摘要：本文介绍了一种基于超焓燃烧思想设计的环形卷式燃烧器，其利用燃烧烟气来预热矿井通风瓦斯（Ventilation Air Methane, VAM），这一方法大大拓展了VAM的燃烧极限。用水蒸气取热推动蒸汽轮机发电来实现其热能利用，并控制燃烧反应区始终在燃烧器的中心多孔介质位置。对该项目执行清洁发展机制（Clean Development Mechanism, CDM）的可行性进行了分析，其符合CDM的要求。在CDM基础上的技术经济学分析结果表明，其内部收益率（internal return rate, IRR)为26%，远大于资本成本10%，净现值（net present value，NPV）为1633.67万元，这表明利用CDM机制、交易CO₂减排指标给项目带来了经济收益和项目内部经济性的改善，对该系统的市场化起到良好的促进作用。

关键词：矿井通风瓦斯，超焓燃烧，卷式燃烧器，CDM，技术经济学分析

1. 引言

美国环境保护局的数据表明：世界范围内煤矿每年排放29～41×10⁹m³ 的甲烷，其中不到2.3×10⁹m³的甲烷被当作燃料，其余的直接以矿井通风瓦斯的形式排放到大气[1~3]。这一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费；另一方面甲烷又是很强的温室气体，其全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）约为CO₂的21倍，还会造成对大气臭氧层的破坏，加剧了大气污染。因此，合理利用煤矿通风气中的低浓度瓦斯具有节能和环保双重意义。通过增加利用矿井通风瓦斯的方法来降低甲烷排放有很多困难，技术方面的困难有：VAM浓度低（0.1－1％CH₄），VAM浓度和流量的变化等。经济方面的困难有：资本的缺乏，天然气价格低，缺乏开发VAM方面的信息等[1~3]。

目前，国外的低浓度瓦斯利用技术主要有两种：TFRR和CFRR。热力双向流反应器(Thermal Flow-Reversal Reactor, TFRR)都已步入商业示范阶段，可连续处理含CH4浓度为0.35%的低浓度瓦斯；催化媒双向流反应器(Catalytic Flow-Reversal Reactor, CFRR)已在实验室完成了0.1%以下浓度瓦斯的处理。我国在这方面的研究较少，没有形成自主的理论、技术方法[4~5]。
本研究室提出一种新的燃烧VAM的方法，即利用超焓燃烧的思想设计Swiss-Roll结构的环形卷式燃烧器及其热能利用系统，本文简述了这种新的燃烧装置，对系统执行清洁发展机制的可行性进行了分析，并在此基础上对项目进行了技术经济学分析，为系统的市场化提供了经济学决策依据。

2  VAM燃烧与热能利用系统简介

超焓燃烧(excess enthalpy combustion)的概念首先由Weinberg于1971年提出，所谓“超焓”燃烧，是指在不借助于外部热源的前提下，通过热交换器、蓄热器或其他方式将燃烧所产生的热能(或排放的高温废热)回收再利用，用以预热反应物。焓的再循环相当于“在热流中建立了一个堤坝”,使反应物在最高点释放化学能的额外潜能,利用这种燃烧方式可以提高反应速度,拓宽稳定燃烧范围,增加燃烧的稳定性,对于低热值或低浓度燃料燃烧,具有一定的适用性[6~8]。

本项目方案如图1所示，SwissRoll结构的环形燃烧器进气道与燃烧尾气并行折叠成环形卷状构成逆向换热器。VAM由进口进入环形通道，与在另一环行通道内的高温烟气发生逆流换热，预热至一定温度，进入在环状通道圈中心的多孔材料一侧，经气流均布板整流后，以轴向气流方向在多孔介质内中发生燃烧，燃烧产生的高温烟气在多孔材料的另一侧汇合，经环形通道与煤层气换热后由出口排出。实现了有效的保温和高效的换热。燃烧反应集中在环形卷的中心部分，并安装了多孔介质增加反应时间和蓄热来以稳定燃烧；在进气口和中心区均设置电加热启动设备；在中心区后部用工质承压蒸汽进行可控的高品位热量利用，在高温中心区域取走部分热量，这不仅是能量利用的需要，更是稳定控制燃烧的必要手段，热能利用所取走的热量根据VAM浓度和流量的变化进行实时调节，以防止进气过热而导致反应区提前或靠后，使得燃烧反应区始终稳定在中心的多孔介质内。[NextPage]

3. CDM项目的可行性分析和减排量计算

     VAM燃烧系统具有良好的温室气体减排能力，根据2005年2月生效的《京都议定书》，这些甲烷可以通过市场机制进行减排，即CDM机制，清洁发展机制（CDM）就是指发达国家把帮助发展中国家消减的减排量算作本国的消减量，是发达国家和发展中国家之间的一种合作机制[12]。将CO2拿到国际市场，按照每吨一定的价格出售，使得原本无法体现价值的CO₂减排量变成了有价值的附加产品，可以使项目获得额外的经济效益，使项目具有了市场竞争能力[9~12]。根据CDM的规定,一个合格的CDM 项目至少要满足三个方面的要求:(1)可以带来真实的、长期的,可测量的温室气体减排效益;(2)可以促进该国的可持续发展;(3)具有额外性[12]。对该项目来说，前两点显然符合。对于额外性，是指如果没有额外性的减排资金,项目业主必然会追求经济效益而选择基准线方案,而不选择具有减排环境效益但成本较高的CDM项目。在该项目中，由于国内尚无VAM处理的技术政策上也无必需处理的规定，所以业主必然会选择基准线方案即直接将VAM排向大气，而不具备减排的环境效益。因此，该项目可作为CDM项目而获得资金补助。

