煤礦乏風(fēng)中的甲烷利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)探析范文

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摘要:分析了煤礦乏風(fēng)中的甲烷多種利用途徑的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用實(shí)踐及發(fā)展方向，研究指出流轉(zhuǎn)反應(yīng)器技術(shù)以及坑口電站助燃技術(shù)適合我國煤礦乏風(fēng)特點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿Υ蟆w納了“十二五”末我國在煤礦乏風(fēng)CDM項(xiàng)目方面取得的成績，根據(jù)煤礦乏風(fēng)利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)結(jié)果，在不考慮碳交易情況下，乏風(fēng)利用項(xiàng)目處于虧損狀態(tài)，通過引入CDM機(jī)制，可極大提高乏風(fēng)利用項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞:煤礦乏風(fēng);乏風(fēng)利用;瓦斯;清潔發(fā)展機(jī)制

煤礦乏風(fēng)(又稱風(fēng)排瓦斯，VAM)，指煤礦在采掘過程中對礦井內(nèi)大量通風(fēng)，通風(fēng)氣經(jīng)過開采工作面以及其它用風(fēng)地點(diǎn)后所攜帶的氣體，所含甲烷濃度一般低于0.75%。雖然乏風(fēng)中的甲烷濃度極低，但排放總量巨大，每年乏風(fēng)排放量在150億m3以上。長期以來，煤礦乏風(fēng)直接排放不僅造成資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響環(huán)境。大規(guī)模、低成本的治理和利用煤礦乏風(fēng)，實(shí)現(xiàn)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(wù)［1－3］。

1煤礦乏風(fēng)中的甲烷利用技術(shù)現(xiàn)狀

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

1.1主要燃料利用技術(shù)

煤礦乏風(fēng)作為主要燃料，通過熱氧化或催化氧化，產(chǎn)生二氧化碳和水，回收產(chǎn)生的熱量用于供暖、洗浴，或者把熱能通過熱交換轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，用來發(fā)電［5］。

1.1.1逆流反應(yīng)器技術(shù)

逆流反應(yīng)器技術(shù)，又稱逆流氧化技術(shù)，可分為逆流式熱氧化技術(shù)(TFRR)和逆流式催化氧化技術(shù)(CFRR)。TFRR和CFRR均利用逆流反應(yīng)器技術(shù)原理，傳遞煤礦乏風(fēng)氧化燃燒產(chǎn)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(jìn)來的空氣，達(dá)到煤礦乏風(fēng)氧化燃燒所需的溫度。TFRR和CFRR原理相同，區(qū)別在于是否使用催化劑。采用逆流式熱氧化技術(shù)主要有瑞典麥克泰克公司的VOCSIDIZER技術(shù)、德國艾森曼公司的RNV－M技術(shù)、德國杜爾公司的RTO技術(shù)、勝動(dòng)集團(tuán)、淄博淄柴集團(tuán)的熱氧化技術(shù)，該技術(shù)日益成熟，在全球開展了多個(gè)示范項(xiàng)目，已進(jìn)入商業(yè)化開發(fā)階段。采用逆流式催化氧化技術(shù)主要有加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心(CANMET)的CH4MIN技術(shù)，該技術(shù)已完成實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，催化劑價(jià)格和開機(jī)率等原因制約著示范項(xiàng)目的開展［6］。

1.1.2催化整體式反應(yīng)器技術(shù)

催化整體式反應(yīng)器技術(shù)(CMR)是一個(gè)蜂窩狀整體式反應(yīng)器，由多個(gè)平行通道結(jié)構(gòu)、涂有含催化物質(zhì)的多孔層墻體組成，與TFRR和CFRR裝置相比，在處理同等規(guī)模煤礦乏風(fēng)情況下，CMR裝置更緊湊。然而，整體式反應(yīng)器需要提前預(yù)熱乏風(fēng)到所需溫度，而不能和TFRR和CFRR裝置一樣實(shí)現(xiàn)自氧化。該技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

1.1.3貧燒燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)

燃用煤礦乏風(fēng)的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)主要包括過濾器、離心式壓氣機(jī)、回?zé)崞鳌⒋呋紵摇搅魇酵钙健?dòng)燃燒系統(tǒng)以及發(fā)電裝置。采用貧燒燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)主要有澳大利亞能源發(fā)展中心(EDL)間壁回?zé)崾綒廨啓C(jī)、聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)接觸反應(yīng)貧燒氣輪機(jī)、美國英格索蘭(IR)稀薄燃料催化微型氣輪機(jī);中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院設(shè)計(jì)并搭建了催化氧化發(fā)電系統(tǒng)［7］。目前技術(shù)都處于試驗(yàn)研究階段，未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。煤礦乏風(fēng)作為主要燃料的技術(shù)多處于實(shí)驗(yàn)或小規(guī)模示范階段，流轉(zhuǎn)反應(yīng)器技術(shù)已有工業(yè)化示范項(xiàng)目運(yùn)行，是相對較為成熟的技術(shù)。

1.2輔助燃料利用技術(shù)

1)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)助燃。目前甲烷濃度在30%以上的抽采瓦斯采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)很成熟，使用煤礦乏風(fēng)替代新鮮空氣助燃在技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上已證實(shí)其實(shí)用性。前提是保障乏風(fēng)輸送便捷。

2)燃?xì)廨啓C(jī)助燃。煤礦乏風(fēng)占燃?xì)廨啓C(jī)燃料比重低，在技術(shù)、工程上的可行性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。通過壓氣機(jī)將燃料和乏風(fēng)輸入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室進(jìn)行燃燒反應(yīng)，面臨增加系統(tǒng)復(fù)雜性問題。

