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煤矿乏风中的甲烷利用技术经济探析

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摘要:分析了煤矿乏风中的甲烷多种利用途径的技术特点、应用实践及发展方向,研究指出流转反应器技术以及坑口电站助燃技术适合我国煤矿乏风特点,发展潜力大。归纳了“十二五”末我国在煤矿乏风CDM项目方面取得的成绩,根据煤矿乏风利用技术经济评价结果,在不考虑碳交易情况下,乏风利用项目处于亏损状态,通过引入CDM机制,可极大提高乏风利用项目经济性。

关键词:煤矿乏风;乏风利用;瓦斯;清洁发展机制

煤矿乏风(又称风排瓦斯,VAM),指煤矿在采掘过程中对矿井内大量通风,通风气经过开采工作面以及其它用风地点后所携带的气体,所含甲烷浓度一般低于0.75%。虽然乏风中的甲烷浓度极低,但排放总量巨大,每年乏风排放量在150亿m3以上。长期以来,煤矿乏风直接排放不仅造成资源浪费,而且严重影响环境。大规模、低成本的治理和利用煤矿乏风,实现采煤过程中甲烷近零排放,已成为我国瓦斯治理和利用的紧迫任务[1-3]。

1煤矿乏风中的甲烷利用技术现状

煤矿乏风利用难点在于甲烷含量低,无法直接被点燃或维持燃烧,只有当环境温度维持在1000℃以上时,才能有效氧化分解[4]。目前,煤矿乏风利用方式分为两大类:一类是主要燃料利用技术,另一类是辅助燃料利用技术。

1.1主要燃料利用技术

煤矿乏风作为主要燃料,通过热氧化或催化氧化,产生二氧化碳和水,回收产生的热量用于供暖、洗浴,或者把热能通过热交换转换为动能,用来发电[5]。

1.1.1逆流反应器技术

逆流反应器技术,又称逆流氧化技术,可分为逆流式热氧化技术(TFRR)和逆流式催化氧化技术(CFRR)。TFRR和CFRR均利用逆流反应器技术原理,传递煤矿乏风氧化燃烧产生的热量,首先通过固定床中的固体层,然后返回去加热外部进来的空气,达到煤矿乏风氧化燃烧所需的温度。TFRR和CFRR原理相同,区别在于是否使用催化剂。采用逆流式热氧化技术主要有瑞典麦克泰克公司的VOCSIDIZER技术、德国艾森曼公司的RNV-M技术、德国杜尔公司的RTO技术、胜动集团、淄博淄柴集团的热氧化技术,该技术日益成熟,在全球开展了多个示范项目,已进入商业化开发阶段。采用逆流式催化氧化技术主要有加拿大矿产与能源技术中心(CANMET)的CH4MIN技术,该技术已完成实验室实验,催化剂价格和开机率等原因制约着示范项目的开展[6]。

1.1.2催化整体式反应器技术

催化整体式反应器技术(CMR)是一个蜂窝状整体式反应器,由多个平行通道结构、涂有含催化物质的多孔层墙体组成,与TFRR和CFRR装置相比,在处理同等规模煤矿乏风情况下,CMR装置更紧凑。然而,整体式反应器需要提前预热乏风到所需温度,而不能和TFRR和CFRR装置一样实现自氧化。该技术处于实验室研究阶段。

1.1.3贫烧燃气轮机技术

燃用煤矿乏风的燃气轮机系统主要包括过滤器、离心式压气机、回热器、催化燃烧室、径流式透平、启动燃烧系统以及发电装置。采用贫烧燃气轮机技术主要有澳大利亚能源发展中心(EDL)间壁回热式气轮机、联邦科学与工业研究院(CSIRO)接触反应贫烧气轮机、美国英格索兰(IR)稀薄燃料催化微型气轮机;中国煤炭科工集团重庆研究院设计并搭建了催化氧化发电系统[7]。目前技术都处于试验研究阶段,未实现工业化应用。煤矿乏风作为主要燃料的技术多处于实验或小规模示范阶段,流转反应器技术已有工业化示范项目运行,是相对较为成熟的技术。

1.2辅助燃料利用技术

1)内燃发动机助燃。目前甲烷浓度在30%以上的抽采瓦斯采用内燃机发电技术已经很成熟,使用煤矿乏风替代新鲜空气助燃在技术上可行,经济上已证实其实用性。前提是保障乏风输送便捷。

2)燃气轮机助燃。煤矿乏风占燃气轮机燃料比重低,在技术、工程上的可行性需要进一步验证。通过压气机将燃料和乏风输入燃气轮机的燃烧室进行燃烧反应,面临增加系统复杂性问题。

