礦井供熱熱源選擇及可再生能源利用對比分析

白延斌

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230000)

根據《BP世界能源統計年鑒》(2018年版)表明，2017年全球能源需求增長2.2%，煤炭消費量自2013年以來首次出現反彈[1]。中國能源消費量增長了3.1%，連續第17年居能源增量之首。隨著國務院發布《大氣污染防治行動計劃》、《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020年)》等政策性文件的頒布實施，眾多煤礦企業面臨現有熱源淘汰與替換任務。由于大部分礦井企業在建設期初建設的熱源為燃煤鍋爐供熱，該熱源主要負擔工礦廠區四季洗浴用熱及冬季井口防凍用熱與供暖用熱需求，且噸位4t/h、6t/h、10t/h及20t/h規模層次不同，但都是以小規模建設為主。以往20t/h規模鍋爐房與現有環保政策不符，屬于明確禁止運行及限期淘汰范圍內。近期京津冀地區、安徽地區、陜西及內蒙古等地區先后出臺相應的大氣污染防治條例及各種治霾行動方案等文件，無一例外的要求限期整改現有鍋爐供熱，提出使用可再生能源及新能源替代方案。因此礦井供熱面臨新熱源的建設選擇問題，目前適合礦井的熱源有燃氣鍋爐供熱方案、燃煤鍋爐供熱方案、蓄熱電鍋爐供熱方案、太陽能供熱方案、空壓機余熱供熱方案及礦井乏風余熱利用供熱等，本文將分別分析探討其建設內容及優缺點。

1 傳統熱源的選擇

1.1 燃氣鍋爐供熱

天然氣鍋爐的使用與燃煤鍋爐相比其有害物質排放二氧化碳減少58%，二氧化硫減少99.99%；氮氧化合物減少81%；顆粒物減少95%；爐渣及廢水減少100%。使用燃氣能源是實現環保政策最有效措施之一。使用天然氣蒸汽鍋爐與相同噸位燃煤鍋爐還可以取得良好的環境效益和一定的經濟效益。

使用燃氣鍋爐替代現有熱源首要問題是解決燃氣氣源供應問題。目前通常一是由專業液化天然氣公司建立LNG液化氣站，二是由地方燃氣公司為礦井敷設專用燃氣管道。在氣源可以保證的情況下，供氣企業通常傾向免費為業主安裝天然氣鍋爐設施，后期計量收費。因此天然氣熱源的建設通常是按照零費用建設考慮。按照當量1t/h蒸汽供熱量考慮，天然氣熱值按照8600kcal計算，每噸蒸汽消耗燃氣量按照80Nm3計，天然氣價格采用3.5元/Nm3，通過計算表明天然氣熱源供熱供應當量1t蒸汽消耗熱源費用為280元/t。

1.2 燃煤鍋爐供熱

根據國家及地方相關政府文件精神，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐。分散燃煤小鍋爐熱效率低，平均運行熱效率僅50%左右，不滿足節能減排、建設資源節約型社會的要求且燃煤小鍋爐沒有配套建設高效除塵脫硫脫銷系統，達不到環保排放標準，嚴重污染空氣環境，燃煤鍋爐在使用過程中排放大量的煙塵、二氧化硫等污染物質，是形成大氣中PM2.5的重要成分，也是霧霾天氣的重要誘因。

因此礦區內各礦井在現有鍋爐拆除情況下，若繼續使用低成本燃煤鍋爐方式供熱，則必須建設兩臺蒸發量至少為25t/h的蒸汽鍋爐，以滿足礦井供熱需求及目前相關規定。當然對于部分地區執行較國家更為嚴格的規定禁止新建35t/h的鍋爐則需要進一步增加鍋爐建設容量。在滿足現行國家要求及規范的基礎上新建燃煤鍋爐供熱必須配套建設脫硫脫硝措施。典型鍋爐供熱流程如圖1所示。通常設計鍋爐的煙氣除塵采用布袋除塵器，除塵效率>99%，煙塵的排放濃度不超過30mg/m3。鍋爐選擇氧化鎂濕法脫硫系統，設計脫硫效率85%以上，確保煙氣SO2的排放濃度不超過200mg/m3。設計脫硝效率80%以上，確保NOx的排放濃度不超過200mg/m3。建設配套2×25t/h鍋爐房，建設費用約為3500萬有左右，運行消耗燃料費用按照煤的熱值5500kcal計算，鍋爐效率按照80%計，當量蒸汽耗煤量為125kg/h，煤價按照600元/t考慮，計算得知燃煤鍋爐熱源供熱供應當量1t蒸汽消耗熱源費用為75元/t。若考慮建設費用成本攤銷，按照15年折舊攤銷考慮，供應當量1t蒸汽攤銷費用為5元/t。則考慮建設費用攤銷后蒸汽消耗熱源費用為80元/t。

