流化床系統(tǒng)燃燒超低濃度煤層氣的分析

摘 要

摘要：介紹了超低濃度煤層氣在流化床系統(tǒng)中的燃燒，分析了系統(tǒng)維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)，以及排煙溫度、甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)盈余熱量的影響，舉例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。隨著排煙溫度的增
摘要：介紹了超低濃度煤層氣在流化床系統(tǒng)中的燃燒，分析了系統(tǒng)維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)，以及排煙溫度、甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)盈余熱量的影響，舉例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。隨著排煙溫度的增加，維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系遞增；甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)盈余熱量影響顯著，呈線性遞增趨勢(shì)；在相同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，排煙溫度越低，盈余熱量越多；在相同排煙溫度下，甲烷體積分?jǐn)?shù)越高，盈余熱量越多。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明該技術(shù)可行性好、環(huán)境效益顯著，結(jié)合清潔發(fā)展機(jī)制
關(guān)鍵詞：超低濃度煤層氣；流化床；最小體積分?jǐn)?shù)；盈余熱量；經(jīng)濟(jì)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
    超低濃度煤層氣是指甲烷的體積分?jǐn)?shù)(以下均指甲烷的體積分?jǐn)?shù))低于5%的煤層氣，常溫常壓下，這種煤層氣不能被點(diǎn)燃或者維持燃燒。目前，國(guó)際上大部分超低濃度煤層氣未進(jìn)行回收處理就直接排向大氣[1]。我國(guó)每年因采煤向大氣排放的甲烷氣體總量近200×108m3，并且隨著煤炭的產(chǎn)量增加而增加[2]。超低濃度煤層氣常存在于礦井通風(fēng)氣中，為了安全起見(jiàn)，礦井通風(fēng)氣的超低濃度煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)常低于5%，甚至低于1%，常規(guī)的方法很難實(shí)現(xiàn)超低濃度煤層氣的能源化利用，而直接排向大氣。超低濃度煤層氣的排放一方面造成了有限的不司再生資源的嚴(yán)重浪費(fèi)；另一方面，加劇了大氣污染，加劇了溫室效應(yīng)。超低濃度煤層氣的主要成分甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，甲烷對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)占15%，僅次于二氧化碳。因此，合理回收利用超低濃度煤層氣具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。
    目前，國(guó)外對(duì)于超低濃度煤層氣的利用主要分為蓄熱熱氧化技術(shù)和催化燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，蓄熱熱氧化技術(shù)包括：熱力雙向流反應(yīng)器(TFRR)、催化媒雙向流反應(yīng)器(CFRR)和蜂窩整體反應(yīng)器(CMR)。TFRR已步入商業(yè)示范階段，可處理甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.35%的超低濃度煤層氣[3]；CFRR已在實(shí)驗(yàn)室完成了甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.1%的煤層氣的處理實(shí)驗(yàn)[4]；CMR則要求甲烷的體積分?jǐn)?shù)在0.4%以上才能運(yùn)行，但CMR具有阻力小和裝置體積小的優(yōu)點(diǎn)。催化燃?xì)廨啓C(jī)需要煤層氣甲烷的體積分?jǐn)?shù)高于1%才能維持運(yùn)行[5]。我國(guó)對(duì)于超低濃度煤層氣的研究，特別是甲烷體積分?jǐn)?shù)低于1%的煤層氣的研究才剛剛起步。目前的研究利用技術(shù)都受到超低濃度煤層氣甲烷體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)、含塵量大等特點(diǎn)的影響，本文提出了一種新的燃燒利用超低濃度煤層氣的方法，利用流化床作為超低濃度煤層氣的燃燒裝置。流化床燃燒裝置具有熱容量大、燃料適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)超低濃度煤層氣甲烷體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)和含塵量大的特點(diǎn)[6～9]。該裝置可以氧化燃燒甲烷體積分?jǐn)?shù)低于1%的煤層氣，并且當(dāng)高于維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)時(shí)，可以用來(lái)加熱工質(zhì)甚至發(fā)電。
2 流化床氧化燃燒系統(tǒng)
2.1 燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    圖1為流化床氧化燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由流化床燃燒裝置和換熱器組成。流化床燃燒裝置外部敷有保溫材料，裝置的最下端為風(fēng)室，風(fēng)室上方為布風(fēng)板，用來(lái)均勻布風(fēng)和支撐床料，布風(fēng)板上方為床料，床料選用惰性石英砂顆粒。啟動(dòng)時(shí)采用電加熱的方式對(duì)床料進(jìn)行預(yù)熱，到950℃時(shí)停止加熱，通入超低濃度煤層氣。超低濃度煤層氣經(jīng)過(guò)風(fēng)室、布風(fēng)板進(jìn)入爐膛下部的密相區(qū)，由于密相區(qū)堆積了大量已經(jīng)預(yù)熱的石英砂顆粒，超低濃度煤層氣進(jìn)入密相區(qū)后迅速被加熱至著火溫度并逐漸向爐膛上方移動(dòng)。超低濃度煤層氣被點(diǎn)著后發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)并放熱，隨著反應(yīng)氣體向爐膛上部移動(dòng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量逐漸傳遞給密相區(qū)上部和稀相區(qū)的惰性石英砂顆粒，吸熱的石英砂顆粒由于重力作用又返回至密相區(qū)，這樣就可以保持密相區(qū)高溫的狀態(tài)。如果煤層氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)高于維持燃燒的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)，產(chǎn)生的熱量可以用來(lái)加熱工質(zhì)，提供熱水甚至用來(lái)產(chǎn)生蒸汽發(fā)電。燃燒后的煙氣進(jìn)入氣-氣換熱器再對(duì)引入爐膛的超低濃度煤層氣進(jìn)行加熱，隨后進(jìn)入第二個(gè)換熱器對(duì)工質(zhì)進(jìn)行加熱，經(jīng)過(guò)換熱的排煙溫度大大降低，排煙溫度為100～150℃。
 

