劉 樂，趙 武，張治倉，盧陽鑫，巫志華，王蒲偉

(1.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西 西安 710100；2.陜西新泰能源有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤層氣(煤礦瓦斯)是賦存于煤層及煤系地層的烴類氣體，屬于非常規(guī)天然氣，主要成分是優(yōu)質(zhì)清潔能源甲烷，其熱值是通用煤的2～5倍，1 m3純煤層氣熱值相當(dāng)于1.13 kg汽油、1.21 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。煤層氣(煤礦瓦斯)易燃易爆，極易造成較大規(guī)模的煤礦事故，同時也是主要的溫室氣體，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍。因此，國家高度重視煤層氣(煤礦瓦斯)的開發(fā)利用以及事故防治工作。加快煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用，對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放具有重要意義。

近年來，煤層氣的開發(fā)利用受到了不同產(chǎn)煤大國的重視，各國均進(jìn)行了積極的勘探實驗[1]。隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐加快，煤層氣(煤礦瓦斯)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，國家及地方陸續(xù)出臺了關(guān)于煤層氣(煤礦瓦斯)開采利用相關(guān)政策，支持和鼓勵企業(yè)加快煤層產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康、快速發(fā)展。國家能源局出臺的《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》明確指出，煤層氣的開發(fā)需堅持創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展5個原則，實現(xiàn)到2020年，煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量達(dá)到240億m3，煤礦瓦斯發(fā)電容量280萬kW，事故死亡人數(shù)比2015年下降15%以上，為構(gòu)建低碳清潔、安全高效的現(xiàn)代能源體系做出貢獻(xiàn)。

1 存在的問題

據(jù)統(tǒng)計，我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)潛力巨大，但存在開采難度大，產(chǎn)業(yè)區(qū)域發(fā)展不均衡的問題。而且煤層氣(煤礦瓦斯)產(chǎn)業(yè)處于初級階段，規(guī)模小，市場競爭力弱，煤層氣(煤礦瓦斯)的利用方式單一，利用熱效率低，造成熱島型環(huán)境污染，缺少高附加值產(chǎn)品輸出[1]。目前煤層氣(煤礦瓦斯)利用方式以發(fā)電、供熱或產(chǎn)生熱水為主，生產(chǎn)液化天然氣等化工產(chǎn)品及民用產(chǎn)品較少[2]。近年來，很多學(xué)者對煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電進(jìn)行了研究，趙玉龍等[3]從我國煤層氣資源的特點及分布出發(fā)，對煤層氣發(fā)電的工藝流程、節(jié)能成果及經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行分析，提出煤層氣發(fā)電是其綜合利用最有經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保效益的途徑。謝曉東等[4]指出，現(xiàn)有煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電主要采用燃?xì)鈾C(jī)組，在發(fā)電過程中，只有約35%的燃料能量通過發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能，剩余65%的能量浪費，其中隨廢氣排出熱量約為30%，被冷卻水帶走熱量約為25%，通過機(jī)身散發(fā)等其它損失占10%左右。整個系統(tǒng)綜合熱效率較低，大部分熱源以煙氣、冷卻水的形式排放到環(huán)境中。不僅造成能源浪費，同時給環(huán)境帶來了污染。在能源日漸匱乏、環(huán)境要求越來越高的前提下，如何提高煤層氣的煙氣余熱利用率具有非常重要的意義[5-6]。

很多學(xué)者對瓦斯余熱利用進(jìn)行了研究，楊永強(qiáng)等[7]以鶴壁六礦瓦斯余熱利用為例，以余熱供暖為例，分析了余熱利用的經(jīng)濟(jì)性，并探討了瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱利用的發(fā)展方向。楊飛[8]將余熱鍋爐熱量與缸套冷卻水熱量引入工業(yè)現(xiàn)場，解決進(jìn)風(fēng)井筒冬季防凍問題以及職工洗浴問題，實現(xiàn)資源的綜合利用。楊衛(wèi)華等人[9]對瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱進(jìn)行了計算，并對余熱利用蒸汽輸送管道選型做出了指導(dǎo)，對工程應(yīng)用具有一定的意義。聞其有[10]提出了煙氣余熱供暖、供熱、制冷的方案。劉海林等人[11]通過在冷卻系統(tǒng)安裝板式換熱器，回收大量熱量，實現(xiàn)礦區(qū)洗浴與供暖。文中在前人研究的基礎(chǔ)上，以應(yīng)用實例為基礎(chǔ)，從煙氣余熱供熱供暖、制冷、梯級發(fā)電等幾個方面，進(jìn)一步探討余熱綜合利用方式。

2 綜合利用設(shè)計方案

在瓦斯發(fā)電過程中，有2部分能量嚴(yán)重浪費，一是高溫?zé)煔庵苯优趴盏臒崃?，二是缸套水耗散的熱量[12]。以陜西某煤層氣公司實際運行參數(shù)為例，目前共24臺瓦斯燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組對井下抽采的煤礦瓦斯進(jìn)行利用，單機(jī)功率為500 kW。瓦斯燃?xì)鈾C(jī)組的煙氣排煙溫度高達(dá)550 ℃，目前煙氣直接排入大氣，造成極大的浪費。初步計算，1臺500 kW的發(fā)電機(jī)組，煙氣流量約為2 250 m3/h，假設(shè)煙氣溫度從550 ℃降到170 ℃，煙氣余熱參數(shù)見表1，則24臺發(fā)電機(jī)組煙氣余熱可利用的熱量Q1為

表1 煙氣余熱參數(shù)

