超低浓度瓦斯矿井乏气合同能源管理发电项目.doc

超低浓度瓦斯（矿井乏气）合同能源管理发电项目

一、项目背景
中国埋深在２０００米以内的煤层中含煤层气资源量达３０－３５万亿立方米，是世界上第三大煤层气储量国，煤层气开发前景非常可观。然而，２００４年全国井下开发煤层气约１６亿立方米，国有高瓦斯突出矿井平均煤层气的开发率仅为１０％左右。 2006年以来，国家出台了一系列加快煤层气抽采利用的政策和意见，充分体现了国家对煤矿瓦斯综合利用的高度重视及指导方向。
从世界范围看，煤矿瓦斯利用主要集中在民用、发电、工业燃料及化工原料等方面。煤矿瓦斯利用最合理的方式就是发电，而瓦斯发电是利用目前成熟的内燃机技术，仅对内燃机的进气系统和燃料供给系统加以改造，技术较为可靠。投资少，见效快，一般3－5年内可收回全部投资。在发电基础上实现“冷、热、电”三联供，改善煤矿职工和当地居民生产、生活条件，节能减排，保持可持续发展、实现优化产业结构、安全环保生产。
煤矿通风排出的煤矿瓦斯，CH4含量一般低于1%，称之为风排瓦斯（俗称“乏风”）。全世界因煤矿开采每年排入大气中的甲烷总量为2500万吨，随着煤炭产量的增加，预计到2010年甲烷排放量将增至2800万吨，其中70%来自甲烷浓度低于1%的风排瓦斯中。这部分煤矿瓦斯由于CH4浓度太低，利用技术难度较大。目前，世界上几乎所有煤矿的风排瓦斯都未进行回收处理，直接排放到大气中。将甲烷直接排放到大气中，一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费，仅每年从煤矿风排瓦斯中释放的瓦斯其低位发热量相当于3370万吨标准煤的低位发热量；另一方面造成了大气污染，加剧了温室效应，单位质量的CH4对大气温室效应影响GWP(GlobalWarm-ingPotential)是CO2的21倍。因此，合理回收利用乏风中瓦斯具有节能和环保双重意义。
二、低浓度瓦斯利用技术与CDM项目开发
清洁发展机制，简称CDM(Clean Development Mechanism)，是《京都议定书》中引入的三个灵活履约机制之一。2005年2月16日《京都议定书》正式生效后，根据“共同但有区别的责任”原则，《京都议定书》只给工业化国家制定了减排任务，但没有对发展中国家作这个要求。发达国家通过在发展中国家实施具有温室气体减排效果的项目，把项目所产生的温室气体减少的排放量作为履行京都议定书所规定的一部分义务。一个年交易值高达150亿美元左右的国际温室气体贸易市场已经启动。
2004年12月，晋城煤业集团12万千瓦煤层气电厂项目所产生的经核证的温室气体减排量被世行托管的碳化基金(PCF)收购，价值达1900万美元。这是我国执行《京都议定书》第一个环保减排购买协议指标项目。积极参与CDM项目的运作，也将给本项目带来非常可观的收益。
中国政府已确定三个清洁发展机制优先领域，其中之一是鼓励在煤矿瓦斯项目中应用环境机制，以减少中国煤矿甲烷排放。
从技术成熟度、适用性、产品需求以及经济性考虑，低浓度瓦斯发电技术将是未来的主流发展趋势，国家已经从政策激励、制定标准等方面予以支持。将低浓度瓦斯利用技术与CDM项目开发相结合，以提高低浓度瓦斯利用的经济性。对实施“节能减排”工作有重大的现实意义，
三、项目概述
煤矿瓦斯（甲烷含量为50-95%）是优质洁净的气体能源，但同时也是煤矿生产中最大的安全隐患。煤矿通常采用大量通风来排放煤矿瓦斯（称为矿井乏风，Ventilation Air Methane，简称VAM），乏气，是煤矿矿井通风排放气体，安全要求甲烷浓度含量低于1%的巷道通风排放气体，通常作为废气排放入大气，中国每年因采煤向大气排放的甲烷气体达100亿立方米，居世界第一，约占世界采煤排放甲烷总量的1/3。在中国煤矿排放的甲烷中，矿井乏风占91％，是甲烷的最大工业排放源。因此, 治理和利用矿井乏风甲烷，是我国面临的紧迫任务。目前国内还未发现与煤矿乏风瓦斯氧化有关的专利。
1、乏气回收发电装置技术发展过程
我公司引进的逆流程反应器矿井乏风瓦斯发电技术，是美国经过14年的设计和研发，设计制造并已经成功试验完成了全球独一无二大型煤矿乏气发电系统。第一台示范项目于1994年在英国安装运行，进行了有效的瓦斯减排并取得良好经济效益。2001年由澳大利亚温室效应办公室支持，在澳大利亚煤矿建设了一座矿井乏风瓦斯发电站，处理了煤矿250000m3/h的浓度为0.9％的通风瓦斯（乏风），回收的能量用于驱动一台6MW的发电机运转，到目前已经进行了多年的安全无事故的成功项目测试，并获得2005年ACARP最优秀温室气体项目奖。2007年，在美国环境署（EPA）和美国能源部（DOE）的支持下，在美国煤矿建设了一座矿井乏风瓦斯发电站。
2、技术简介
A、工作原理
反应器两端是石英砂或陶瓷颗粒构成的热交换介质层,热交换介质层中心装有电热元件,反应器周围有较好的绝热层. 通过氧化剂使矿井乏气达到低温氧化发热效果。
先用电将陶瓷床中心部分加热到1000摄氏度，然后矿井乏风通过陶瓷床。当矿井乏风通过陶瓷床中部的高温区时甲烷迅速氧化，通过热交换，氧化能量被传递到陶瓷床材料周围。热交换的效率很高，在一个平衡系统中，入口处和出口处气体的温差只有大约40摄氏度。在气体和热交换介质固体床之间发生生热交换时，矿井乏风以一个方向流入和通过反应器，气体温度不断提高，直至甲烷氧化。然后，氧化的热产品随着继续向床的另一边移动而逐渐降热，直至气体流动自动发生反转。
在甲烷自动点火温度（1000摄氏度）工作时，催化反应器能大量降低自动点火温度。采用热交换技术的这两种反应器均产生热量，可用来满足当地的采暖需要，或用来发电。
氧化过程只在陶瓷床内部发生，没有火焰，温度的水平分布非常均匀。因为温度变化不大，不产生瞬间高温，所以不会产生氮氧化物。

