清潔能源替代燃煤鍋爐的實踐和思考

王力力

（開灤集團唐山礦業公司河北唐山063000）

清潔能源替代燃煤鍋爐的實踐和思考

王力力

（開灤集團唐山礦業公司河北唐山063000）

本文通過對煤礦礦井排水、瓦斯發電、空壓機散熱、井下排風等可利用余熱資源的分析計算，論證了利用低溫余熱資源和清潔能源替代燃煤鍋爐用于礦區供暖和職工洗浴的可行性；通過改造實踐證明了合理利用清潔能源和余熱資源，熱源穩定可靠，自動化程度高運行費用低，實現了煤礦企業產煤不用煤，環境保護意義重大，社會效益顯著。

清潔能源；余熱；替代；燃煤鍋爐；實踐

1　引言

唐山礦位于唐山市中心區域，工業廣場廠房公建及井口供暖、職工洗浴由4臺10蒸噸燃煤鍋爐提供熱量。該鍋爐房平均用煤量為1.9×104t/a，即使在安裝了高效脫硫除塵設施、完全滿足排放要求情況下，每臺鍋爐每年排放二氧化硫9.2t、氮氧化物21.6t、煙塵2.1t，污染物排放不僅造成空氣污染，而因排放污染物所須繳納的排污費對企業來說也是一筆不小的負擔。

近年唐山市政府下大力量整治城市污染，建成區范圍內取消燃煤鍋爐是大勢所趨。唐山礦燃煤鍋爐房坐落在對周圍環境要求極高的唐山市大南湖生態圈，與風景區整體規劃景觀不協調。因此淘汰燃煤鍋爐，使用清潔能源解決廠區供暖及職工洗浴問題，是政府節能減排和企業降本提效的雙重需要。

2　清潔能源和余熱資源利用技術及應用

2.1清潔能源

隨著經濟的發展和環保要求的提高，越來越多的清潔能源投入使用。目前替代燃煤的清潔能源主要有天然氣、電力、輕柴油、液化石油氣和太陽能等，就目前形勢看，天然氣、電力資源因其熱轉換效率高、轉換速度快，系統簡單可靠，應用比重不斷提高。在清潔能源替代選擇中需要綜合本單位的用能現狀、負荷特點以及制約因素影響，按照安全性、可靠性、經濟性、投入產出比等因素考慮替代可行性并確定方案，以達到投資與運行成本最佳配置。

2.2余熱資源

工礦企業用能設備在生產過程中排放的高溫廢氣余熱、冷卻介質余熱、廢水污水余熱等低品位能源，通過余熱回收利用技術可為企業提供生產、生活用熱。煤礦企業的礦井排風、井下排水、瓦斯發電、高耗能設備如空壓機散熱均屬于低溫可以利用余熱資源，利用熱泵裝置將這些不同形式的余熱提取回收，替代燃煤鍋爐用于礦區建筑供暖以及工業生活用熱水，實踐證明：余熱提取技術充分利用免費資源，熱源穩定可靠，自動化程度高運行成本低，不增加任何污染排放，是實現煤礦節能減排的重要手段之一。

3　唐山礦可供選擇的清潔能源及熱量分析

3.1礦井水余熱

礦井水凈化處理廠可提供6000t/d處理后的中水，水溫常年在15℃～18℃，選用單臺耗電功率為232kW/h、制熱量為1000KW/h水源熱泵機組，兩臺同時運行。按照提取溫度7℃保守計算，B區礦井水處理廠清水水源熱泵提供熱量：

Q熱=CM△T/3600=250×4200×（15-8）/3600=2041.7kW/h

3.2瓦斯發電系統余熱

公司現有瓦斯發電站一座，共4臺額定功率為500kW的發電機組，根據礦井瓦斯排放情況開啟，最低保證1臺運行。發電機工作時需油冷卻及煙氣余熱合計50×104cal，折合余熱581.4kW/h，系統發電效率60%，按照常開一臺保守計算提供熱量為350kW/h。

