄熱陶瓷高溫區(qū)加熱到瓦斯反應(yīng)溫度，摻混后3-3.5% vol的瓦斯經(jīng)過安全保護閥組流入熱解爐本體，熱解爐本體布置聚能氧化裝置；氣體通過均布器均勻分布在聚能氧化去加熱反應(yīng)。產(chǎn)出的高溫煙氣經(jīng)高溫煙道流向余熱利用設(shè)備。

5.3.3 余熱回收系統(tǒng)

配套飽和蒸汽型余熱鍋爐，主要包括：余熱鍋爐本體、供水泵組和電控系統(tǒng)等部分構(gòu)成，系統(tǒng)制取0.7MPa，165℃飽和蒸汽，蒸汽產(chǎn)量5t/h。

配套鍋爐具體參數(shù)如下：

3.2 技術(shù)路線圖