岳云宁
（陕西新泰能源有限公司 陕西咸阳 713500）
摘要：首先对低浓度瓦斯安全燃烧技术难点、核心技术和热能岛原理进行了阐述，其次介绍下石节煤矿气源及供暖需求情况，最后，对项目建成后节能减排情况和经济效益情况进行了分析。对今后瓦斯向更低浓度发展有良好的示范意义。
关键词：瓦斯；安全燃烧；供暖
0 引言
在低浓度瓦斯发电技术没有成功应用之前，煤矿安全规程规定，不得利用浓度＜30%的低浓度瓦斯。低浓瓦斯发电技术成熟后，改写了煤矿安全规程，低浓度瓦斯可以用于瓦斯发电。低浓度瓦斯发电机组的浓度适应范围9%～30%。浓度3%～8%的低浓度瓦斯占煤矿瓦斯总量的36%，没有成熟的直接利用技术，通常有两种间接利用方法：一是掺混到浓度更高的瓦斯气中，使掺混后的浓度大于9%，再进行低浓度瓦斯发电利用，其掺混量有限；二是利用煤矿乏风进行稀释，将浓度稀释到1.2%以下进行乏风氧化利用，其热效率低。
下石节煤矿位于陕西铜川市西北部，距市区54km。年产能160万t，服务年限10年。共有4套瓦斯抽排系统，其中有3套系统浓度均在3%～8%，甲烷纯量约为15 m3/min，直接排放瓦斯不但浪费资源，还会造成温室效应，为此，陕西新泰能源有限公司与北京君发可燃气体技术开发有限公司合作，采用低浓度瓦斯安全燃烧技术，并利用3%～8%低浓度瓦斯安全燃烧产生的高温烟气经过余热锅炉转化为低压微过热蒸汽，供煤矿的地面建筑冬季采暖和洗浴热水。
1 低浓度瓦斯安全燃烧技术介绍
1.1 低浓度瓦安全燃烧存在的难点
以前，没有低浓度瓦斯安全燃烧的成熟技术，是因为它有以下特性：
（1）点火困难；（2）点火容易爆炸；（3）容易熄火，并容易在熄火时发生聚集爆炸；（4）容易回火，并容易在回火时发生爆炸；（5）点火延迟，燃烧不充分。
1.2 低浓度瓦斯安全燃烧核心技术
低浓度瓦斯安全燃烧的核心技术是：系统的专利技术硬件设施和完善的自动控制系统，设置了点火保护、熄火保护、回火保护、尾气可燃物含量超限保护、阀门泄漏保护、停电保护、快速切断气源等多种保护功能，确保系统安全稳定可靠，解决了点火困难、点火爆炸、回火爆炸、熄火以及点火延迟的技术难题，实现了顺利点火、防止回火、熄火后安全再点燃、防止爆炸、充分燃烧等功能。从根本上解决了“低浓度瓦斯燃烧会发生爆炸”的技术难题。让低浓度瓦斯直接利用成为了现实。
1.3 低浓度瓦斯热能岛工作原理
低浓度瓦斯热能岛工作原理如图1所示。
图1 低浓度瓦斯热能岛工作原理
（1）安全点火：首先确认炉膛环境无任何可燃气体，点火器点燃液化气形成明火。低浓度瓦斯经预处理器处理达到点燃条件后，进入辅助燃烧器，在辅助燃烧器出口被液化气火焰点燃，然后液化气关闭。低浓度瓦斯燃烧将燃烧室温度加热至900 ℃，再开启主燃烧器进入低浓度瓦斯，被辅助燃烧器的火焰和燃烧室的能量点燃燃烧。
（2）稳定燃烧：自动控制系统调节燃烧的火焰温度和炉膛温度，燃烧的火焰和整个炉膛温度达到900℃以上，正常控制在（1000±50）℃，确保足够的反应温度。
（3）充分燃烧：炉膛内设计的烟气迂回扰动迷宫式温度场，大大延长了瓦斯气及可燃成分在炉膛内的氧化反应时间，实现了完全燃烧，无瓦斯逃逸现象，氧化率高。
（4）低氮燃烧：自主开发的燃烧系统控制软件，将火焰温度严格控制在（1000±50）℃，大大减少了NOx的排放，其NOx排放低于国内燃气锅炉所要求的超净排放指标值。
