煤矿超低浓度瓦斯利用项目 ―催化氧化技术一、 项目背景和意义瓦斯，也称为煤层气，是吸附在煤层中的甲烷，开采煤炭时由于煤层的压力减小而不断释放出来。煤层气是清洁能源，利用煤层气符合国家低碳、环保的产业政策。国务院办公厅、国家发改委、能源局等部门多次发文鼓励和支持国内煤层气利用，但目前利用起来的煤层气较少，即使完成国家煤层气利用的十三五规划时，利用的煤层气也仅为煤层气总资源的30%。如图1所示，除地面抽采瓦斯作为燃料使用外，浓度大于10%的瓦斯在瓦斯发电机中发电，而浓度低于10%的瓦斯，包括风排瓦斯（浓度在0.2%左右）都排放到大气。 图1 煤层气资源的利用率超低浓度瓦斯以0.2%左右的乏风为主，还包括浓度低于10%，不能在瓦斯发电机中发电，而排放的低浓度瓦斯，约占低浓度瓦斯的1/3左右。瓦斯提浓站排放的解吸气中的低浓度瓦斯，以及其它没有利用而直接排放到大气中的低浓度瓦斯。尽管这些瓦斯的浓度低，但占整个煤层气资源的70%，利用这些瓦斯创造的经济效益和环境效益很大。目前，国内煤矿每年排放到大气的超低浓度瓦斯中有300亿立方米甲烷。如果把它们作为燃料使用可以替代近一亿吨燃煤，减排二氧化硫93万吨，NOx 52万吨，减排颗粒物126万吨。充分利用这些瓦斯可以大量减排污染物，对改善大气环境有重要意义。甲烷是重要的温室气体，排放300亿立方米甲烷相当于排放二氧化碳5.5亿吨，占全国温室气体排放量的5%，而煤炭工业的总产值1.5万亿元，占GDP的比重约为2%。煤炭行业的温室气体排放量过大，减排潜力大。国内碳交易市场已于2017年底开始建设。碳交易市场建成后，利用超低浓度瓦斯还获得碳交易收益，如果按30元/吨计算，每年的碳交易收益为30×5.5= 165亿元。利用300亿立方米超低浓度瓦斯每年可以发电750亿度，发电后的余热可以做居民冬季供暖和夏季的吸收制冷。电、用热，替代燃煤锅炉和用电空调，还可以向2亿立方米居民区冬季供暖，夏季提供中央空调。预计年经济效益在500亿元以上。另外，把这些超低浓度瓦斯作为燃料加以利用，可以补充国内天然气供应量的不足，缓解部分省市天然气“气荒”问题。超低浓瓦斯的利用，具有巨大的经济效益和社会效益，对节能减排、环境保护具有重大意义。二、 现有技术简介1. 现有技术存在的问题由于超低浓度瓦斯的甲烷浓度低，不能用传统的燃烧方式点燃。蓄热式氧化能将这些超低浓度甲烷氧化成二氧化碳和水，是一种可行的技术方案。国内第一套乏风氧化利用项目（山西潞安高河项目）投资3.3亿元，用德国杜尔的热氧化技术，使乏风中的甲烷与氧气在1100-1200℃发生氧化。该装置处理量为130万Nm3/h乏风。向甲烷浓度为0.2%左右的乏风（风排瓦斯）中每分钟掺混600m3的20%浓度瓦斯，使超低浓度瓦斯浓度维持在1.0-1.2%。瓦斯氧化后的热量进行蒸汽发电，发电规模为30MW。该项目存在的问题是1) 瓦斯浪费大。瓦斯氧化装置需要消耗全部瓦斯的20%，来维持其1100- 1200℃的操作温度。2) 热量利用率低。该装置排放到大气中烟气的温度在130℃以上，带走了大量的热量。3) 发电效率低。若20%浓度的瓦斯用瓦斯发电机发电，每立方米可以至少发电3.5 kWh，而掺混到乏风中，制蒸汽发电每立方米瓦斯仅能发电2.5 kWh。每年造成高河煤矿发电损失为5760万kWh。4) 设备效率低、占地面积大。氧化装置用大量蜂窝陶瓷蓄热体蓄积瓦斯氧化释放出的热量，设备占地较大。高河项目的氧化装置占地为50m×150m。国内多数煤矿都建在山区，平地少，实施该技术的占地成本非常高。5) 超低浓度瓦斯利用规模受限制。煤矿中浓度高的瓦斯流量相对较少，且不稳定，使超低浓度瓦斯的热值受到影响。由于没有足够的可掺混高浓度瓦斯，高河项目的发电量经常在设计容量的1/3左右，使经济效益变差。6) 造成大量固态废弃物、污染环境 每台热氧化装置都使用几十立方米的蜂窝陶瓷蓄热体。高河项目12台氧化装置的蓄热体总用量在1000立方米左右。由于热氧化装置的操作温度高，这些蓄热体要1-2年更换一次，造成大量固废弃物，形成新的环境污染。