礦井燃煤鍋爐清潔能源改造現(xiàn)狀與分析

武彥輝

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

引 言

山西是我國的產(chǎn)煤大省，其煤炭資源儲量十分豐富。山西每年產(chǎn)煤大約8億多噸，占全國總煤炭產(chǎn)量的30%。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年，山西省轄區(qū)范圍內(nèi)共有各類煤礦(井)1 025座，包含國有煤礦(井)748座和其它煤礦(井)277座。各礦井均建有用于井口防凍、建筑物供暖和生活用水等功能的燃煤鍋爐，其總數(shù)量更是不計其數(shù)。

2018年6月末，國務(wù)院印發(fā)了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，明確要求山西等省份要在2018年12月底前全面淘汰10蒸噸/h及以下燃煤鍋爐，城市建成區(qū)基本淘汰35蒸噸/h及以下燃煤鍋爐。隨后《山西省打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《山西省大氣污染防治2018年行動計劃》的發(fā)布，標(biāo)志著燃煤鍋爐綜合整治進入攻堅階段，2018年10月1日前全省范圍內(nèi)完成10蒸噸/h及以下燃煤鍋爐清潔能源改造，到2020年逐步淘汰35蒸噸/h及以下的燃煤鍋爐。因此對燃煤鍋爐進行清潔能源改造是緊跟國家環(huán)保政策，利國利民的大工程。

1 清潔能源的利用方式

1.1 低濃度瓦斯利用

煤礦瓦斯是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，但同時屬于溫室效應(yīng)氣體，它的溫室效應(yīng)為CO2的21倍。通常，當(dāng)抽采的瓦斯?jié)舛雀哂?0%時，會將其用于發(fā)電或工業(yè)生產(chǎn)，而濃度低于10%的瓦斯一般會直接排放。我國每年有大量的井下抽采瓦斯因利用途徑有限而直接排到空中，特別是低濃度瓦斯。

低濃度瓦斯蓄熱氧化技術(shù)利用瓦斯泵站排放的低濃度瓦斯作為燃料，在低濃度瓦斯經(jīng)過泵站的阻火器、防爆器后，關(guān)與空氣在摻混裝置內(nèi)混合后，濃度(甲烷體積分?jǐn)?shù))降至1.2%，在主風(fēng)機的作用下，輸送至蓄熱氧化裝置內(nèi)，甲烷氧化產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^熱交換器進行熱量的儲存和傳遞。在蓄熱氧化裝置啟爐階段，須利用燃油燃燒器對蓄熱材料進行預(yù)熱，當(dāng)蓄熱材料加熱到特定溫度后通入低濃度瓦斯，待系統(tǒng)正常運行后即可關(guān)閉燃油系統(tǒng)[1]。

該技術(shù)能夠有效解決當(dāng)前燃煤鍋爐的大氣污染物超標(biāo)問題，降低了大氣污染物排放，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益。同時充分利用了排空的低濃度瓦斯，減少了燃煤消耗，還可獲得抽采瓦斯利用補貼。

2016年9月，陽煤集團五礦小南莊“低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱”項目開工建設(shè)，四個月后完工并成功運行。該系統(tǒng)一個供暖季可節(jié)約標(biāo)煤3 200 t，減排甲烷260萬Nm3，相當(dāng)于減排二氧化碳3.6萬t，同時可獲取瓦斯利用補貼100萬元。作為全國首個實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的低濃度瓦斯蓄熱井筒加熱項目，其成功運行意味著低濃度瓦斯蓄熱氧化利用技術(shù)取得重大進展，這個標(biāo)志性工程為低濃度瓦斯高效利用揭開了新篇章。

1.2 礦井回風(fēng)余熱利用

礦井回風(fēng)作為煤礦系統(tǒng)中一種優(yōu)質(zhì)的低溫余熱資源，其回風(fēng)溫度、濕度常年基本恒定。目前大部分礦井一般在12 ℃～20 ℃、相對濕度≥90%，而且回風(fēng)量普遍較大。作為一項重要的礦井次生熱能資源，煤礦回風(fēng)并未得到有效利用，大多都是直接排入大氣。

1.2.1 低溫?zé)峁軗Q熱技術(shù)