1.3 蓄熱電鍋爐熱源

對于礦區等用熱集中且負荷較大的場所使用純電加熱鍋爐是規范所不容許的，只有在符合國家電力政策的前提下，利用峰谷電價采用熔鹽儲能電鍋爐來保障熱源供應。目前的相變儲能電鍋爐系統中使用的熔鹽儲能在工業低谷電費極低時，將電能轉化成熱能儲存在儲能箱中，在全天24h能夠穩定供應熱能及電能轉化和能量儲存，可滿足全天礦區熱力供應。

熔鹽蓄熱供汽系統由熔鹽儲罐、熔鹽泵、電加熱器、管道混合器、換熱器、除氧器和各種水泵以及管道閥門等組成。系統工作原理如圖2所示，系統工作流程如圖3所示。

圖2 熔鹽蓄熱原理圖

蓄熱電鍋爐采用熔鹽蓄熱的優勢有：①系統簡單可靠，實施方便。10kV高壓無需變壓，直接接入固體蓄熱本體；②清潔低碳環保，10kV高壓大型蓄熱式電鍋爐，在使用過程中無任何廢水、廢氣、廢渣產生，沒有二氧化碳排放，是低碳經濟時代綠色環保供暖的首選設備；③平衡優化電網：10KV高壓大型蓄熱式電鍋爐，利用電網低谷電儲熱，平衡電網消峰填谷的作用顯著。低谷電價越低，運行成本越低；④電能通過發熱介質，轉換為熱能，儲存于850℃高溫蓄熱介質中，瞬時耐高溫達1200℃，極佳的絕緣性能具有更高的可靠性和安全性。

其缺點為：①需取得供電部門政策支持，落實谷電電價。若峰谷電價差不明顯，系統運行能耗高，無低谷電價時是傳統供熱能耗的3～4倍，存在低谷電價為峰價的1/3左右時，運行能耗與傳統供熱能耗相當；②需要現場具備多余電負荷容量，否則需要改造現有電網投資增加；③設備投資額較大，同樣替代兩臺6t/h鍋爐，該系統需要3000萬投資額；④當介質溫度低于150℃時會導致熔鹽液體凝固導致整個系統報廢，所以熔鹽罐需要常年保溫，保溫所需的耗能量也較大。。

由于電供熱鍋爐熱源沒有噸位限制要求，因此可以根據現場實際負荷靈活配置，但其建設成本較大，2臺6t/h鍋爐成本達到3000萬，隨著鍋爐規模的增加建設成本成倍增加?？紤]其主要靠谷電蓄熱，因此計算其電源使用成本按照谷價0.3元/(kW·h)計算。計算得知蓄熱鍋爐熱源供熱供應當量1t蒸汽消耗熱源費用為215元/t。若考慮建設費用成本攤銷，按照15年折舊攤銷考慮，供應當量1t蒸汽攤銷費用為19元/t。則考慮建設費用攤銷后蒸汽消耗熱源費用為234元/t。

2 可再生能源供熱

2.1 太陽能供熱熱源

太陽能利用目前主要有兩個方面應用：一是利用太陽能輔助空氣源熱泵或者電加熱器制備洗浴水；二是太陽能輔助燃氣壁掛爐使用地板輻射采暖系統。太陽能集熱器的基本工作原理：陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉變為熱能，并傳向流體通道中的工質。這樣，從集熱器底部入口的冷工質，在流體通道中被太陽能所加熱，溫度逐漸升高，加熱后的熱工質，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入貯水箱中待用，即為有用能量收益。與此同時，由于吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環境散失熱量，構成平板太陽集熱器的各種熱損失。