3)其他輔助應(yīng)用技術(shù)。煤礦乏風(fēng)可應(yīng)用在風(fēng)井附近的火電廠鍋爐、制磚窯爐的供風(fēng)系統(tǒng)中。若在風(fēng)井附近有此類項(xiàng)目，技術(shù)可行。煤礦乏風(fēng)作為輔助燃料技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展還不是很成熟，除內(nèi)燃機(jī)助燃技術(shù)進(jìn)行工業(yè)示范外，多處于實(shí)驗(yàn)研究階段。以坑口電站助燃技術(shù)為代表，用風(fēng)地靠近礦井通風(fēng)排放口，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

2煤礦乏風(fēng)CDM項(xiàng)目進(jìn)展

截至2016年6月，我國共有13個(gè)煤礦乏風(fēng)項(xiàng)目在聯(lián)合國CDM執(zhí)行理事會(huì)成功注冊。這些項(xiàng)目多采用逆流式熱氧化技術(shù)。CDM項(xiàng)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(xiàng)目資金支持，解決資金短缺難題;同時(shí)提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，調(diào)動(dòng)煤礦企業(yè)利用乏風(fēng)的積極性。資料統(tǒng)計(jì)顯示，13個(gè)CDM項(xiàng)目碳交易價(jià)格(測算價(jià)格)均在70元/tCO2e以上。根據(jù)模型計(jì)算，碳交易價(jià)格在64元/tCO2e可滿足乏風(fēng)利用項(xiàng)目基準(zhǔn)收益率(12%)要求，實(shí)現(xiàn)盈利。

3煤礦乏風(fēng)中的甲烷利用經(jīng)濟(jì)性分析

3.1案例概況

煤礦乏風(fēng)利用商業(yè)化的關(guān)鍵取決于項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。以國內(nèi)煤礦在聯(lián)合國成功注冊煤礦乏風(fēng)CDM項(xiàng)目為例，該煤礦均采用國產(chǎn)設(shè)備，安裝10臺(tái)500kW發(fā)電機(jī)組和5套60000Nm3/h乏風(fēng)氧化裝置，抽采瓦斯?jié)舛葹?5.5%，乏風(fēng)濃度0.5%，抽采瓦斯利用量825萬Nm3/a，乏風(fēng)利用量1140萬Nm3/a，發(fā)電量2625萬kW•h/a，其中用于乏風(fēng)氧化裝置運(yùn)行所需電量420萬kW•h/a。乏風(fēng)設(shè)備甲烷氧化效率95%。

3.2基本參數(shù)

經(jīng)濟(jì)評價(jià)基本參數(shù):項(xiàng)目建設(shè)期1a，運(yùn)營期20a，殘值率5%，電價(jià)(含稅)0.509元/(kW•h)，維修率3.5%，建筑物折舊20a，設(shè)備折舊年限10a，碳交易價(jià)格72元/tCO2，基準(zhǔn)收益率12%e。

3.3經(jīng)濟(jì)評價(jià)

項(xiàng)目總投資7260萬元，其中設(shè)備購置費(fèi)5810萬元。項(xiàng)目收入來源來自兩部分，一部分為抽采煤層氣發(fā)電獲得的收入;另一部分考慮申請CDM項(xiàng)目，可獲得碳減排收入。根據(jù)方法學(xué)ACM008計(jì)算，項(xiàng)目碳減排量為25.7萬tCO2e/a。采用內(nèi)部收益率和凈現(xiàn)值結(jié)合的方式評價(jià)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)模型計(jì)算。從評價(jià)結(jié)果看，在不考慮項(xiàng)目碳減排收入的情況下，項(xiàng)目僅有抽采瓦斯發(fā)電收入，乏風(fēng)利用未有收入來源，項(xiàng)目在計(jì)算期內(nèi)每年的現(xiàn)金流量均為負(fù)值，內(nèi)部收益率亦為負(fù)值(－18%)，投資回收期超過計(jì)算期，該項(xiàng)目在計(jì)算期內(nèi)始終處于虧損狀態(tài)，不具有經(jīng)濟(jì)性。在考慮項(xiàng)目碳減排收入的情況下，項(xiàng)目內(nèi)部收益率為14.1%，凈現(xiàn)值上升為574萬元，項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)性。

3.4敏感性分析

影響煤礦乏風(fēng)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的敏感性因素主要有項(xiàng)目投資、運(yùn)營成本、年發(fā)電量、碳交易價(jià)格。通過敏感性分析可知，內(nèi)部收益率指標(biāo)對乏風(fēng)利用項(xiàng)目投資最敏感，其次是碳交易價(jià)格。

4結(jié)論

1)煤礦乏風(fēng)利用空間大，若能合理利用好乏風(fēng)資源，對環(huán)境和能源方面具有重要意義，發(fā)展前景廣闊。

2)煤礦乏風(fēng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，將開創(chuàng)煤礦瓦斯利用新局面。流轉(zhuǎn)反應(yīng)器技術(shù)以及坑口電站助燃空氣技術(shù)是未來乏風(fēng)利用主要發(fā)展方向。

3)經(jīng)濟(jì)性差是制約乏風(fēng)利用的關(guān)鍵因素。通過CDM項(xiàng)目開展，出售碳額，緩解發(fā)展難題。經(jīng)計(jì)算，碳交易價(jià)格在64元/tCO2e以上可基本滿足乏風(fēng)利用經(jīng)濟(jì)性要求。

參考文獻(xiàn):

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作者：趙路正 單位：煤炭科學(xué)研究總院