流化床系统燃烧超低浓度煤层气的分析

摘 要

摘要：介绍了超低浓度煤层气在流化床系统中的燃烧，分析了系统维持运行的甲烷最小体积分数，以及排烟温度、甲烷体积分数对盈余热量的影响，举例进行技术经济分析。随着排烟温度的增
摘要：介绍了超低浓度煤层气在流化床系统中的燃烧，分析了系统维持运行的甲烷最小体积分数，以及排烟温度、甲烷体积分数对盈余热量的影响，举例进行技术经济分析。随着排烟温度的增加，维持运行的甲烷最小体积分数呈线性关系递增；甲烷体积分数对盈余热量影响显著，呈线性递增趋势；在相同甲烷体积分数下，排烟温度越低，盈余热量越多；在相同排烟温度下，甲烷体积分数越高，盈余热量越多。技术经济分析表明该技术可行性好、环境效益显著，结合清洁发展机制
关键词：超低浓度煤层气；流化床；最小体积分数；盈余热量；经济分析
Analysis on Combustion of Ultra-low Concentration Coal-bed Methane in Fluidized Bed System
YANG Zhongqing，ZHANG Li，TANG Qiang
Abstract：The combustion of ultra-low concentration coal.bed methane(UCCM)in fluidzed bed system is introduced.The influence of minimum volume fraction of methane maintaining the operation of the system as well as the flue gas temperature and volume fraction of methane on surplus heat is analyzed，and the technlcal and economic analysis is taken with an example.The minimum volume fraction of methane is lmearly increased with increasing of flue gas temperature.The volume fraction of methane has signlilcant effect on surplus heat with linear increasing trend.The lower the flue gas temperatu re is，the more the surplus heat is produced at the same volume fraction of methane.The higher tbe volume fraction of methane，the more the surplus heat is produced at the same flue gas temperature.The technical and economic analysis shows that the technology has good feasibility and obvious environmental benefit.The excellent economic benefit can be achieved through the clean development mecbanism.
Key words：ultra-low concentration coal-bed methane；fluidized bed；minimum volume fraction；surplus heat；economic analysis
1 概述
    超低浓度煤层气是指甲烷的体积分数(以下均指甲烷的体积分数)低于5%的煤层气，常温常压下，这种煤层气不能被点燃或者维持燃烧。目前，国际上大部分超低浓度煤层气未进行回收处理就直接排向大气[1]。我国每年因采煤向大气排放的甲烷气体总量近200×108m3，并且随着煤炭的产量增加而增加[2]。超低浓度煤层气常存在于矿井通风气中，为了安全起见，矿井通风气的超低浓度煤层气中甲烷体积分数常低于5%，甚至低于1%，常规的方法很难实现超低浓度煤层气的能源化利用，而直接排向大气。超低浓度煤层气的排放一方面造成了有限的不司再生资源的严重浪费；另一方面，加剧了大气污染，加剧了温室效应。超低浓度煤层气的主要成分甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，甲烷对全球气候变暖的贡献占15%，仅次于二氧化碳。因此，合理回收利用超低浓度煤层气具有节能和环保双重意义。
    目前，国外对于超低浓度煤层气的利用主要分为蓄热热氧化技术和催化燃气轮机技术，蓄热热氧化技术包括：热力双向流反应器(TFRR)、催化媒双向流反应器(CFRR)和蜂窝整体反应器(CMR)。TFRR已步入商业示范阶段，可处理甲烷体积分数为0.35%的超低浓度煤层气[3]；CFRR已在实验室完成了甲烷体积分数为0.1%的煤层气的处理实验[4]；CMR则要求甲烷的体积分数在0.4%以上才能运行，但CMR具有阻力小和装置体积小的优点。催化燃气轮机需要煤层气甲烷的体积分数高于1%才能维持运行[5]。我国对于超低浓度煤层气的研究，特别是甲烷体积分数低于1%的煤层气的研究才刚刚起步。目前的研究利用技术都受到超低浓度煤层气甲烷体积分数波动、含尘量大等特点的影响，本文提出了一种新的燃烧利用超低浓度煤层气的方法，利用流化床作为超低浓度煤层气的燃烧装置。流化床燃烧装置具有热容量大、燃料适应性广的优点，能适应超低浓度煤层气甲烷体积分数波动和含尘量大的特点[6～9]。该装置可以氧化燃烧甲烷体积分数低于1%的煤层气，并且当高于维持运行的甲烷最小体积分数时，可以用来加热工质甚至发电。
2 流化床氧化燃烧系统
2.1 燃烧系统简介
    图1为流化床氧化燃烧系统，该系统主要由流化床燃烧装置和换热器组成。流化床燃烧装置外部敷有保温材料，装置的最下端为风室，风室上方为布风板，用来均匀布风和支撑床料，布风板上方为床料，床料选用惰性石英砂颗粒。启动时采用电加热的方式对床料进行预热，到950℃时停止加热，通入超低浓度煤层气。超低浓度煤层气经过风室、布风板进入炉膛下部的密相区，由于密相区堆积了大量已经预热的石英砂颗粒，超低浓度煤层气进入密相区后迅速被加热至着火温度并逐渐向炉膛上方移动。超低浓度煤层气被点着后发生氧化燃烧反应并放热，随着反应气体向炉膛上部移动，反应产生的热量逐渐传递给密相区上部和稀相区的惰性石英砂颗粒，吸热的石英砂颗粒由于重力作用又返回至密相区，这样就可以保持密相区高温的状态。如果煤层气中甲烷的体积分数高于维持燃烧的甲烷最小体积分数，产生的热量可以用来加热工质，提供热水甚至用来产生蒸汽发电。燃烧后的烟气进入气-气换热器再对引入炉膛的超低浓度煤层气进行加热，随后进入第二个换热器对工质进行加热，经过换热的排烟温度大大降低，排烟温度为100～150℃。
 