太陽能供熱優點：①高效節能，最大效率的利用太陽能量可節約能源成本40%～60%以上，運行成本大大降低；②綠色環保，采用了太陽能潔凈綠色能源，避免了礦物質燃料對環境的污染，為用戶提供干凈舒適的生活空間；③智能控制，系統采用了智能化控制技術，自行控制，最佳經濟運行，可設置全天候供應熱水，使用非常方便；④能源互補，陰雨天氣使用空氣源熱泵或者其他熱源通過太陽能換熱器自動切換，無需人工調節。

太陽能供熱缺點：①太陽輻射受氣候和時間的支配，太陽能不能成為連續、穩定的能源；②必須與輔助熱源配套使用，氣候變化或陰雨天等沒有日照時，太陽能不能成為獨立的能源；③建筑物表面或旁邊有足夠大的面積擺放集熱器。

由于太陽能的局限性及不穩定性，在礦區做不到完全替代現有熱源的程度，其主要用來補充熱源或者制備礦區洗浴水。目前市場中太陽能供應洗浴熱水建設成本為供應當量1t熱水7000元左右。

2.2 空壓機余熱熱源

礦井在開采中都配置有空壓機系統，滿足采用空氣需求。螺桿空氣壓縮機在連續運行過程中，壓縮空氣和壓縮機腔內的潤滑油混合成油氣，一起排入油氣分離器。這部分油氣的熱量相當于空壓機輸入功率的100%，它的溫度通常在80℃(冬季)～100℃(夏秋季)。螺桿空壓機余熱回收系統，就是通過外置余熱回收設備，把空壓機潤滑油的冷卻熱，回收用于加熱洗浴熱水或采暖循環水。空壓機潤滑油的冷卻熱，占到空壓機輸入電功的70%～75%。運行原理如圖4所示。

圖4 空壓機余熱利用供熱系統原理圖

空壓機余熱回收系統的優點為：①安全、衛生、方便；②提高空壓機的運行效率，實現空壓機的經濟運轉；③全自動控制系統，無需人為操作，控制系統會根據熱水溫度、熱水箱水位的情況做出判斷，自行決定換熱方式；④運行費用低。系統僅有循環水泵能耗無其他任何耗能設備。

其缺點為：①礦區洗浴等負荷往往具有間斷性、不穩定性，而空壓機一般是連續運行的，所以回收空壓機余熱供洗浴的系統，必須配置一定容量的熱水箱，方便在洗浴低谷時段蓄存熱水；②空壓機與余熱回收系統，必須一對一配置，這造成備用空壓機余熱回收系統閑置；③余熱回收系統與空壓機的運行工況密切相關，空壓機非滿載運行加熱時間需要延長，影響持續供熱。

同樣由于受到空壓機配置功率的限制，空壓機余熱回收系統供熱通常用于礦區洗浴用水制備，做不到完全替代現有熱源。但空壓機余熱回收系統節能效果較好，因此與其余供熱熱源系統聯合實施，降低熱源規模，節省運行費用。由于其利用空壓機余熱系統因此其一次能源直接消耗費用為零?？諌簷C余熱利用系統主要建設內容為空壓機油路改造及換熱器與輔助水循環系統建設，建設內容簡單，期間費用根據空壓機功率大約在30～50萬/臺范圍內。其運行費用主要為循環水泵系統運行能耗，目前根據筆者調研掌握的運行能耗數據為0.3～0.4元/t熱水。

2.3 乏風余熱利用供熱熱源

礦井通風系統是礦產企業安全生產的重要保障，對礦井采掘工作面進行通風就會有大量回風產生?？諝饨涍^地下巷道時與巷道圍巖發生熱濕交換，再加上空氣自壓縮放熱、井下設備、涌水等熱源散熱等都排入回風中，使得回風中蘊含著大量可利用的熱量。當礦井空氣流經采掘工作面及井下工作硐室以后其空氣中往往含有瓦斯及其它有害氣體使其成分與進入礦井的新鮮空氣不同，將其回風風流成為礦井乏風[2-4]。乏風是一種潛力巨大且清潔的余熱資源，溫度全年維持在25℃左右，可結合熱泵技術充分利用其顯熱。熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節能裝置，以消耗少量電能為代價，能將大量不能直接利用的低溫熱能變為有用的高溫熱能的裝置。目前乏風利用有二種不同方式[5-7]。