2.2 各種因素對(duì)燃燒系統(tǒng)性能的影響
    ① 維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)
    燃燒系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，可用下式進(jìn)行描述：
    Qr=Q1+Q2+Q3+Q5    (1)
式中Qr——輸入熱量，kJ/m3
    Q1——有效利用的熱量，kJ/m3
    Q2——排煙熱損失，kJ/m3
    Q3——氣體不完全燃燒熱損失，kJ/m3
    Q5——散熱損失，kJ/m3
    在計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為超低濃度煤層氣中甲烷完全燃燒，即氣體不完全燃燒熱損失Q3=0。當(dāng)超低濃度煤層氣中甲烷在某體積分?jǐn)?shù)時(shí)，其燃燒所放出的熱量只夠維持系統(tǒng)的排煙熱損失Q2和散熱損失Q5時(shí)，鍋爐可以利用的有效熱量Q1=0時(shí)，認(rèn)為該體積分?jǐn)?shù)為維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)。由于系統(tǒng)基本維持在一定的高溫運(yùn)行，認(rèn)為散熱損失Q5一定，那么排煙溫度就影響著該系統(tǒng)的維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)。在常規(guī)流化床中排煙溫度可達(dá)100～150℃，圖2給出了排煙溫度對(duì)維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)的影響?？梢钥闯?，在排煙度為100℃時(shí)，該系統(tǒng)維持運(yùn)行的體積分?jǐn)?shù)為0.38%，隨著排煙溫度升高，維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)和排煙溫度基本呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，主要是因?yàn)榕艧煖囟壬咧苯訉?dǎo)致了排煙熱損失Q2增加。在排煙溫度為150℃時(shí)，系統(tǒng)維持運(yùn)行的最小體積分?jǐn)?shù)升高到0.56%。經(jīng)擬合，排煙溫度θ在100～150℃時(shí)，維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)φmin與排煙溫度θ的關(guān)系可用下式來(lái)描述：
    φmin=3.67×10-3θ+0.013    (2)
式中φmin——維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)，%
    θ——排煙溫度，℃
 

