煤矿通风瓦斯氧化装置工程应用研究

【摘要】本文阐明了煤矿通风瓦斯氧化装置的工作原理以及可供回收的热量与通风瓦斯浓度的关系。通过典型案例分析，提出了采用煤矿通风瓦斯氧化热解决煤矿部分能量需求尤其是热量需求的方案。工程应用实例证明通风瓦斯氧化装置可以满足煤矿用热需求。

【关键词】通风瓦斯；氧化装置；余热回收利用

通风瓦斯蓄热氧化装置是当前煤矿通风瓦斯减排、利用的重要设备。通风瓦斯蓄热氧化装置在将矿井通风中的甲烷氧化成水和对环境危害更小的二氧化碳、减少通风瓦斯排放温室效应的同时，还产生大量热量。如果这些热量也随着通风排入大气，不仅造成能源的浪费，而且也对环境、气候带来负面影响。

当前国外的通风瓦斯蓄热氧化装置，大多以减排和环保为目的，因此一般不配备能量回收装置。近年来，国内一些研究机构和生产商开始通风瓦斯氧化以及热量回收方面的研究和探索[1～5]，已经有余热发电的报道；但此项技术还不成熟，应用效果还有待时间检验。因此，如何结合煤矿实际的能量需求，合理利用通风瓦斯氧化热，值得我们深入地研究和探讨。

1. 煤矿的能量需求

煤矿的能量需求主要包括电力和热量。电力是井上、井下的动力、照明以及部分用热、制冷的能量来源。热量主要用于满足常年生活用热、建筑采暖和冬季设备防冻等需求。以下以地处吕梁地区的山西焦煤集团所属某煤矿为例，介绍其能量需求的具体情况（见表1）。

（1）全矿生产设备的装机总容量为30MW，运行设备总容量10MW。其中地面设备装机总容量为13MW，运行设备总容量为4MW；井下设备装机总容量为17MW，运行设备总容量为5MW，井下最大涌水时用电负荷为6MW。

（2）矿区常年生活用热负荷为1.8MW，主要用于浴室和洗衣房。目前浴室、洗衣房用热采用电加热器获得。

（3）矿区建筑面积共计6万平米，按照70W/m2供热负荷计算，同时考虑供暖管道10%的热损失，建筑采暖热负荷约为4.7MW。目前场区采用3台SZL6-1.25-AⅡ型蒸汽锅炉供暖，单台额定蒸发量6t/h，额定蒸汽压力1.25MPa。采暖热媒采用95℃/70℃热水，由锅炉房内汽、水热交换器制备。

（4）在当地极端恶劣天气条件下，冬季井筒防冻需要热功率8.9MW。当前冬季井筒防冻采用2台HSL-WJ-420型燃煤热风炉直接供热风。

（5）当前矿区采用分散的壁挂式或柜式空调制冷。考虑矿区所在地域实际气候情况，单位面积制冷量需求能量按照120W/m2计算，夏季矿区制冷建筑面积3.6万平米，则矿区夏季制冷负荷为4.3MW。

2. 通风瓦斯蓄热氧化装置产生的热量

（2）煤矿通风瓦斯氧化装置工作原理如图1所示。蓄热氧化装置运行前，需要先进行装置预热启动，使蓄热体温度达到通风瓦斯的点火温度。正常运行时，通风瓦斯通过进风管道、鼓风机、三通换向阀A进入陶瓷蓄热材料A预热，再进入氧化装置氧化室氧化分解。在氧化装置氧化室外壁设置绝热保温层，减少氧化装置向外部散热。烟气带着甲烷氧化热量进入陶瓷蓄热材料B冷却，再通过三通换向阀B、排烟管道、烟囱排入大气。经过一个工作周期后，进排气流方向切换；通风瓦斯通过进风管道、鼓风机、三通换向阀B进入陶瓷蓄热材料B预热，再进入氧化装置氧化室氧化分解；烟气带着甲烷氧化热量进入陶瓷蓄热材料A冷却，再通过三通换向阀A、排烟管道、烟囱排入大气。再经过一个工作周期后，再次换向，如此周期性循环运行。

（4）通风瓦斯氧化装置产生的低压饱和蒸汽可以用于供热、制冷、生活用热、井筒防冻等用途。通风瓦斯氧化装置也可产生中、高压过热蒸汽，先通过汽轮机产生动力用于驱动生产设备或发电机，乏汽再用于供热、井筒防冻等用途。通风瓦斯氧化装置产生的大流量低温洁净烟气也可以直接和新鲜空气混合，热量用于井筒防冻。

4. 结论

通过典型案例分析，本文提出了采用煤矿通风瓦斯氧化热解决煤矿部分能量需求尤其是热量需求的方案，主要结论如下：

（1）通风瓦斯中可回收的热量与通风瓦斯中甲烷浓度成正比，可以通过掺混抽排瓦斯来控制进入氧化装置的预混气体甲烷浓度，进而控制热量回收量。

（2）合理利用煤矿通风瓦斯氧化热，不但可以完全满足煤矿的生产、生活用热需求，还可以替代部分电能消耗。

（3）工程应用实践证明，氧化装置及余热锅炉回收的热量可以满足矿区供暖需求。

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