Q1=nC1M1ρ1(T11-T12)=28 984 mJ/h

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運行過程中，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，冷卻水進(jìn)水溫度約60～65 ℃，回水溫度約65～75 ℃，每臺循環(huán)水泵流量約30～50 m3/h，取進(jìn)水溫度62 ℃，回水溫度70 ℃，每臺循環(huán)水泵流量40 m3/h，缸套水參數(shù)見表2，則24臺發(fā)電機(jī)組缸套水余熱可利用的熱量Q2為

表2 缸套水余熱參數(shù)

Q2=nC2M2ρ2(T21-T22)=32 256 mJ/h

由此可見，在瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電的過程中，煙氣余熱以及缸套水的熱量比較可觀。為了實現(xiàn)煙氣和缸套水余熱回收，提高資源利用率，文中提供了如下幾種解決方案。

2.1 缸套水供應(yīng)生活熱水

一般情況下，礦區(qū)處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，礦區(qū)生活熱水通過蒸汽鍋爐提供，成本較高?？赏ㄟ^水-水板式換熱器對缸套水熱量進(jìn)行回收，為礦區(qū)提供生活熱水，工藝流程如圖1所示。其中，溫度為20 ℃的冷水，經(jīng)過板式換熱器吸收熱量，產(chǎn)生溫度為50 ℃的熱水，直接作為洗浴熱水供給礦區(qū)使用。經(jīng)計算，通過換熱器可提供50 ℃的熱水量M3為

圖1 缸套水供應(yīng)生活熱水工藝流程

式中，T31，T32分別為冷熱水溫度，℃。每天可提供50 ℃的熱水量為6 144 m3。

2.2 煙氣余熱供暖

由于環(huán)境空氣質(zhì)量的要求，燃煤取暖受到限制，用電取暖成本又過高，對于沒有集中供暖系統(tǒng)的礦區(qū)，可采用煙氣換熱器對余熱進(jìn)行回收，實現(xiàn)礦區(qū)供暖?？赏ㄟ^在瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣出口增加一套煙氣換熱器，將75 ℃的冷水經(jīng)過煙氣換熱器吸收熱量，產(chǎn)生85 ℃左右的熱水，進(jìn)入供暖系統(tǒng)，從而解決礦區(qū)供暖難的問題。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 煙氣余熱供暖工藝流程

假設(shè)煙氣換熱器換熱效率η1為90%，可提供的煙氣熱量為

Q4=η1Q1=0.9×28 984=26 086 mJ/h

每平方米取暖所需熱量A為250 kJ/(m2·h)，供暖管網(wǎng)效率η2為90%，則余熱回收的熱量可供暖的面積為

η2Q4/A=0.9×26 086/250=93 909 m2

2.3 煙氣余熱制冷

煙氣余熱可用于溴化鋰吸收式制冷，煙氣通過余熱鍋爐，產(chǎn)生過熱或飽和蒸汽，加熱發(fā)生器里的溴化鋰溶液，溶液中水不斷汽化，溴化鋰溶液濃度增加，進(jìn)入吸收器，水蒸汽進(jìn)入冷凝器，成為高壓低溫的液態(tài)水，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量汽化，達(dá)到連續(xù)降溫制冷的目的，工藝流程如圖3所示。

圖3 煙氣余熱制冷工藝流程

煙氣通過余熱鍋爐，產(chǎn)生溫度為150 ℃的飽和蒸汽，飽和蒸汽加熱溴化鋰溶液，煙氣余熱鍋爐熱效率為90%，以市場占有率較高的江蘇雙良溴化鋰機(jī)組為例，機(jī)組能效比一般為1.1～1.3，取為1.2。制取的冷量為28 984×0.9×1.2=31 303 mJ/h。

2.4 余熱梯級利用

若礦區(qū)對供熱或者制冷的需求不大且瓦斯開采量較大時，可通過小型汽輪機(jī)結(jié)合有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行余熱梯級發(fā)電。煙氣通過余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽，過熱蒸汽驅(qū)動背壓式汽輪機(jī)做功，帶動同步或異步發(fā)電機(jī)發(fā)電，回收一部分能量。同時，由于背壓式汽輪機(jī)排汽溫度較高，一般大于150 ℃，該部分熱量可以通過有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行熱量的二次利用?？蔀榈V區(qū)提供日常用電，也可發(fā)電上網(wǎng)，有效避免余熱浪費，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)方案的主要設(shè)備為余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組、ORC發(fā)電機(jī)組，工藝流程圖如圖4所示。

圖4 煙氣余熱梯級利用發(fā)電工藝流程

以航天推進(jìn)技術(shù)研究院某梯級利用示范項目為例，煙氣通過余熱鍋爐，產(chǎn)生2.5 MPa、400 ℃的過熱蒸汽，經(jīng)過汽輪機(jī)與有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行二次發(fā)電，機(jī)組實際運行熱效率為11%，余熱鍋爐熱效率取90%，一年按照7 200 h計，則年發(fā)電量為28 984×0.9×0.1×7 200×0.277 8=5.22×106kW·h，年節(jié)約標(biāo)煤約2 109 t，減少CO2排放約5 525 t。

3 結(jié)論

(1)瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電，煙氣余熱以及缸套水的熱量比較可觀，采用煙氣換熱器對余熱進(jìn)行回收，通過在瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣出口增加一套煙氣換熱器，從而解決礦區(qū)供暖難的問題，提高資源利用率。

(2)瓦斯發(fā)電除了為礦區(qū)提供日常用電，多余的電可用來上網(wǎng)，有效避免余熱浪費，減少CO2排放，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。