2.2 各种因素对燃烧系统性能的影响
    ① 维持运行的甲烷最小体积分数
    燃烧系统处于热平衡状态时，可用下式进行描述：
    Qr=Q1+Q2+Q3+Q5    (1)
式中Qr——输入热量，kJ/m3
    Q1——有效利用的热量，kJ/m3
    Q2——排烟热损失，kJ/m3
    Q3——气体不完全燃烧热损失，kJ/m3
    Q5——散热损失，kJ/m3
    在计算过程中认为超低浓度煤层气中甲烷完全燃烧，即气体不完全燃烧热损失Q3=0。当超低浓度煤层气中甲烷在某体积分数时，其燃烧所放出的热量只够维持系统的排烟热损失Q2和散热损失Q5时，锅炉可以利用的有效热量Q1=0时，认为该体积分数为维持运行的甲烷最小体积分数。由于系统基本维持在一定的高温运行，认为散热损失Q5一定，那么排烟温度就影响着该系统的维持运行的甲烷最小体积分数。在常规流化床中排烟温度可达100～150℃，图2给出了排烟温度对维持运行的甲烷最小体积分数的影响。可以看出，在排烟度为100℃时，该系统维持运行的体积分数为0.38%，随着排烟温度升高，维持运行的甲烷最小体积分数和排烟温度基本呈线性关系增长，主要是因为排烟温度升高直接导致了排烟热损失Q2增加。在排烟温度为150℃时，系统维持运行的最小体积分数升高到0.56%。经拟合，排烟温度θ在100～150℃时，维持运行的甲烷最小体积分数φmin与排烟温度θ的关系可用下式来描述：
    φmin=3.67×10-3θ+0.013    (2)
式中φmin——维持运行的甲烷最小体积分数，%
    θ——排烟温度，℃
 

    排烟温度对维持运行的甲烷最小体积分数影响显著，从能量利用的角度考虑，应该尽量降低排烟温度，有效利用烟气中的余热。
   ② 盈余热量
   图3给出了排烟温度和甲烷体积分数对盈余热量的影响。从图3可以看出，在相同甲烷体积分数下排烟温度越低，盈余热量越多，主要是因为在甲烷体积分数一定时，排烟温度越低，烟气中有更多的热量被回收利用。在排烟温度一定时，甲烷体积分数和盈余热量呈线性关系。
 