工作原理
矿井乏气
无甲烷通风乏气

完全氧化
向下流动
向上流动

热量发生装置
蒸汽
蒸汽
水
过热蒸汽
经验结果: 超过0.2%浓度甲烷气体乏气即能被转换
* 0.4% 浓度甲烷乏气, 50% 被转换为0.2% 甲烷浓度含量气体
* 1.0% 浓度甲烷乏气, 80%含量被转换

B、工作过程
气体(排风瓦斯/乏气)与固体(热交换介质)在反应区进行热交换，气体受热达到瓦斯燃烧所需温度，发生氧化反应(燃烧)，放出热量。一个循环包括两次风流转向，所以，每一次转向称为半循环。在第一个半循环中，阀1打开，阀2关闭，风流从反应器底部流向顶部。经过一段时间(主要由反应生成的热量确定)，阀2打开，阀1关闭，风流从顶部流向底部，完成另一半循环（图二）。开始运行时，电热元件对热交换介质进行预热，使之达到反应所需温度(约1000℃)。在第一个半循环中，回风流以常温通过反应器，由于热交换介质层中心温度达到引燃瓦斯所需温度，发生氧化反应。
热流转换反应器简图
甲烷气体氧化 – 触媒反应过程（图二）

接触反应堆示意图 (双层触媒)
热交换
阀门 2
阀门 1
阀门1
阀门 2
空气、甲烷
热交换介质
热交换介质
催化剂
催化剂
空气、二氧化碳
水、热量*
燃烧房
阀门#2 打开

