燃煤鍋爐房清潔能源改造技術現狀及方案比選

鄭銳國 郭 園 王業飛

(山西陽煤九洲節能環保科技有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

我國的基礎能源以煤炭為主，陽泉市是中國最大的無煙煤產地。由于資源優勢，陽煤集團礦井、地面建筑物采暖等供熱多數為燃煤鍋爐，隨著國家環保力度的加大，2016年，2017年，集團公司對下屬燃煤鍋爐進行了脫硫、脫硝、除塵改造滿足當時煙氣排放標準。2018年，山西省環保形式更加嚴峻，取締關閉燃煤鍋爐的同時，質監部門注銷承壓鍋爐使用登記證。集團公司為了解決鍋爐煙氣污染物的治理問題，對燃煤鍋爐進行清潔能源改造，并將方案制定、設備采購、工程管理統一組織管理，以達到資源最優配置。

1 清潔能源供熱技術現狀

根據各礦的實際情況，考察了市場的六類清潔能源供熱體系，并總結各工藝的技術特點，具體情況如下。

1.1 用電的

1.1.1電鍋爐

電鍋爐包括電阻鍋爐、電磁鍋爐及電極鍋爐三種形式，簡單來說就是純用電。

優點：系統簡單，改造方便，可充分利用現有鍋爐房現有輔助設施，純用電，無二次污染。

缺點：用電量較大，運行成本較高，若工業場地供電量不足，由此引起的外部線路和上級變電站改造工程量較大，還需電力部門審批通過。

1.1.2量子能供熱機組

量子能供熱機組供熱原理：合理有效地吸收量子液在激活狀態下的量子能量及運行速度，不斷使量子液激活而發生量變，量子液不斷在激活狀態下倍增釋放能量，在加熱過程中不斷改變分子結構及運行速度，不斷改變運行方向，不斷產生摩擦，真正做到低能耗高能量轉換之功效，從而獲取大量的高溫熱水。即使在停電狀態30 min內也可升溫，使之有低能耗高轉換能量之奇效。不受環境溫度影響，溫度可調范圍為90 ℃。

優點：節約用電，僅為電鍋爐用電量的一半。工藝可靠成熟，無二次污染；系統簡單，可分片實施。全自動控制，可實現無人值守。工業場地供熱改造，可充分利用建筑物現有室內散熱器采暖系統及室外管網，降低改造投資。

缺點：與乏風余熱利用(熱泵技術或熱管技術)及空壓機余熱等相比較，用電量大，運行費用高。

1.1.3空電能雙核供熱機組

空電能機組是在NWS量子能供熱機組基礎上增加了空氣能機組(即空氣源熱泵)共同進行供熱，通過量子能和空氣能雙核運行，自動切換，以較低能耗，獲取大量的高溫熱水。在環境溫度相對較低時空電能雙核供熱機組可加熱出高達70 ℃的熱水，并且預熱運行時間段，熱水速度快，8 min～15 min即可提供熱水。

優點：全天候使用，不受陰、雨、雪等惡劣天氣和冬季夜晚的影響，在-20 ℃～40 ℃環境下都可以正常運行；運行成本低，可節省70%的能源，與燃氣、電和電輔熱加熱的太陽能熱水器相比，全年費用最低，是燃氣熱水器的1/3左右，電熱水器的1/4左右。

1.1.4遠紅外熱風爐

遠紅外熱風爐技術是利用電能通過遠紅外電熱管自動將空氣加熱到一定溫度，用風機將熱風送到井口。

優點：系統簡單，可直接利用于井筒防凍，純用電，無二次污染。

缺點：熱效率僅90%，用電量較大，運行成本高；設備無法達到防爆要求，需要安裝于井口房20 m以外遠紅外熱風爐技術僅適用于井筒防凍。

1.2 燃氣鍋爐(或熱風爐)

1.2.1燃氣鍋爐(天然氣)

采用天然氣作為能源，可減少煤和石油的用量，因而大大改善環境污染問題；天然氣作為一種清潔能源，能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應，從根本上改善環境質量。現有的天然氣燃氣鍋爐燃燒技術可以達到氮氧化物排放小于30 mg/m3要求，對附近有天然氣資源的工業場地來說，將原有燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐，工程實施便捷，可充分利用鍋爐房現有輔助設施。

本項技術實施的前提條件：工業場地附近有天然氣資源。

優點：系統技術成熟，安全可靠，改造工程量較小，無二次污染，能夠滿足現行環保要求；僅有水泵、風機等用電設施，耗電量少；工業場地供熱改造實施容易，投資較低。

缺點：受天然氣價格影響，運行成本較高。若工業場地附近無管道天然氣，采用CNG或LNG的話，運行費用將更高。

1.2.2燃氣鍋爐(礦井瓦斯氣)

若礦井瓦斯氣濃度在30%以上，且有瓦斯利用設施，可以優先采用瓦斯氣燃氣鍋爐。目前瓦斯氣燃氣鍋爐暫無氮氧化物排放小于30 mg/m3的實例，實施存在一定的困難。

本項技術實施的前提條件：工業場地附近有瓦斯利用設施，瓦斯濃度30%以上。

優點：系統技術成熟，安全可靠，改造工程量較小；運行費用低；工業場地供熱改造實施容易，投資較低。

缺點：瓦斯氣燃氣鍋爐暫無氮氧化物排放小于30 mg/m3的實例，無法滿足環保要求。

1.3 礦井乏風余熱利用

1.3.1礦井乏風余熱利用(熱泵技術)