7) 热氧化装置处理的瓦斯浓度范围过窄热氧化装置能处理的瓦斯浓度1-1.2%，否则，会使氧化装置内的温度无法控制而烧毁。重庆煤科院在阳泉煤矿的试验项目中采用热氧化装置处理浓度为8%左右的瓦斯，需要向瓦斯中掺混空气，将瓦斯稀释为1%才能氧化。这就使稀释后的瓦斯体积流量加大若干倍，也就使设备的占地和投资增加。8) 设备的投资大、经济效益差热氧化技术发电的投资为1.1万元/kW，不仅远远高于火电的0.45万元/kW，也高于低浓度瓦斯发电的0.65万元/kW，投资回报期通常在6年以上。这也阻碍了该技术在国内煤矿大规模应用。2. 催化氧化技术的优势与热氧化技术相比，催化氧化技术有如下特点：1) 提高了瓦斯利用率。在催化剂作用下，将反应器的工作温度降到400℃，瓦斯消耗量比热氧化方法高10%2) 热量利用率提高。排烟温度为60℃、装置的散热减少，使热量利用率比热氧化技术提高了10%。3) 发电效率高。由于装置设计先进，用于发电的热量比热氧化技术多了10%，发电效率提高。4) 没有固态废弃物排放 蓄热体长期使用，催化剂可再生，不形成固态废弃物，环境友好。5) 经济效益提高。利用每立方米瓦斯，催化氧化的热量效率比热氧化方法提高30%，氧化装置的设备价格低20%，故经济效益较好。由于催化氧化技术有明显的优势，国内多家科研机构做了二十多年工作，但受反应器放大设计、自动控制和高活性、可靠性催化剂制备等技术的限制，该技术一直处于实验室研究和小试规模（处理量小于1000立方米/小时）阶段。三、 本项目进展1. 工业化进度2010年底--2013年6月，北京化工大学在沙曲矿建立了一套处理量为1000m3/min的风排瓦斯催化氧化工业试验装置。工业试验取得成功。甲烷摧毁效率大于95%、热量损失率低于国外热氧化技术等，这是国内首个达到工业规模的乏风催化氧化装置。该装置的处理规模和技术水平目前仍然是国内领先的。2013年6月19日，中国煤炭工业协会组织专家对“风排瓦斯催化氧化技术研究”项目进行了论证，专家组认为，项目达到国际先进水平。实现了催化氧化技术的自主创新。本项目已申请四项专利，已授权两项，其余处于实审阶段。2016年12月，风排瓦斯催化氧化项目经国家科技部组织的专家评审，列入科技部、工信部、环保部联合发布的节能减排与低碳技术成果转化推广清单（第二批）2016年，本技术列入国家安全监管总局（安监总厅科技〔2016〕27号）发布2016年安全生产重大事故防治关键技术科技项目目录。2. 技术的改进、升级目前，已对催化氧化技术进行了升级，升级后的技术是颠覆性的，热氧化技术完全没有竞争力。需要建立工业示范装置验证，便于在国内煤矿大规模推广。1) 通过浓缩将风排瓦斯浓度提高10倍，瓦斯氧化装置的处理量降为原来的1/10，减少了设备的占地。2) 进一步提高了瓦斯利用率。100%的瓦斯热量可用，减小了瓦斯消耗。3) 能够直接利用甲烷浓度大于2%的瓦斯。4) 设备占地面积小。采用新技术的氧化装置占地为原来技术的1/4。5) 经济效益好。新技术的投资为0.65万元/kW。投资回报期小于3年。四、 应用前景据2010年的统计数据，全国高瓦斯矿井2197个。这些矿井都具备应用本项技术的条件，按每个矿井上两套装置（通常每个矿井都有3-4个风井），每套装置1亿元计算，全国是市场规模在4000亿元左右。由于本技术在该领域的先进性，至少能获得一半的市场分额，故市场前景较好。本项目的主要市场在山西、贵州、安徽等有高瓦斯煤矿的省份。五、 经济效益分析1. 蓄热式催化氧化方案以一个处理量为4000Nm3/min风排瓦斯，浓度为0.2%，掺混低浓度瓦斯纯量为34Nm3/min后，超低浓度瓦斯的甲烷浓度为1.05%，瓦斯氧化后带到6MW的蒸汽发电机组。项目投资6050万元。