（5）热能利用：从燃烧室出来的高温烟气经过热能载移装置，根据实际需要可以转化为蒸汽、热水、热风、导热油等形式进行热能利用。尾部低温烟气热能传递给低浓度瓦斯气，提高进入热能岛的瓦斯气的初始温度，最后排烟温度80℃，大大提高了热效率。
2 煤矿气源及供热需求情况
2.1 瓦斯气源及供暖需求
根据下石节煤矿原来的锅炉蒸吨及负责的供暖区域，锅炉的实际运行蒸汽压力为0.25MPa（表压）。每年冬季供热消耗燃煤总量为10000t。非供暖季每月平均消耗约400t燃煤，主要用于煤矿洗浴用水。平均每小时的供热所需蒸汽量5t，供暖季供热量约为4.77×104 GJ，非供暖季洗澡水供热量约为3.27×104GJ，全年供热总量约为：4.77+3.27=8.04×104 GJ。
项目考虑两种方案，一是销毁全部抽采的低浓度瓦斯，解决环境温室气体排放同时解决工业广场的供暖和常年提供洗澡水问题。通过降低热能岛的整体热效率实现销毁瓦斯和供暖负荷的平衡问题。二是降低瓦斯消耗量，以刚好满足供热需求为原则进行设计。本项目考虑全部销毁抽采的15Nm3/min的瓦斯进行设计。
2.2完全替代燃煤锅炉节约燃煤量
计算原则为仅冬季运行替代燃煤锅炉，则冬季运行3600小时，并按照减少生活区的一台15t/h的负荷，根据地面采暖面积以及二广场的临时增加的供热负荷，按照原来供暖季的耗煤量10000吨的50%，非供暖季每月耗煤量400吨计算，可以节约锅炉燃料量：5000+400×7=7800吨/年。
3.热力计算
按照余热锅炉参数0.5MPa、180℃过热蒸汽，锅炉进水温度20℃，瓦斯热值：35900kJ/Nm3，过热蒸汽热焓值2811.7kJ/kg，进水热焓值83.9kJ/kg。项目冬季供热能力约为5.19×104 GJ。
项目的余热回收能力已经达到或超过冬季的供热负荷需求，非供暖季的产生的热量将会大大的超过供热需求，产生的蒸汽如果不能被煤矿充分利用，将会造成大量的蒸汽浪费和除盐水的浪费，既浪费了能源由浪费了水资源。所以项目设计高温烟气旁路，当不需要热源的情况下，可以将销毁瓦斯产生的高温烟气，直接通过旁路烟道排放。
4、节能减排及经济效益分析
4.1节能减排分析
本工程采用低浓度瓦斯热能岛产生低压微过热蒸汽，将抽采的瓦斯全部燃烧并充分利用燃烧释放的热能，在满足煤矿供热的情况下，进行发电自用。按照年供热总量8.04×104 GJ计算，每年节约标煤2743.28吨。
项目投入运行后，每年冬季运行3600小时，非供暖季运行4400小时，全年运行8000小时，销毁瓦斯纯量达720×104 Nm3，1kg每年可减排二氧化碳当量12.6×104吨。
4.2 经济效益分析
本项目估算总投资1760万元，项目建成后，按照节约天然气计算，年营业收入905.85万元（含政府补贴），项目支出605.32万元，利润总额300.53万，静态投资回收期5.86年。有着较好的经济效益。
5.结语
瓦斯直燃技术的应用，可以利用排放的低浓度瓦斯的热能为煤矿提供足够的供热负荷，完全取代原有的燃煤锅炉，既解决了煤矿的冬季供热和热水需求，以实现瓦斯利用向更低浓度方向拓展，又能将有害的温室气体还原为宝贵的能源，促进煤矿安全生产。
作者简介：岳云宁（1982—），男，陕西旬邑人，工程师，从事瓦斯综合利用工作。