山西中北部地區煤炭井工開采項目鍋爐設置方案探討

吳俊松

（煤炭工業太原設計研究院，太原 030001）

山西中北部地區煤炭井工開采項目鍋爐設置方案探討

吳俊松

（煤炭工業太原設計研究院，太原 030001）

文章結合山西中北部煤炭項目情況，對該區煤炭井工開采項目鍋爐設置方案進行了探討，估算了不同鍋爐配置情況下的污染物排放情況和項目的運行成本，選取了適合的鍋爐設置方案，實現了能源節約和減少污染的目標。

山西中北部；煤炭井工開采；鍋爐設置

1 山西中北部地區煤炭項目基本情況

1.1 山西中北部地區基本情況

山西省是中國最大的煤炭基地。包括大同、寧武、西山、沁水、霍西和河東6大煤田。現有煤炭保有儲量占全國保有總儲量的1/3，煤炭年產量占全國總產量的1/6，均居全國第一位。

山西中北部城市群包括太原市、大同市、朔州市、忻州市等四個地級市[1]，國土面積5.73萬km2，占全省總面積的36.67%；含煤面積1.03萬km2，約占國土面積的18%；涉及大同礦區、平朔礦區、軒崗礦區、朔南礦區、河保偏礦區、西山礦區、東山礦區和嵐縣礦區的一部分，中北部城市群煤炭資源以動力煤為主，資源總量2 202.34億t，其中動力煤1112.82億t；山西位于山西中北部地區的大同礦區和平朔礦區是我國優質氣煤、弱粘煤的主要產地。山西中北部地區煤炭資源分布情況,如表1所示。

根據相關資料，2009年山西煤炭企業兼并重組整合后，山西中北部城市群轄區內煤炭企業分布如表2所示[2]。

由表2可知，山西中北部地區規劃不同礦井317處，占全省1053座煤礦的30%；其中，單井規模90萬t/a及以下礦井數量為194處，占中北部地區煤礦總數的61.2%。

1.2 山西中北部地區大氣污染現狀

1.2.1 環境質量現狀

根據山西省環境保護廳相關監測、統計資料，以2010年環境空氣質量濃度為基數，2012年，山西中北部四市二氧化硫年均濃度下降明顯，比2010年降低了9.1%，但二氧化氮和可吸入顆粒物分別上升了26.3%和9.3%[3]。各市空氣質量濃度具體情況統計，如表3所示。

1.2.2 主要大氣污染物排放

2011年，山西省中北部四市二氧化硫排放總量52.58萬t，比2010年（53.94萬t）減少2.50%；工業煙粉塵排放總量27.55萬t，比2010年（28.97萬t）減少4.90%，氮氧化物排放總量48.19萬t，比2010年（43.42萬t）上升10.98%。

2011年，山西省中北部四市二氧化硫等主要大氣污染物的排放總量統計情況如表4所示。

根據表3、表4及山西省2000年2005年2010年環境質量公報，山西仍屬于以塵、二氧化硫為主要污染物的煤煙型污染。

2 煤炭井工開采項目采暖、供熱必要性及供熱負荷分析

由于煤炭行業，特別是井工開采項目的特殊性，當冬季氣溫低于零度時，為防止礦井進風井筒內淋幫水結冰，影響提升能力降低以及可能由于大冰塊塌落造成井底嚴重事故，必須采取適當的方法，使井筒內不致結冰。根據《煤炭工業礦井設計規范》（GB50215-2005）的要求，煤炭企業主要采暖、供熱對象包括：井筒保溫、工業、行政福利設施采暖、洗浴用熱、食堂蒸煮用汽、洗衣房用熱等。

由于用熱負荷的季節性變化明顯，煤炭企業冬季采暖期需要的熱負荷較大，鍋爐噸位較大；而夏季主要為洗浴用熱、食堂蒸煮用汽、洗衣房用熱，熱負荷較小，較小的鍋爐噸位即可滿足用熱要求。根據實際生產經驗及相關資料統計，90萬t/a煤炭企業井筒保溫熱負荷一般在6～10 T/h；120萬t/a礦井井筒保溫熱負荷會大于10 T/h；生產能力120萬T/a以下的井工煤礦，夏季用熱負荷一般4～6 T/h。