    排煙溫度對(duì)維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)影響顯著，從能量利用的角度考慮，應(yīng)該盡量降低排煙溫度，有效利用煙氣中的余熱。
   ② 盈余熱量
   圖3給出了排煙溫度和甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)盈余熱量的影響。從圖3可以看出，在相同甲烷體積分?jǐn)?shù)下排煙溫度越低，盈余熱量越多，主要是因?yàn)樵诩淄轶w積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，排煙溫度越低，煙氣中有更多的熱量被回收利用。在排煙溫度一定時(shí)，甲烷體積分?jǐn)?shù)和盈余熱量呈線性關(guān)系。
 

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
    隨著《京都議定書(shū)》于2005年2月生效，有效減排溫室氣體，改善大氣環(huán)境日益成為一個(gè)重要問(wèn)題，清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)為超低濃度煤層氣利用提供了新的融資渠道。目前，二氧化碳在國(guó)際市場(chǎng)上的交易價(jià)格為8～10歐元/t[10]，本文的計(jì)算取8歐元/t。以某煤礦的礦井通風(fēng)氣為例分析應(yīng)用該氧化燃燒系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，該煤礦的礦井通風(fēng)氣排放參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 某煤礦的礦井通風(fēng)氣排放參數(shù)
流量/(m3·s-1)
壓力/Pa
甲烷平均體積分?jǐn)?shù)/%
H2S、S02體積分?jǐn)?shù)/10-6
含塵量/(mg·m-3)
100
3 920
0.50
＜1
＜4.47
    在沒(méi)有采用該流化床燃燒系統(tǒng)前，該煤礦所抽采的礦井通風(fēng)氣直接排放至大氣。每年按照7200h的工作時(shí)間，甲烷在工作狀況下的密度以0.67kg/m3計(jì)，則每年排放的甲烷質(zhì)量為8683t，由于甲烷的溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，則相當(dāng)于每年排放二氧化碳18.23×104t。燃燒系統(tǒng)的排煙溫度取100℃，在該參數(shù)下，維持運(yùn)行的甲烷最低體積分?jǐn)?shù)為0.38%，該煤礦的礦井通風(fēng)氣甲烷平均體積分?jǐn)?shù)為0.50%，適合氧化燃燒，盈余熱量為42kJ/m3，每年燃燒釋放的二氧化碳約為2.39×104t。采用氧化燃燒系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)氣中甲烷的完全氧化，去掉燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，每年減排二氧化碳為l5.84×104t。按二氧化碳的交易價(jià)格8歐元/t計(jì)算，并按1歐元兌換9.6元人民幣折合成人民幣，通過(guò)CDM項(xiàng)目可以獲得資金1216.5×104元/a。盈余熱量用于產(chǎn)生蒸汽并發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益643.0×104 元/a。表2列出了項(xiàng)目建設(shè)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。固定資產(chǎn)折舊采用15年直線折舊法，殘值取為固定資產(chǎn)的5%，折舊值為253.0×104元/a，運(yùn)行費(fèi)用為402.8×104元/a，每年贏利1203.7×104元/a。
   ① 凈現(xiàn)值
凈現(xiàn)值是指在一定的基準(zhǔn)收益率下，將各年凈現(xiàn)金流量都貼現(xiàn)為基準(zhǔn)年的現(xiàn)值之和，即工程項(xiàng)目逐年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的代數(shù)和，公式如下：
 
