煤礦乏風中的甲烷利用技術經濟探析范文

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摘要:分析了煤礦乏風中的甲烷多種利用途徑的技術特點、應用實踐及發展方向，研究指出流轉反應器技術以及坑口電站助燃技術適合我國煤礦乏風特點，發展潛力大。歸納了“十二五”末我國在煤礦乏風CDM項目方面取得的成績，根據煤礦乏風利用技術經濟評價結果，在不考慮碳交易情況下，乏風利用項目處于虧損狀態，通過引入CDM機制，可極大提高乏風利用項目經濟性。

關鍵詞:煤礦乏風;乏風利用;瓦斯;清潔發展機制

煤礦乏風(又稱風排瓦斯，VAM)，指煤礦在采掘過程中對礦井內大量通風，通風氣經過開采工作面以及其它用風地點后所攜帶的氣體，所含甲烷濃度一般低于0.75%。雖然乏風中的甲烷濃度極低，但排放總量巨大，每年乏風排放量在150億m3以上。長期以來，煤礦乏風直接排放不僅造成資源浪費，而且嚴重影響環境。大規模、低成本的治理和利用煤礦乏風，實現采煤過程中甲烷近零排放，已成為我國瓦斯治理和利用的緊迫任務［1－3］。

1煤礦乏風中的甲烷利用技術現狀

煤礦乏風利用難點在于甲烷含量低，無法直接被點燃或維持燃燒，只有當環境溫度維持在1000℃以上時，才能有效氧化分解［4］。目前，煤礦乏風利用方式分為兩大類:一類是主要燃料利用技術，另一類是輔助燃料利用技術。

1.1主要燃料利用技術

煤礦乏風作為主要燃料，通過熱氧化或催化氧化，產生二氧化碳和水，回收產生的熱量用于供暖、洗浴，或者把熱能通過熱交換轉換為動能，用來發電［5］。

1.1.1逆流反應器技術

逆流反應器技術，又稱逆流氧化技術，可分為逆流式熱氧化技術(TFRR)和逆流式催化氧化技術(CFRR)。TFRR和CFRR均利用逆流反應器技術原理，傳遞煤礦乏風氧化燃燒產生的熱量，首先通過固定床中的固體層，然后返回去加熱外部進來的空氣，達到煤礦乏風氧化燃燒所需的溫度。TFRR和CFRR原理相同，區別在于是否使用催化劑。采用逆流式熱氧化技術主要有瑞典麥克泰克公司的VOCSIDIZER技術、德國艾森曼公司的RNV－M技術、德國杜爾公司的RTO技術、勝動集團、淄博淄柴集團的熱氧化技術，該技術日益成熟，在全球開展了多個示范項目，已進入商業化開發階段。采用逆流式催化氧化技術主要有加拿大礦產與能源技術中心(CANMET)的CH4MIN技術，該技術已完成實驗室實驗，催化劑價格和開機率等原因制約著示范項目的開展［6］。

1.1.2催化整體式反應器技術

催化整體式反應器技術(CMR)是一個蜂窩狀整體式反應器，由多個平行通道結構、涂有含催化物質的多孔層墻體組成，與TFRR和CFRR裝置相比，在處理同等規模煤礦乏風情況下，CMR裝置更緊湊。然而，整體式反應器需要提前預熱乏風到所需溫度，而不能和TFRR和CFRR裝置一樣實現自氧化。該技術處于實驗室研究階段。

1.1.3貧燒燃氣輪機技術

燃用煤礦乏風的燃氣輪機系統主要包括過濾器、離心式壓氣機、回熱器、催化燃燒室、徑流式透平、啟動燃燒系統以及發電裝置。采用貧燒燃氣輪機技術主要有澳大利亞能源發展中心(EDL)間壁回熱式氣輪機、聯邦科學與工業研究院(CSIRO)接觸反應貧燒氣輪機、美國英格索蘭(IR)稀薄燃料催化微型氣輪機;中國煤炭科工集團重慶研究院設計并搭建了催化氧化發電系統［7］。目前技術都處于試驗研究階段，未實現工業化應用。煤礦乏風作為主要燃料的技術多處于實驗或小規模示范階段，流轉反應器技術已有工業化示范項目運行，是相對較為成熟的技術。

1.2輔助燃料利用技術

1)內燃發動機助燃。目前甲烷濃度在30%以上的抽采瓦斯采用內燃機發電技術已經很成熟，使用煤礦乏風替代新鮮空氣助燃在技術上可行，經濟上已證實其實用性。前提是保障乏風輸送便捷。

2)燃氣輪機助燃。煤礦乏風占燃氣輪機燃料比重低，在技術、工程上的可行性需要進一步驗證。通過壓氣機將燃料和乏風輸入燃氣輪機的燃燒室進行燃燒反應，面臨增加系統復雜性問題。