C. 构成
乏气安全氧化发生器由一个钢制容器组成，内部是陶瓷床，加热元件位于陶瓷床中央。由于采用的是箱式标准化设计，所以很容易扩容、搬迁到其他风井重新安装也很容易，可以根据矿井的生产需要而移动。
如果甲烷浓度低到0.1％，仍然可以运转而不需要补充额外的能量。如果甲烷浓度高于0.1％，就可以从系统中回收热量并产生诸如热水、过热蒸气等，然后利用蒸气来推动汽轮机发电。该系统氧化甲烷的效率高达98％，最终将甲烷转化为二氧化碳和水。

无明火: 交换器内完全氧化.
氧化发生: 陶瓷内胆加热器
发热效率: 低浓度持续自燃 (0.1%甲烷气体浓度).
无明火发生器
20oC / 70 F
1000oC / 1830 F
60oC / 140 F

1994
甲烷气体消除装置
英国煤矿成功试验装置:
8000 m3/h of 矿井乏风，甲烷浓度0.3 – 0.6 % .
甲烷消除后排放浓度 0.1 % .

第一代煤矿乏气环保装置示范工程
- 1994年

BHP 澳大利亚 2001 - 2002
能源转换事例
6000 m3/h 矿井乏气提供 90%乏气转换热水. 生产能力维持12个月不间断供应.
第二代矿井乏气燃烧能源转换器

2001 - 2002
第二代煤矿矿井乏气燃烧能源转换装置示范工程
- 小规模能源燃烧能源转换装置
2005，04,05，试验成功项目
最成功的澳大利亚减少温室气体排放能源转换项目

250 000 m3/h (150 000 标准立方英尺/每分钟) 矿井通风乏气发电量 6 MW （6兆瓦）
BHP 澳大利亚 2005
大型乏气发电装置

规划图
第三代乏气发电设备的矿井安装示范工程
- 世界首例乏气发电设备装置
第三代：大型 乏气发电设备

3.项目建设规划及投资预算

每MW装机容量的投资与采用的轮机的容量有关，每台机组的容量越高，则每MW投资越低。较高的资本成本或瓦斯抽放成本会降低收益，产能越高，减排价格越高，矿井乏风的浓度越高，效益就约好。
以采集排风量50-100万立方/小时的矿井，抽取25万立方/小时乏风，乏风甲烷含量0.7-1.0%，发电标准装机6000KM为例：
A. 设备使用占地5000平方米
B. 设备采购、工程建设等预计总投入人民币8000万元
C. 建设周期1年完成即可投入使用
D. 发电6000瓦每小时，自用耗电1000瓦每小时，并网送电5000瓦每小时
E. 预计全年送电：5000瓦X8000小时（每年）＝4000万度
F. 减少甲烷排放相当于二氧化碳排放当量24万吨/每年

四、合同能源管理模式
EMCO是一种基于合同能源管理和新运行机制的节能服务公司，中文译为“合同能源管理控制专业化节能服务公司”。EMCO与愿意进行节能改造的客户签订节能服务合同，向客户提供能源效率审计、节能项目设计、原材料和设备采购、施工、监测、培训、运行管理等一条龙服务，并通过与客户分享项目实施后产生的节能效益获得滚动发展。合同能源管理的新型经营模式，在我国矿井乏气发电、能源再生利用、减排等方面将发挥重大作用。
本项目以上述三、3的基本设计方案为例，
1.项目初始投入资金8000万元人民币
2.发电效益：5000瓦 x 8000小时/年 x 电价0.5元/度＝2000万元/年
3.国际碳汇贸易收入：CDM 24万吨 x USD10/每吨＝240万美元/年
不计算CDM指标收益，仅投资收益率达20%，预计5年回收投入成本。
五、市场前景
目前我国矿井乏气排放占甲烷气体排放的91%，低浓度瓦斯发电项目正处于研发完成项目推广中，矿井乏气发电节能减排项目在国内尚属于空白，目前国内两个乏气发电研发项目均刚进入小规模实验设备研究阶段，与国际先进水平距离尚远。本项目介绍的矿井乏气大型发电设备在国际专利技术上是独一无二的先进技术，并且，经过超过10年的技术改良及研发，其安全性、稳定性及量产成本均属世界第一。
综上所述，利用安装矿井乏风处理装置，就可以将温室气体问题变成一个为企业创造效益的经济增长点。