3)其他辅助应用技术。煤矿乏风可应用在风井附近的火电厂锅炉、制砖窑炉的供风系统中。若在风井附近有此类项目,技术可行。煤矿乏风作为辅助燃料技术的应用和发展还不是很成熟,除内燃机助燃技术进行工业示范外,多处于实验研究阶段。以坑口电站助燃技术为代表,用风地靠近矿井通风排放口,可实现规模应用。

2煤矿乏风CDM项目进展

截至2016年6月,我国共有13个煤矿乏风项目在联合国CDM执行理事会成功注册。这些项目多采用逆流式热氧化技术。CDM项目的开展,活跃了金融市场。中国通过向国外合作方出售碳减排额,可提前获得项目资金支持,解决资金短缺难题;同时提高项目经济性,调动煤矿企业利用乏风的积极性。资料统计显示,13个CDM项目碳交易价格(测算价格)均在70元/tCO2e以上。根据模型计算,碳交易价格在64元/tCO2e可满足乏风利用项目基准收益率(12%)要求,实现盈利。

3煤矿乏风中的甲烷利用经济性分析

3.1案例概况

煤矿乏风利用商业化的关键取决于项目经济性。以国内煤矿在联合国成功注册煤矿乏风CDM项目为例,该煤矿均采用国产设备,安装10台500kW发电机组和5套60000Nm3/h乏风氧化装置,抽采瓦斯浓度为25.5%,乏风浓度0.5%,抽采瓦斯利用量825万Nm3/a,乏风利用量1140万Nm3/a,发电量2625万kW•h/a,其中用于乏风氧化装置运行所需电量420万kW•h/a。乏风设备甲烷氧化效率95%。

3.2基本参数

经济评价基本参数:项目建设期1a,运营期20a,残值率5%,电价(含税)0.509元/(kW•h),维修率3.5%,建筑物折旧20a,设备折旧年限10a,碳交易价格72元/tCO2,基准收益率12%e。

3.3经济评价

项目总投资7260万元,其中设备购置费5810万元。项目收入来源来自两部分,一部分为抽采煤层气发电获得的收入;另一部分考虑申请CDM项目,可获得碳减排收入。根据方法学ACM008计算,项目碳减排量为25.7万tCO2e/a。采用内部收益率和净现值结合的方式评价项目的经济性,经模型计算。从评价结果看,在不考虑项目碳减排收入的情况下,项目仅有抽采瓦斯发电收入,乏风利用未有收入来源,项目在计算期内每年的现金流量均为负值,内部收益率亦为负值(-18%),投资回收期超过计算期,该项目在计算期内始终处于亏损状态,不具有经济性。在考虑项目碳减排收入的情况下,项目内部收益率为14.1%,净现值上升为574万元,项目具有经济性。

3.4敏感性分析

影响煤矿乏风项目经济效益的敏感性因素主要有项目投资、运营成本、年发电量、碳交易价格。通过敏感性分析可知,内部收益率指标对乏风利用项目投资最敏感,其次是碳交易价格。

4结论

1)煤矿乏风利用空间大,若能合理利用好乏风资源,对环境和能源方面具有重要意义,发展前景广阔。

2)煤矿乏风技术的推广应用,将开创煤矿瓦斯利用新局面。流转反应器技术以及坑口电站助燃空气技术是未来乏风利用主要发展方向。

3)经济性差是制约乏风利用的关键因素。通过CDM项目开展,出售碳额,缓解发展难题。经计算,碳交易价格在64元/tCO2e以上可基本满足乏风利用经济性要求。

参考文献:

[1]申宝宏,陈贵锋.煤矿区煤层气产业化开发战略研究[M].北京:中国石化出版社,2013.

[2]吴立新,赵路正.煤矿区煤层气利用技术[M].北京:中国石化出版社,2014.

[3]赵路正.煤矿区煤层气利用潜力分析[J].洁净煤技术,2017,23(2):119-123.

[4]赵路正.煤矿区煤层气利用途径技术-经济-环境综合评价[J].中国煤层气,2015,12(6):42-46.

[5]姜海昧.煤矿通风瓦斯利用技术的潜力及经济性分析[J].江西煤炭科技,2016(1):81-83.

[6]郭天宇,吴金婷,杜建平,等.低浓度甲烷氧化催化剂的研究进展[J].天然气化工,2015,40(6):83-87.

[7]兰波,康建东,张荻.一种新型乏风瓦斯催化氧化发电系统的开发[J].矿业安全与环保,2016,43(6):33-36.

作者:赵路正 单位:煤炭科学研究总院

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