山西中北部地區煤礦項目以90萬t/a礦井為主，占煤礦項目總個數的61.2%；其中井工煤礦占到礦井總個數的95%左右。

3 山西中北部地區井工煤礦鍋爐配置方案

3.1 鍋爐配置方案探討

3.1.1 相關設計規范中關于鍋爐房設置方案的規定

煤炭井工工采項目在鍋爐房設計時，應執行現行的相關設計規范：

1）《煤炭工業礦井設計規范》（GB50215-2005，2006年1月1日實施）。“13.9.3”規定“鍋爐房不應設備用鍋爐。用于采暖、井筒防凍及礦井浴室供熱的鍋爐，宜采用相同類型的鍋爐，但不應少于2臺”。

2）《煤炭工業供熱通風與空氣調節設計規范》（GB/T50466-2008，2009年6月1日實施）。“6.0.1”中規定“采暖室外計算溫度等于或低于-4℃地區的進風立井、等于或低于-5℃地區的進風斜井和等于或低于-6℃地區的進風平硐，當有淋幫水、排水管或排水溝時，應設置井筒防凍設施”。“6.0.15”規定，“在遠離主工業場地、采暖熱負荷很少的進風井、在缺水地區或供水困難的進風井”，井筒保溫可采用熱風爐。“6.0.16”規定，“熱風爐不得少于2臺，但其中1臺出現故障時，其余熱風爐能滿足井筒防凍需要”。

3.1.2 鍋爐配置方案建議

1）對于項目井筒保溫負荷接近或大于等于20 T/h的，按照相關規定，單臺鍋爐、熱風爐噸位不小于10 T/h。

2）對井筒保溫負荷遠達不到20 T/h的，可根據實際情況配置鍋爐；但應根據熱負荷優化鍋爐配置，盡量減少鍋爐房內鍋爐臺數，提高單臺鍋爐噸位。

3）對于單獨設置的夏季洗浴鍋爐，應嚴格按照相關規定，在有氣源、油源條件下，優先采用燃氣、燃油鍋爐，也可選擇太陽能輔助電加熱或空氣源熱泵、回風熱源泵等混合供熱方案。

3.2 不同鍋爐設置方案的環境影響分析

由于煤炭企業一般均在偏遠的山區，城市集中供氣、供熱工程均不能滿足煤礦生產、生活需要。因此，煤炭企業必須自己建設供熱設施。山西中北部城市群范圍內的煤礦基本均為低瓦斯礦井，沒有煤層氣（瓦斯）可供利用，當地天然氣全部依靠長輸管線，氣源、氣量有限，除市政及園區采暖使用天然氣外，無富裕天然氣向工業企業供氣；而從晉南地區外購液化天然氣也不現實。根據當地特點，煤炭井工煤礦可行的供熱方案為電鍋爐或燃煤鍋爐供熱。下文就不同鍋爐設置方案的環境影響進行簡要分析。

1）電鍋爐：山西中北部城市群一般冬季采暖天數按160 d，夏季按205 d計，夏季供熱用1臺4 T/h（2.8 MW）電鍋爐估算，耗電量為：2.8 MW×205 d/a× 12 h/d=688.8萬kW·h。

耗電成本：按當地一般工業用電價格1元/（kW·h）計算，夏季1臺4 T/h電鍋爐運行成本為688.8萬元。產生相應電量的污染物排放量：類比位于大同地區的同煤集團塔山坑口電廠竣工環保驗收監測數據，每發電1萬度，需要排放煙塵1.42 kg，二氧化硫6.22 kg，氮氧化物16.14 kg。