1)噴淋取熱。噴淋取熱分為開式與閉式，開式系統利用噴淋換熱裝置高效回收乏風氣流中的顯熱，乏風氣流與換熱介質進行熱量傳遞，將乏風攜帶的顯熱熱量交換給換熱介質，換熱介質作為水源熱泵供熱系統中的低溫熱源。閉式系統主要為閉式換熱器取熱，通過乏風與閉式換熱器內部循環溶液換熱，循環溶液作為水源熱泵供熱系統中的低溫熱源。

2)直蒸取熱。將熱泵機組蒸發器做成模塊式直接布置在擴散塔出風口取熱，熱泵機組就近布置。

2.3.1 噴淋取熱

噴淋熱回收系統主要由回風換熱裝置、熱泵機組，動力裝置、集水池、除污裝置及附件組成，如圖5所示。在礦井噴淋熱回收技術中，由換熱器和改建后的擴散塔共同組成的換熱裝置。其核心裝置是回風換熱裝置，回風通過加壓風機壓入擴散塔內，擴散塔側面加設回風導流器，從而使礦井回風轉變為低速、均勻的穩定氣流，在熱交換區氣流與高度霧化的水滴充分接觸，從而完成氣水之間的熱濕交換[7，8]。冬季工況下循環水吸取回風中的余熱，然后將礦井回風全部導入回風換熱器內，最后通過擋水板排至室外。進行熱濕交換后的噴淋水進入匯水池，然后通過除污裝置進入熱泵機組，之后再由循環泵輸送至換熱器進行換熱。通過將噴淋熱回收系統與水源熱泵系統相結合，回收礦井回風中蘊含的低溫熱能，這種礦井噴淋熱回收技術是近年來國內發展起來的新型乏風熱回收技術。

圖5 噴淋取熱原理圖

乏風噴淋換熱優點包括：①高效節能，系統能效能夠達到4.0，用乏風噴淋換熱制取的熱水和溫水一年四季溫度相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調冷源，另外由于水體溫度較恒定，使得熱泵機組運行更穩定可靠，也保證了系統的高效性和經濟性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題；②綠色環保，熱泵系統使用的能源為電能和大量環境低溫熱能，從根本上杜絕了煙氣及廢棄物的排放；③一機多用，一套設備不僅能提供生活熱水，又能供熱制冷，大大簡化了設備及工程量；④除塵降噪，對回風中的粉塵及污染物也有去除作用，而且在一定程度上還可以降低回風因為風機運行震動等引起的噪音，回風換熱器增加阻力80Pa以下，通風阻力小，對風機影響極小，降低風井排風的噪音可達30dB(A)；⑤自動控制，系統的自動控制采用集散控制系統，利用上位監控系統集中對熱泵機房、井口機房等分散系統進行監視、控制，多臺壓縮機并聯，調節特性好，并能保證每臺壓縮機在最高效率點工作。能源監控先進，用戶可用隨時了解系統運行情況，便于節能調整。

缺點包括：①輸送能耗較傳統高，該系統需要配置一套噴淋換熱泵，一套循環取熱泵，一套循環供熱泵；三套循環泵系統較常規系統多一套循環取熱泵系統循環能耗高；②水質要求高，噴淋換熱設備通過噴嘴噴淋與乏風直接接觸換熱，若系統軟化水處理系統運行不正常會產生噴嘴阻塞問題，影響換熱效率，增加檢修工作量；③單熱源，該熱泵系統只考慮解決供熱問題，若同時考慮解決地面用冷，需要選用雙工況機組及配置冷卻塔，與現有的熱害制冷站沒有協同考慮一體化建設，地面兩套機械制冷/制熱機組，重復投資；④積水清淤問題，乏風中含有大量顆粒粉塵污染物，通過噴淋換熱設備沉積在下部設置水池，需要根據現場積淤與水質情況，定期人工清淤，及水面粉塵顆粒物；⑤熱水溫度低改造內容多：系統無法提供60℃以上的高溫水，水溫在50～55℃運行時為最佳工況，需要改造現有供熱管網及末端用熱設備，才能達到最佳效果。需要在現有擴散塔擴建噴淋換熱設備，室外管網需與空氣加熱設備需要進行校核改造。

2.3.2 直蒸取熱

真蒸式取熱，即將熱泵機組的蒸發器做成現成模塊直接布置于礦井回風擴散塔出風口處，回收熱量。通過蒸發器內冷媒直接循環來制取熱水。相比于噴淋式取熱節約了一套取熱泵布置，增加了冷媒管路布置，同時增加了壓縮機耗功，其原理如圖6所示。