3.3空壓機冷卻熱

公司現有風冷式空壓機4臺，可按需要更改為水冷式空壓機。根據空壓機的冷卻參數額定功率220kW，排風扇風量850m3/min、功率7.5kW，空氣比熱按1.1kJ/kg、溫差按5℃、密度按1.25計算的單臺空壓機余熱：Q空=CM△T/3600=1.1×（850×60）×1.25×5/3600=97.4kW。

3.4洗浴排水余熱

更衣室洗浴排水量為1000t/d，平均小時排水量為41.7t，溫度為30℃～35℃，按30℃、有效利用率2/3保守計算，與洗浴用清水換熱后溫度降至15℃，排水與洗浴清水小時平均最小換熱量：Q熱=CM△T/3600={41.7×4200×（30-15）/3600}×2/3=486.5kW

3.5太陽能

現有建筑物樓頂可利用太陽能面積大約30×30m2。太陽能免費熱最多的月份為5月至9月期間。按照真空管太陽能系統單位吸熱體平均日產水量140kg/m2計算，利用建筑屋頂敷設太陽能可以的得到40℃熱水量為126t。即：每天太陽能熱量為Q太=CM△T/3600=126×（40-15）×4200/3600=3675kW，平均小時熱量為153kW/h。

3.6礦井排風余熱

井口排風余熱常年18℃左右，風量400m3/s，風量大、溫度高且穩定很適合作為空氣源熱泵熱源供井口保溫。井口排風可提供熱量：

顯熱：井口排風顯熱熱量為Q=CMΔt/3600=5394.8kW/h。其中C:風的比熱1.005kJ/(kg×k)；M：空氣質量密度ρ×風量；ρ：1.22 kg/m3；Δt：空氣18度取熱后降至7℃；

潛熱：井口排風為18℃，50%含濕量約為6.5g/kg，降至7℃、40%含濕量約為3g/kg，汽化潛熱比為2250kJ/kg計算潛熱量為：2250×400×3600×1.22×{（6.5-3）/1000}/3600=3843kW/h；

礦井井口排風利用熱泵總熱量=5394.84+3843=9237.84kW/h。

3.7天然氣

唐山礦風井工業廣場北3km有市政天然氣主管道，通過與政府相關部門協調，可自籌資金或集資建設支線接入天然氣，可供唐山礦使用并惠及經過地區的企業及小區居民。

4　工業廣場熱負荷計算

4.1礦井冬季保溫熱負荷

冬季井口需熱量按照冬季120天平均最低溫度-8℃，每天供熱18h計算熱負荷：Qα=ρ·V·（h2-h1）/3600=1.284×（350× 3600×18×120）×（6.5+6.8）/3600=12910363kW。

式中：—為空氣密度，1.284kg/m3；—為進風量，350m3/s；—為2℃，相應濕度52%下空氣的焓，6.5kJ/kg；—為月平均溫度的焓值，-6.8；3600—為換算系數。

冬季井口供暖考慮15%的散熱系數，即：井口需總熱量=12910363×1.15=14846918kW，平均6873kW/h。

4.2職工洗浴熱負荷

唐山礦每日入浴職工人數4500人，非取暖季單獨運行1臺熱水鍋爐供洗浴使用，冬季與采暖用鍋爐并聯使用。采用鍋爐供水與板式換熱器換熱方式提供1000t42℃洗浴熱水，計算每日洗浴熱負荷算：Q=CM△T/3600=4200k1000k（42-12）3600kJ/tk℃=35000kW；

平均用熱需求為35000/24=1458.3kW/h。

4.3廠房建筑熱負荷

唐山礦風井工業廣場經統計需采暖供熱工業及公共建筑面積約為4.55×104m2。根據唐山礦廠區實際現狀，按綜合建筑面積熱指標取100 W/m2，因此廠區部分建筑采暖耗熱量為Q=q× A=100×45500=4.55MW。