1臺4 T/h所用電量在發電時需要排污量為煙塵0.98 t，二氧化硫4.28 t，氮氧化物11.12 t（未考慮脫硝，按脫硝80%考慮為2.22 t）。

2）燃煤鍋爐：按山西中北部城市群一般煤礦煤質（灰分25%，硫份0.8%，發熱量5 500 kcal/kg）估算，1臺4 T/h燃煤鍋爐夏季耗煤量按下式估算：

式中：B為鍋爐燃料耗量，kg/h；D為鍋爐小時產汽量，m3/h；Qdw為燃料的低位發熱值，kJ/kg；i''為鍋爐在某絕對工作壓力下的飽和蒸汽熱焓值，kJ/kg；i'為鍋爐給水熱焓值，i''=83.74 kJ/kg；η為鍋爐熱效率，普通鍋爐取80%。

經計算得：夏季1臺4 T/h燃煤鍋爐耗煤量為1 348.2 t；按煤礦企業原煤成本價300元/t估算，燃煤成本為40.45萬元。

二氧化硫產生量為：1 348.2×1.6×0.8%=17.26 t，按脫硫效率70%計算，二氧化硫排放量為5.18 t。

氮氧化物產生量：NOX產生量按照《第一次全國污染源普查工業污染源產排污系數手冊》中噸煤2.94 kg/t進行計算，則為1 348.2×2.94=3.96 t。

煙塵產生量：計算得23.91 t，按除塵95%計算，煙塵排放量為1.20 t。

3）不同鍋爐配置方案對比分析：電鍋爐與燃煤鍋爐對比分析，如表5所示。

綜上所述，在同樣供熱負荷1臺4 T/h 2.8MW情況下，電鍋爐煙塵、二氧化硫排放量略低于燃煤鍋爐，在采取脫硝措施后，氮氧化物污染物排放量低于燃煤鍋爐。

4）電鍋爐的制約條件：a.用電負荷與電量保證性。由于電鍋爐耗電量較大（如1臺2 qT/h電鍋爐，消耗耗電1.4萬度，將大于90萬t/a礦井全礦的供電負荷），需要較大電力供應保證，項目輸電線路、變電系統擴容改造、區域電網平衡、電力公司電力供應能力等限制，在落實電源的情況下，可謹慎選擇。b.電鍋爐運行成本是同樣規模的燃煤鍋爐的8～10倍左右，企業采用電鍋爐的經濟性動力是很大的一個制約，在目前煤炭行業整體盈利條件下滑，山西中北部地區動力煤煤礦基本處于保本或虧損的情況下，統一要求煤炭企業采用電鍋爐采暖、供熱的阻力較大。

4 結束語

山西中北部地區是山西主要動力煤生產基地，同時，位于國家大氣污染防治重點區域，國家和省對燃煤工業鍋爐配置提出了新的要求。位于該區域的井工煤礦鍋爐配置應根據項目具體情況，盡可能集中供熱，減少鍋爐房內鍋爐臺數，提高單臺鍋爐噸位；在有氣源、油源條件下，優先采用燃氣、燃油鍋爐，也可選擇太陽能輔助電加熱或空氣源熱泵、回風熱源泵等多元化解決項目采暖、供熱熱源。

[1]環境保護部，國家發展和改革委員會，財政部.《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》（國函〔2012〕146號）[Z].2012-10-29.

[2]山西省人民政府.《山西省2006年—2020年煤炭生產開發規劃》[Z].2007-08-27.

[3]山西省環境保護廳.《山西省重點區域大氣污染防治“十二五”規劃2013年度實施方案》（〔2013〕30號）[Z].2013-03-25.

Discussion on Boiler Setting in Underground Coal Mining Project in North-central Region of Shanxi Province

WU Junsong
(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry,Taiyuan 030001,China)

Combined with the coal projects in north-central region of Shanxi province,boiler setting of underground coal mining is discussed in this paper.On the estimation of pollutant discharge and operational cost of the different boiler settings,an appropriate scheme is selected in order to realize the goal of energy conservation and pollution abatement.

north-central region of Shanxi province;underground coal mining;boiler setting

TD727

A

1672-5050（2015）01-0085-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.028

（編輯：薄小玲）

2014-10-07

吳俊松（1974-），男，四川仁壽人，大學本科，工程師，從事環境影響評價、環境規劃、節能評估和環境工程設計工作。