式中VNP——凈現(xiàn)值，元
    n——計(jì)算周期，a
    CI,t——第t年的現(xiàn)金流入，元
    CO,t——第t年的現(xiàn)金流出，元
    i——基準(zhǔn)收益率
表2 項(xiàng)目建設(shè)造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用
項(xiàng)目建設(shè)造價(jià)/元
運(yùn)行費(fèi)用/(元·a-1)
燃燒系統(tǒng)
發(fā)電設(shè)備
自動(dòng)控制系統(tǒng)
風(fēng)機(jī)等輔助系統(tǒng)
耗電費(fèi)用
維護(hù)費(fèi)用
工資
1700.0×104
1000.0×104
500.0×104
800.0×104
226.8×104
126.0×104
50.0×104
    這個(gè)項(xiàng)目基準(zhǔn)收益率取12%，計(jì)算周期取16年(含建設(shè)期1年)，則該項(xiàng)目的凈現(xiàn)值為3546×104元，遠(yuǎn)大于0，這表明該方案是可取的。
   ② 內(nèi)部收益率
內(nèi)部收益率是指投資項(xiàng)目在建設(shè)和生產(chǎn)服務(wù)年限內(nèi)可以使凈現(xiàn)金流量的累計(jì)凈現(xiàn)值等于零時(shí)的貼現(xiàn)率。可用下式進(jìn)行計(jì)算：
 
式中VP——現(xiàn)值，元
    PIR——內(nèi)部收益率
    經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目的內(nèi)部收益率為28.37%，超出了基準(zhǔn)收益率l2%。
   ③ 盈虧平衡分析
盈虧平衡分析主要是測(cè)算項(xiàng)目投產(chǎn)后盈虧平衡點(diǎn)(BEP)，以考察項(xiàng)目對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的承受能力。圖4為該項(xiàng)目的盈虧平衡分析，分析了固定成本、經(jīng)營(yíng)成本、收入和達(dá)產(chǎn)率的關(guān)系。從圖4可以看出，在達(dá)產(chǎn)率為28%時(shí)，收支相抵，當(dāng)達(dá)產(chǎn)率超過(guò)28%時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)贏利。
 

   ④ 敏感性分析
   敏感性分析就是預(yù)測(cè)和分析對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)起作用的各個(gè)變量因素發(fā)生變化時(shí)，對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效果的影響程度。圖5分析了二氧化碳在CDM中的銷(xiāo)售價(jià)格、經(jīng)營(yíng)成本、產(chǎn)量和建設(shè)造價(jià)在-10%～10%范圍內(nèi)變化時(shí)內(nèi)部收益率的變化。從圖5可知，當(dāng)產(chǎn)量變化從0變化至10%時(shí)，內(nèi)部收益率從28.37%變化至33.31%，變化幅度最大，其次是建設(shè)造價(jià)。產(chǎn)量(即礦井通風(fēng)氣的抽采量)對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效果影響最明顯，其次是項(xiàng)目的建設(shè)造價(jià)。
    流化床燃燒技術(shù)應(yīng)用到該煤礦后，每年可以減排二氧化碳約15.84×104t，凈現(xiàn)值為3 546×104元，內(nèi)部收益率28.37%，當(dāng)達(dá)產(chǎn)率超過(guò)28%時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)贏利，風(fēng)險(xiǎn)較小。敏感性分析表明產(chǎn)量對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益影響最大，其次是建設(shè)造價(jià)、二氧化碳銷(xiāo)售價(jià)格，經(jīng)營(yíng)成本的影響最小。
 

4 結(jié)論
    ① 流化床燃燒系統(tǒng)中惰性顆粒既是床料又是蓄熱材料，通過(guò)惰性顆粒的吸放熱及其在爐膛中的返混來(lái)維持密相區(qū)的高溫，從而可以實(shí)現(xiàn)超低濃度煤層氣的氧化燃燒。
    ② 排煙溫度對(duì)維持運(yùn)行的甲烷最小體積分?jǐn)?shù)影響較大，當(dāng)排煙溫度在100～150℃時(shí)，維持運(yùn)行的最小體積分?jǐn)?shù)為0.38%～0.56%，且隨排煙溫度的增加以線性關(guān)系遞增。
    ③ 燃燒裝置中，盈余熱量隨著超低濃度煤層氣甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加呈線性遞增。在相同體積分?jǐn)?shù)下，排煙溫度越低，煙氣回收利用的熱量越多，盈余熱量越多。
    ④ 通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可知，流化床燃燒技術(shù)具有較好的可實(shí)施性，結(jié)合CDM可以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。
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(本文作者：楊仲卿 張力 唐強(qiáng) 重慶大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院 重慶 400030)