圖6 直蒸取熱原理圖

乏風直蒸取熱優點包括[9，10]：①高效節能：1kW·h 電的投入，可以產生相當于4kW·h 電的熱量，與直接電熱方法相比節約電量75%，與傳統的燃煤、燃油鍋爐相比，節約50%～65% 的能耗，降低了運行成本，乏風溫度波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是很好的熱泵熱源和空調冷源，熱泵機組運行更穩定可靠，也保證了空氣源熱泵系統的高效性和經濟性，不需要建設噴淋換熱設備；②綠色環保：熱泵系統使用的能源為電能和大量環境低溫熱能，從根本上杜絕了煙氣及廢棄物的排放，供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排煙污染，供冷時省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪聲及霉菌污染，不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵；③輸送能耗低，相比與噴淋換熱只需要循環供熱泵系統，取消兩套循環泵系統；④適用范圍廣，在乏風溫度較低時，通常8℃以下也可以提取熱量；⑤自動控制，系統的自動控制采用集散控制系統，利用上位監控系統集中對熱泵機房、井口機房等分散系統進行監視、控制；⑥多臺壓縮機并聯，調節特性好，并能保證每臺壓縮機在最高效率點工作。能源監控先進，用戶可用隨時了解系統運行情況，便于節能調整。

缺點包括：①風阻較高，直接蒸發取熱需要將蒸發器直接布置于擴散塔上部，系統通風阻力需要增加150～200Pa；②設備體積大，直接蒸發取熱需要熱泵機組與乏風取熱器距離不能過大，需要熱泵機房與擴散塔聯建，土建工程量較大；③單熱源，該系統只能供熱，無法供冷。且冬季溫度較低時易出現結霜問題，供熱可靠度降低；④清洗問題，蒸發器為翅片環繞式銅管換熱器，礦井乏風粉塵等污染物容易堵塞換熱器，需要定期清洗；⑤熱水溫度低改造內容多，系統無法提供60℃以上的高溫水，水溫在50～55℃運行時為最佳工況，需要改造現有供熱管網及末端用熱設備，才能達到最佳效果，需要在現有擴散塔擴建噴淋換熱設備，室外管網需與空氣加熱設備需要進行校核改造；⑥檢修難度大，銅管換熱器露損后需要現場焊接或整體更換模塊；⑦投資高，相對噴淋換熱初投資較高。

3 直接燃料能耗分析

通過對上述各種不同熱源分析，由于不同熱源供熱溫度不相同，為便于統計分析，將不同熱源供熱量統一假設為700kW。熱源的主要的能耗為其直接燃燒燃料能耗，由于不同熱源循環系統能耗不同，對不同熱源的循環系統能耗不計，通過對比不同熱源直接燃料能耗列于表1。表中蓄熱電鍋效率按照98%計算，其余按照90%計算，折算價格按照市場價綜合考慮，最后計算給出直接能耗的折算的費用成本，分別給出折合供應每噸蒸汽所消耗的直接成本及供應每立方米熱水所消耗的直接成本。從表1中可以看出太陽能與空壓機余熱直接耗能為零，燃氣鍋爐直接耗能最高，蓄熱電鍋爐與熱泵供熱次之，燃煤鍋爐直接耗能最少。

表1 不同熱源直接耗能成本對比分計算

4 結 論

1)礦區熱源替代方案中僅考慮直接燒料成本，太陽能與空壓機余熱不燃燒燃料直接燒料成本為零，優先選用這兩種方式為補充熱源。燃煤鍋爐供熱成本最低，天然氣鍋爐供熱燒料成本最高。

2)燃煤鍋爐建設面臨政策性淘汰風險，且其基礎噸位建設較大，往往大于礦區總用熱需求，建設成本較高，不宜作為新設熱源。燃氣鍋爐建設成本最低，但其氣源穩定性與價格不問穩定性依然長期存在，在確保氣源穩定的提前下可以綜合對比后選取。

3)乏風熱泵系統節能高效，礦區有乏風可用的提前下應優先選用乏風余熱利用熱泵系統。其折合當量1t蒸汽熱量成本為124元，供應1m3熱水成本為8.3元。