3 技术经济分析
    随着《京都议定书》于2005年2月生效，有效减排温室气体，改善大气环境日益成为一个重要问题，清洁发展机制(CDM)为超低浓度煤层气利用提供了新的融资渠道。目前，二氧化碳在国际市场上的交易价格为8～10欧元/t[10]，本文的计算取8欧元/t。以某煤矿的矿井通风气为例分析应用该氧化燃烧系统的技术经济性，该煤矿的矿井通风气排放参数见表1。
表1 某煤矿的矿井通风气排放参数
流量/(m3·s-1)
压力/Pa
甲烷平均体积分数/%
H2S、S02体积分数/10-6
含尘量/(mg·m-3)
100
3 920
0.50
＜1
＜4.47
    在没有采用该流化床燃烧系统前，该煤矿所抽采的矿井通风气直接排放至大气。每年按照7200h的工作时间，甲烷在工作状况下的密度以0.67kg/m3计，则每年排放的甲烷质量为8683t，由于甲烷的温室效应约为二氧化碳的21倍，则相当于每年排放二氧化碳18.23×104t。燃烧系统的排烟温度取100℃，在该参数下，维持运行的甲烷最低体积分数为0.38%，该煤矿的矿井通风气甲烷平均体积分数为0.50%，适合氧化燃烧，盈余热量为42kJ/m3，每年燃烧释放的二氧化碳约为2.39×104t。采用氧化燃烧系统后，可以实现通风气中甲烷的完全氧化，去掉燃烧产生的二氧化碳，每年减排二氧化碳为l5.84×104t。按二氧化碳的交易价格8欧元/t计算，并按1欧元兑换9.6元人民币折合成人民币，通过CDM项目可以获得资金1216.5×104元/a。盈余热量用于产生蒸汽并发电，可实现经济效益643.0×104 元/a。表2列出了项目建设造价和运行费用。固定资产折旧采用15年直线折旧法，残值取为固定资产的5%，折旧值为253.0×104元/a，运行费用为402.8×104元/a，每年赢利1203.7×104元/a。
   ① 净现值
净现值是指在一定的基准收益率下，将各年净现金流量都贴现为基准年的现值之和，即工程项目逐年净现金流量现值的代数和，公式如下：
 
式中VNP——净现值，元
    n——计算周期，a
    CI,t——第t年的现金流入，元
    CO,t——第t年的现金流出，元
    i——基准收益率
表2 项目建设造价及运行费用
项目建设造价/元
运行费用/(元·a-1)
燃烧系统
发电设备
自动控制系统
风机等辅助系统
耗电费用
维护费用
工资
1700.0×104
1000.0×104
500.0×104
800.0×104
226.8×104
126.0×104
50.0×104
    这个项目基准收益率取12%，计算周期取16年(含建设期1年)，则该项目的净现值为3546×104元，远大于0，这表明该方案是可取的。
   ② 内部收益率
内部收益率是指投资项目在建设和生产服务年限内可以使净现金流量的累计净现值等于零时的贴现率。可用下式进行计算：
 
式中VP——现值，元
    PIR——内部收益率
    经计算，该项目的内部收益率为28.37%，超出了基准收益率l2%。
   ③ 盈亏平衡分析
盈亏平衡分析主要是测算项目投产后盈亏平衡点(BEP)，以考察项目对风险的承受能力。图4为该项目的盈亏平衡分析，分析了固定成本、经营成本、收入和达产率的关系。从图4可以看出，在达产率为28%时，收支相抵，当达产率超过28%时，就可以实现赢利。
 

   ④ 敏感性分析
   敏感性分析就是预测和分析对项目经济评价起作用的各个变量因素发生变化时，对项目经济效果的影响程度。图5分析了二氧化碳在CDM中的销售价格、经营成本、产量和建设造价在-10%～10%范围内变化时内部收益率的变化。从图5可知，当产量变化从0变化至10%时，内部收益率从28.37%变化至33.31%，变化幅度最大，其次是建设造价。产量(即矿井通风气的抽采量)对项目的经济效果影响最明显，其次是项目的建设造价。
    流化床燃烧技术应用到该煤矿后，每年可以减排二氧化碳约15.84×104t，净现值为3 546×104元，内部收益率28.37%，当达产率超过28%时，就可以实现赢利，风险较小。敏感性分析表明产量对项目的经济效益影响最大，其次是建设造价、二氧化碳销售价格，经营成本的影响最小。
 

4 结论
    ① 流化床燃烧系统中惰性颗粒既是床料又是蓄热材料，通过惰性颗粒的吸放热及其在炉膛中的返混来维持密相区的高温，从而可以实现超低浓度煤层气的氧化燃烧。
    ② 排烟温度对维持运行的甲烷最小体积分数影响较大，当排烟温度在100～150℃时，维持运行的最小体积分数为0.38%～0.56%，且随排烟温度的增加以线性关系递增。
    ③ 燃烧装置中，盈余热量随着超低浓度煤层气甲烷体积分数的增加呈线性递增。在相同体积分数下，排烟温度越低，烟气回收利用的热量越多，盈余热量越多。
    ④ 通过技术经济分析可知，流化床燃烧技术具有较好的可实施性，结合CDM可以实现较好的经济效益。
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(本文作者：杨仲卿 张力 唐强 重庆大学 动力工程学院 重庆 400030)