     在计算减排收益之前首先要确定项目的基准线，基准线是指：在没有CDM情况下，按照东道国的技术水平、经济特征，国内项目最可能出现的温室气体排放水平。基准线水平直接决定着CDM 项目的减碳信用和环境效益[13~14]。

    以安徽省某煤矿为例，其风排瓦斯的参数如表1所示：
表1. 安徽省某煤矿风排瓦斯运行参数

    在基准线情况下，风排瓦斯直接排入大气中，甲烷排放量为：6078.24t/a，1kg甲烷的温室效应相当于21kgCO₂当量，所以基线排放量为：127643t CO₂当量。在应用该项目后，甲烷被燃烧成CO₂排放， 1kg甲烷氧化后生成2.75kg CO₂，扣除燃烧甲烷所生成的CO₂量16715.16t，可得到每年的CO₂减排量为：110927.8t。

4. 技术经济学分析

4.1经济评价指标分析[16]

表2. 项目的投资费用(单位：万元)

    资本成本用公司的加权平均资本成本（Weighted average cost of capital, WACC）来计算，WACC是公司作为资本组成部分的债务、优先股权和普通股权资本成本的加权平均。该项目的年减排量为：110927.8t，目前，国际市场上温室气体减排权交易价格在8到11欧元之间，按照8欧元，汇率为1：10，项目的年收益约为：887.6万元。

1.净现值（Net Present Value, NPV）:按照一定的折现率将各年净现金流折现到项目初期的现值之和，如公式（2）所示。

[NextPage]

    本项目设计处理能力CO₂量约为：11万吨/年；固定成本：350 万元；单位可变成本：18 元/吨；售价：80 元/吨。
（1）项目的保本处理量为：350/(80-18)=5.6万吨
（2）盈亏平衡处理能力利用率为：5.6/11=51%
作为重要指标的盈亏平衡生产利用率仅为项目设计处理能力的51%，说明该项目的抗风险能力强，项目可行性大。

4.2投资风险分析

    敏感性分析（sensitivity analysis）研究在其他条件已定的情况下，某一输入变量的变化带来的净现值变化程度，是一个评价项目独立风险的重要方法。在此，主要讨论资本成本,运行成本（run cost），CDM收益的变化对NPV的影响。敏感性分析的结果如图3所示。

图3 敏感性分析

    从图3中可以看出，由CDM引起的收益变化对项目的NPV影响最大。VAM浓度和流量的变化所引起的甲烷减排量的变化，CDM机制中CO₂交易价格的变化，对CDM收益均有影响。当CDM收益从基本情形的887.6万元增加15%到1020万元时，NPV从1633.67万元增加到2158.18万元，增加了32%，相反；当CDM收益从基本情形的887.6万元减少15%到754万元时，NPV从1633.67万元减少到1109.15万元，减少了32%。所以，CDM收益15%的变动引起了收益32%的变动，项目的风险被放大了。公司的WACC的变动会引起NPV等比例的相反方向变动；变动运行成本的变化对NPV的影响最小，变动成本减少1%会导致NPV 增加0.5%。

5. 总结

（1）提出了一种新的燃烧VAM的思想和方法，即用超焓燃烧思想设计卷式环形燃烧器，用燃烧烟气来预热反应物。 实验室的小尺度实验结果证明0.5%浓度VAM可以在该结构中维持稳定燃烧。
（2）项目的CDM可行性分析结果表明，其符合一个合格CDM项目的3个方面的要求，即真实可测性，可持续发展性和额外性；并确定了该项目CO₂减排量的计算基准线。以安徽省某煤矿为例，计算了其年CO₂减排量为110927.8t，年CDM收益约为：887.6万元。
（3）对该项目进行了经济性分析，主要分析结果为：净现值NPV（折现率10％,万元）：1633.67；内部收益率（IRR)：26%；盈亏平衡处理能力利用率为：51%。敏感性分析表明，CDM收益的变动对项目的NPV影响最大，CDM收益1%的变动会导致NPV2%的变动，项目的资本成本对NPV影响其次，影响最小的是运行成本。

    我国是煤炭大国，国内尚无形成可对浓度低于6%的超低浓度瓦斯气进行燃烧与热利用的技术，国外技术也尚处于示范应用阶段。矿井通风瓦斯的处理和热利用有着巨大的市场前景；另外炼油化工企业等在生产过程中也会有许多低热值气体产生，很多情况下也被直接排空，这也是潜在的市场。

(何贤钊  马培勇  俞 瑜  邢献军  林其钊      中国科学技术大学热科学与能源工程系)