其中：Q：公共建筑采暖耗熱量，W；q：公共建筑采暖耗熱量指標，W/m2；A:公共建筑面積，m2。

4.4綜合辦公樓熱負荷

綜合辦公樓面積約1.5×104m2，需供暖面積為1.4×104m2，根據唐山市氣象條件、建筑物用途（室內溫度16℃～18℃）、建筑維護結構和以往運行情況，確定建筑面積平均熱指標q=80W/m2，計算用熱負荷為：Q=F×q=14×103×80=1120kW/h。

5　綜合分析確定清潔能源替代燃煤鍋爐技術改造方案

工藝技術方案確定原則是在可靠穩定的前提下，結合唐山礦實際、富余電負荷、可用場地和配套設施情況，確定燃煤鍋爐替代方案，使初投資和運行成本達到最優配置。

5.1確定改造方案

通過對可利用資源的綜合分析，天然氣、礦井水余熱、空壓機余熱和瓦斯發電余熱穩定可靠、安全經濟，系統相對簡單便于管理；礦井排風和太陽能前期投入較高，受風阻和天氣等因素影響較多。反復論證后確定采取多方式分散供熱，改造方案為：（1）拆除原有4臺7MW燃煤鍋爐，購置安裝2臺7MW天然氣鍋爐，冬季開啟供井口保溫和廠房建筑供暖；（2）礦井水水源熱泵機組與瓦斯發電、空壓機、洗浴排水余熱配合使用，供職工洗浴和綜合辦公樓冬季供暖、夏季制冷；（3）為保證系統的穩定性及可靠性，增加500kW的低谷電蓄熱作為補充及備用。

5.2燃煤鍋爐替代改造工程技術路線

（1）礦井水余熱利用區域建設230m2機房一座，安裝1臺1250kVA變壓器，3臺1000kW熱泵機組（兩用一備）及配套設施；（2）瓦斯發電余熱區域對原有發電機組油冷器、排煙換熱器及配套設施進行更新，提高換熱效率；（3）空壓機余熱區域在保證設備正常運行的前提下，將2臺220kW風冷空壓機改為水冷系統，最大限度提取熱量；（4）洗浴排水余熱區域機房安裝專用排水過濾器1臺、排水換熱器2臺、循環用水泵4臺，用于提取洗浴廢水中的熱量；（5）低谷電加熱區域，安裝500kW低谷電蓄熱器1套，800kVA變壓器及相關配套設施，作為備用熱源；（6）新建150m2換熱機房和300t半地下蓄水池，機房內安裝換熱器3臺，循環用水泵9臺，滿足供熱系統需要。

圖1　余熱利用熱平衡圖（單位：kW/h）

6　使用效果及效益分析

該項目投入使用以來，供熱能力完全滿足井口保溫和辦公及廠房供暖，每日穩定提供＞42°洗浴熱水1000t以上，運行穩定且使用效果良好。與燃煤鍋爐相比,余熱利用區域實現自動控制無人值守,整體供熱系統運行費用顯著降低。

6.1節能效益

改造前鍋爐用煤為1.8×104t/a，改造后鍋爐天然氣用量170×104m3，年可節約標準煤8562t。

6.2環境效益

減少CO2排放量為25850t，減少SO2排放量為84.9t，減少NOx排放量為73.92t；減少煙塵排放量14.4t，節能減排效果十分明顯。

6.3經濟效益

改造前燃煤鍋爐全年運行費用966萬元，改造后購買天然氣、電力消耗以及運行總費用約為852萬元，年可節省運行費用近114萬元。

7　結語

在環保意識增強、能源日趨匱乏的今天，節約能源、保護環境已成為耗能企業義不容辭的任務。充分挖掘和開發企業內部的余熱資源，合理利用清潔能源，在降低企業單位噸煤能耗的同時，大幅減少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物排放，環境保護意義重大。唐山礦清潔能源替代燃煤鍋爐改造，真正實現了煤礦企業產煤不用煤，不僅具有可觀的環保及經濟效益，社會效益顯著，具有一定的推廣應用價值。

王力力（1967—），女，河北唐山人，中國礦業大學選礦工程專業畢業，開灤集團唐山礦業公司經管部。