典型的熱管由管殼、吸液管和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3×10-1Pa～1.3×10-4Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。通過在風(fēng)井設(shè)置大型低溫?zé)峁軗Q熱裝置，對回風(fēng)口進行封閉改造，設(shè)置屋頂式封閉彩鋼結(jié)構(gòu)、將蒸發(fā)器直接布置在鋼結(jié)構(gòu)兩側(cè)，強制礦井回風(fēng)經(jīng)由蒸發(fā)器翅片間隙通過。熱管的一端受熱，毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成低溫液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)進行熱量的置換[2]。

2016年11月，陽煤一礦吳家掌風(fēng)井低溫?zé)峁芗夹g(shù)項目正式開工。經(jīng)過一年多時間，最終開發(fā)出了全國煤炭行業(yè)首例礦井回風(fēng)熱能低溫?zé)峁芗夹g(shù)。該技術(shù)通過置換礦井回風(fēng)的低溫余熱為礦井進風(fēng)加熱，全年節(jié)約耗煤3 200余t，有效改善了風(fēng)井的供暖環(huán)境，降低了環(huán)境污染，實現(xiàn)了超低排放。

熱管技術(shù)井口防凍系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點：1) 更高的低溫?zé)崮芑厥章剩?) 采用氣-氣直接熱交換的傳熱方式，大大簡化流程；3) 運行費用較低。但此系統(tǒng)的局限性在于它僅適用于回風(fēng)井和進風(fēng)井相距比較近的場合，一旦回風(fēng)井和進風(fēng)井相距較遠，投資費用會大幅度增加。

1.2.2 空氣源熱泵技術(shù)

空氣源熱泵方案是采用“直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵”供熱技術(shù)，提取回風(fēng)井回風(fēng)余熱資源，從而取代燃煤鍋爐供熱，達到節(jié)能減排的目的。通過在空氣源熱泵熱水器內(nèi)置一種吸熱的介質(zhì)—制冷劑 (冷媒) ，低溫低壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓，降壓后進入交換機中蒸發(fā)，從而在礦井回風(fēng)中吸收大量的熱量，制冷劑轉(zhuǎn)為氣態(tài)后進入壓縮機被壓縮，變成高溫高壓的制冷劑進入熱交換器，把它所含的熱量釋放出來，將冷凝器中的冷水加熱，冷水被高溫高壓制冷劑加熱到55 ℃(最高可以到65 ℃)進入保溫水箱，此時制冷劑也由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在此循環(huán)中，可以源源不斷地從空氣中吸收熱量給冷水，使冷水溫度升高，再經(jīng)循環(huán)水泵將熱水送入空氣加熱機組[3]。

空氣源熱泵在不同的工況下, 每消耗1 kW電能就從低溫?zé)嵩粗形? kW～6 kW的免費熱量，有效利用了礦井回風(fēng)中的熱量。然而熱泵技術(shù)礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)采用了氣-水換熱、熱泵提熱、水-氣換熱循環(huán)完成進風(fēng)井新風(fēng)加熱的過程，循環(huán)系統(tǒng)多，流程復(fù)雜。導(dǎo)致存在一定的缺點：1) 系統(tǒng)造價高；2) 系統(tǒng)運行費用高，主要體現(xiàn)在各種耗電設(shè)備。3) 配套設(shè)施多導(dǎo)致系統(tǒng)管理難度增大。

1.3 電能利用

電加熱鍋爐主要分為直熱式電鍋爐和固體電蓄熱鍋爐，相比直熱式電鍋爐，固體電蓄熱鍋爐具有更大的潛在使用價值和推廣價值。

固體電蓄熱鍋爐采用夜間廉價的低谷電或無法消納的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等間歇性能源，將鍋爐本體內(nèi)部的固體合金加熱到一定溫度，使電能以熱能的形式儲存起來，通過智能控制系統(tǒng)，在指定的時段、以特定的溫度將熱能輸送給用熱單位。

由于是夜間廉價低谷電，蓄熱電鍋爐運行成本是傳統(tǒng)電鍋爐的1/3～1/4，屬于非常新型、環(huán)保、節(jié)能的電鍋爐。現(xiàn)蓄熱電鍋爐已成功投入政府工程、公共建筑、工業(yè)建筑、民用建筑、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個行業(yè)領(lǐng)域，在幫助運營商降低成本提高效能的同時也為政府更好的治理環(huán)境污染、開發(fā)商安全、穩(wěn)健運行提供了前提和基礎(chǔ)。