3)其他輔助應用技術。煤礦乏風可應用在風井附近的火電廠鍋爐、制磚窯爐的供風系統中。若在風井附近有此類項目，技術可行。煤礦乏風作為輔助燃料技術的應用和發展還不是很成熟，除內燃機助燃技術進行工業示范外，多處于實驗研究階段。以坑口電站助燃技術為代表，用風地靠近礦井通風排放口，可實現規模應用。

2煤礦乏風CDM項目進展

截至2016年6月，我國共有13個煤礦乏風項目在聯合國CDM執行理事會成功注冊。這些項目多采用逆流式熱氧化技術。CDM項目的開展，活躍了金融市場。中國通過向國外合作方出售碳減排額，可提前獲得項目資金支持，解決資金短缺難題;同時提高項目經濟性，調動煤礦企業利用乏風的積極性。資料統計顯示，13個CDM項目碳交易價格(測算價格)均在70元/tCO2e以上。根據模型計算，碳交易價格在64元/tCO2e可滿足乏風利用項目基準收益率(12%)要求，實現盈利。

3煤礦乏風中的甲烷利用經濟性分析

3.1案例概況

煤礦乏風利用商業化的關鍵取決于項目經濟性。以國內煤礦在聯合國成功注冊煤礦乏風CDM項目為例，該煤礦均采用國產設備，安裝10臺500kW發電機組和5套60000Nm3/h乏風氧化裝置，抽采瓦斯濃度為25.5%，乏風濃度0.5%，抽采瓦斯利用量825萬Nm3/a，乏風利用量1140萬Nm3/a，發電量2625萬kW•h/a，其中用于乏風氧化裝置運行所需電量420萬kW•h/a。乏風設備甲烷氧化效率95%。

3.2基本參數

經濟評價基本參數:項目建設期1a，運營期20a，殘值率5%，電價(含稅)0.509元/(kW•h)，維修率3.5%，建筑物折舊20a，設備折舊年限10a，碳交易價格72元/tCO2，基準收益率12%e。

3.3經濟評價

項目總投資7260萬元，其中設備購置費5810萬元。項目收入來源來自兩部分，一部分為抽采煤層氣發電獲得的收入;另一部分考慮申請CDM項目，可獲得碳減排收入。根據方法學ACM008計算，項目碳減排量為25.7萬tCO2e/a。采用內部收益率和凈現值結合的方式評價項目的經濟性，經模型計算。從評價結果看，在不考慮項目碳減排收入的情況下，項目僅有抽采瓦斯發電收入，乏風利用未有收入來源，項目在計算期內每年的現金流量均為負值，內部收益率亦為負值(－18%)，投資回收期超過計算期，該項目在計算期內始終處于虧損狀態，不具有經濟性。在考慮項目碳減排收入的情況下，項目內部收益率為14.1%，凈現值上升為574萬元，項目具有經濟性。

3.4敏感性分析

影響煤礦乏風項目經濟效益的敏感性因素主要有項目投資、運營成本、年發電量、碳交易價格。通過敏感性分析可知，內部收益率指標對乏風利用項目投資最敏感，其次是碳交易價格。

4結論

1)煤礦乏風利用空間大，若能合理利用好乏風資源，對環境和能源方面具有重要意義，發展前景廣闊。

2)煤礦乏風技術的推廣應用，將開創煤礦瓦斯利用新局面。流轉反應器技術以及坑口電站助燃空氣技術是未來乏風利用主要發展方向。

3)經濟性差是制約乏風利用的關鍵因素。通過CDM項目開展，出售碳額，緩解發展難題。經計算，碳交易價格在64元/tCO2e以上可基本滿足乏風利用經濟性要求。

參考文獻:

［1］申寶宏，陳貴鋒．煤礦區煤層氣產業化開發戰略研究［M］．北京:中國石化出版社，2013．

［2］吳立新，趙路正．煤礦區煤層氣利用技術［M］．北京:中國石化出版社，2014．

［3］趙路正．煤礦區煤層氣利用潛力分析［J］．潔凈煤技術，2017，23(2):119－123．

［4］趙路正．煤礦區煤層氣利用途徑技術－經濟－環境綜合評價［J］．中國煤層氣，2015，12(6):42－46．

［5］姜海昧．煤礦通風瓦斯利用技術的潛力及經濟性分析［J］．江西煤炭科技，2016(1):81－83．

［6］郭天宇，吳金婷，杜建平，等．低濃度甲烷氧化催化劑的研究進展［J］．天然氣化工，2015，40(6):83－87．

［7］蘭波，康建東，張荻．一種新型乏風瓦斯催化氧化發電系統的開發［J］．礦業安全與環保，2016，43(6):33－36.

作者：趙路正 單位：煤炭科學研究總院