表1 项目投资预算项目名称 单价数量 合计费用 瓦斯氧化装置反应器 8004 3200 　 控制系统 2001　 200 其他配件 2001 200 发电系统 汽轮机-发电机组 15501 1550　 工程费用 设计费 2001　 200　 　 土建费 3001　 300　 　 安装费 4001　 400　 合计费用 　 　 6050 项目收益1. 上网电价按0.509元/度。按照120天供暖，50%负荷发电。其余时间按额定负荷发电。6000×（8000-120×24）×0.509+ 0.5×6000×120×24 （发电功率 年发电的小时数-供暖期 供暖期发电量为满发的50%（抽汽供暖））×0.509，收益为2003.4万元。2. 替代燃煤9370吨，按每吨煤400元，0.937×400，为374.8万元。0.5×6000×120×24×3600/（7000×4.18×1000）×0.9= 9370吨（供暖的总热量 每吨标准煤的热量 热效率）共计2003.4+374.8=2378.2万元项目支出1. 电费。4×100×8000×0.5+6000×5%*8000*0.5=280万元 （风机用电 电价 发电系统自用电量*电价）2. 人工费：10*8=80万元3. 折旧费：6050/15=403万元4. 维修费：4×100+100=500万元总支出为280+403+80+500=1263万元投资回报周期为：6050/(2378.2.2-1263)=5.4年如果国内碳交易市场启动，按较保守价格，30元/吨计算，每年减排29.16万吨；收益为29.16×30=874.8万元。投资回报周期为：6050/(2378.2-1263+874.8)=3.0年2. 浓缩-催化氧化方案处理量为4000Nm3/min风排瓦斯，浓度为0.2%，经吸附浓缩成400Nm3/m，浓度为 2%的超低浓度瓦斯，浓度为4.25%的低浓度瓦斯800Nm3/min，两股低浓度瓦斯混合后，在瓦斯氧化装置中氧化，瓦斯氧化的热量产生蒸汽，带动6MW的蒸汽发电机组。项目投资4200万元。表2 项目投资预算项目名称 单价数量 合计费用 瓦斯氧化装置反应器 8001 800控制系统 2001　 200 浓缩系统 4001 600 余热锅炉4001400发电系统 　 汽轮机-发电机 2501 1550 工程费用 设计费 2001　 200　 土建费 1501　 150　 安装费 3001　 300　 合计费用 　 　 4200项目收益1. 上网电价按0.509元/度。按照120天供暖，50%负荷发电。其余时间按额定负荷发电。6000×（8000-120×24）×0.509+ 0.5×6000×120×24×0.509，收益为2003.4万元。2. 替代燃煤9370吨，按每吨煤400元，0.937×400，为374.8万元。 共计2003.4+374.8=2378.2万元项目支出1. 电费。1×100×8000×0.5+6000×5%*8000*0.5=160万元2. 人工费：10*8=80万元3. 折旧费：4200/15=280万元4. 维修费：2×100+100=300万元总支出为160+280+80+300=820万元投资回报周期为：4200/(2378.2-820)=2.7年通过上述两方案的对比，浓缩-催化氧化方案的经济效益较好。另外，该方案的占地仅为蓄热式催化氧化的1/4，操作费用也较低，是一种更先进的技术路线。六、 技术和服务优势具备科研开发和工程设计能力，与安装、运行公司紧密合作，在技术和服务上有一定的优势。 1. 自主创新的催化氧化反应器技术确保设备可靠，降低投资。 经过多年的技术开发和工业试验验证，具备催化剂制备、工业规模的反应器设计、自动控制等核心技术，保证了反应器的可靠运行。 由于掌握了生产和改进反应器的全部核心技术，能有效降低成本。制造、维护实现本地化，提供及时服务，降低运行和维护成本。 2. 具备系统优化能力，使项目的效益最大化。 掌握催化氧化技术的风排瓦斯收集、低浓瓦斯混合、催化氧化反应器、热能利用等各系统的细节。通过合理安排工艺流程，从节省项目占地、减少蒸汽管线长度、降低项目补水量等多方面降低项目的投资和运行费用。