1.4 天然氣及瓦斯利用

燃?xì)忮仩t是以天然氣、瓦斯等清潔氣源作為燃料的鍋爐。氣源通過燃?xì)獗壤y，與外部設(shè)備的鼓風(fēng)機通入的空氣進行充分混合后，由燃燒頭噴射入爐膛內(nèi)并點燃，達到對鍋爐的爐膽、爐管加熱的效果(爐膛中煙氣以輻射方式將熱量傳給水冷壁，在爐膛煙氣出口處以半輻射、半對流方式將熱量傳給屏式過熱器，在水平煙道和尾部煙道以對流方式傳給過熱器、再熱器、省煤氣和空氣預(yù)熱器)。通常設(shè)計多彎道燃燒室，讓燃燒的氣體在爐體內(nèi)增加行程來提高熱效率[4]。

燃?xì)忮仩t在燃燒的過程中不會產(chǎn)生有害的氣體和煙塵，產(chǎn)生的污染物主要以NOx為主；熱效率一般能達到90%以上且使用壽命也較長。目前各地已開始著手對氮氧化物的排放濃度進行控制，特別排放限值和超低排放限值要求顯然不能作為未來長期的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，北京市已全部完成燃?xì)忮仩t低氮燃燒改造，氮氧化物排放濃度控制在30 mg/m3以內(nèi)，排放總量削減80%；天津、河北等地也出臺了鍋爐大氣污染物排放地方標(biāo)準(zhǔn)，要求氮氧化物排放濃度控制在30 mg/m3以下。因此低氮燃?xì)忮仩t的建設(shè)是未來燃?xì)忮仩t的發(fā)展方向。

1.5 等離子煤氣化技術(shù)

我國我國能源資源的基本特點可概括為6個字：“富煤、貧油、少氣”。因此煤炭的清潔化利用也是未來的另一個發(fā)展方向。

等離子煤氣化技術(shù)是以等離子技術(shù)為依托，以等離子態(tài)下的水作為氣化劑，空氣作為熱反應(yīng)劑，把煤炭轉(zhuǎn)化為氣體燃料的工藝過程。等離子氣化鍋爐主要分為造氣和燃燒兩部分。

在造氣階段，利用等離子點火器產(chǎn)生的等離子電弧制造高能熱環(huán)境，通入適當(dāng)比例的等離子氣化劑，使原料在等離子活性狀態(tài)的熱環(huán)境中發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成主要成分為H2、CO的可燃?xì)怏w，將氣化后的燃?xì)庖来谓?jīng)過等離子體脫焦設(shè)備、微波等離子體脫硫裝置、煤氣化中的H2經(jīng)過等離子體化后，與煤氣中的NO/NO2發(fā)生反應(yīng)，生成N2和水。最終可燃?xì)怏w具有純度高、潔凈的優(yōu)點[5]。而燃燒過程采用等離子低氮燃燒器，可以充分穩(wěn)定燃燒。

等離子煤氣化鍋爐固硫率可達到70%以上，固塵率和熱效率均能達到95%以上，并且低氮燃燒產(chǎn)生的NOx含量很低，滿足特別排放限值要求。缺點是鍋爐系統(tǒng)造價高，一般企業(yè)難以一次性承受如此高昂的費用，而且隨著國家越來越嚴(yán)格的大氣污染物達標(biāo)排放要求，未來仍可能面臨提標(biāo)改造甚至被淘汰的風(fēng)險。

2 結(jié)語

燃煤鍋爐清潔能源改造可大大減少對周邊環(huán)境的污染，使空氣質(zhì)量得到明顯改善，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，還能有效利用煤礦浪費的清潔能源，節(jié)省了燃煤消耗，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身實際情況進行熱負(fù)荷計算，對不同的改造方式從建設(shè)費用、運行成本、能源替代效益、經(jīng)濟效益和社會效益等方面進行核算，選擇最適合本企業(yè)的清潔能源改造方式。