礦井乏風余熱利用技術是利用低溫余熱熱泵提取礦井乏風熱量，用于井筒防凍或建筑物采暖。在通風機出口新建乏風取熱室，安裝乏風取熱器，提取的熱量通過介質(防凍液)輸送至直冷式乏風熱泵機組，經提溫后向外輸送45 ℃/35 ℃低溫熱水，配合空氣加熱機組可用于井筒防凍，亦可用于建筑物室內空調采暖系統或散熱器系統(由于水溫較低，效果略差)。為降低冷凝水過多和除霜工作量，提取熱量后的回風溫度控制在2 ℃，特殊情況下可降低至0 ℃。

本項技術實施的前提條件：礦井回風溫度不小于10 ℃、濕度不小于80%。回風井距離供熱地點不宜太遠，盡量控制在500 m以內。

優點：除耗電以外沒有別的能源消耗，無任何污染環境的廢棄物產生；可以實現全自動化運行，人力成本較低；

缺點：由于采用了直冷式乏風熱泵機組，耗電量較大，需要核實工業場地供電負荷；運行成本高；投資大。

1.3.2礦井乏風余熱利用(低溫熱管技術)

礦井乏風余熱利用低溫熱管技術，通過回收礦井回風低溫余熱加熱進風井進風解決井口防凍需求。該技術需在礦井出風口加裝屋頂式封閉結構，通過風道將回風整體引入低溫熱管裝置中，低溫熱管裝置類似空氣—空氣換熱器，通過該技術室外新風升至2 ℃以上、送入井下。

本項技術實施的前提條件：礦井回風量需要在進風量的1.5倍以上，才能滿足供熱要求；進風井封閉，只有進風功能。

優點：無任何污染物產生，沒有燃燒，沒有排煙，少許耗電，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料及廢物的場地；成本低；低溫熱管系統可做到真正意義上的無人值守，無需配備值班人員，僅需定期對低溫熱管換熱器翅片灰塵進行清洗(產生些許人工費)。

缺點：系統設施龐大，需要建立大口徑風管及較高的型鋼支架，占地面積較大；進、回風井不宜離得較遠，否則實施困難大。

1.4 其他余熱利用

1.4.1空壓機余熱利用

空壓機余熱回收是一種新型高效的余熱利用設備，靠吸收空壓機廢熱來把冷水加熱，沒有能源消耗，可用于熱水制備和建筑物采暖等。

本項技術實施的前提條件：工業場地建有空壓機房。

優點：系統安全可靠，改造工程量較小，無二次污染；能耗較少，僅有循環水泵耗電；系統簡單，只增加了換熱器和循環水泵，投資較低。

缺點：由于工業場地空壓機裝機容量限制，可提供的余熱量有限，無法單獨使用，僅可作為補充熱源。

1.4.2瓦斯發電余熱利用

工業場地若有瓦斯抽采泵站且運行穩定，在瓦斯濃度滿足瓦斯發電的情況下，采用瓦斯發電余熱進行供熱是最經濟合理的。瓦斯發電余熱主要是提取煙氣(約600 ℃)余熱和缸套水余熱，增設煙氣余熱鍋爐和缸套水板式換熱器及循環水泵等，供回水溫度可達到85 ℃/70 ℃，用于井筒防凍和建筑物采暖，亦可用于洗浴熱水制備。

本項技術實施的前提條件：工業場地瓦斯抽采泵站及瓦斯發電廠。

優點：系統技術成熟，安全可靠，改造工程量較小，無二次污染；僅有水泵用電，耗電量少，運行成本較低；供熱改造實施容易，投資較低。

1.5 超低環溫空氣源熱泵

空氣源熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源空氣流向高位熱源的節能裝置。它是熱泵的一種形式，可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱量)轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能(如煤、燃氣、油、電能等)的目的。螺桿式超低環溫空氣源熱泵機組在空氣源熱泵基礎上進行了改進，能夠低環境溫度下運行，比傳統的空氣源熱泵能效比高。

優點：制熱過程只耗電，無二次污染；系統可24 h運行，不受外界環境影響；用于夏季洗浴熱水制備使用效果良好；

缺點：寒冷地區和嚴寒地區冬季使用效果差，環境溫度越低能效比越低，由此造成除霜用電量增加較大，選型時需增加設備數量。在環境溫度-17 ℃時，能效比僅為1.7左右。

1.6 瓦斯蓄熱氧化供熱

瓦斯蓄熱氧化技術原理為：利用瓦斯泵站排放的低濃度瓦斯作為燃料，采用低濃度瓦斯蓄熱氧化裝置將甲烷氧化，產生高溫煙氣，可加熱空氣用于井筒防凍替代熱風爐，或輸送至余熱鍋爐產生高溫蒸汽(或熱水)進行供熱。

本項技術實施的前提條件是工業場地需建有瓦斯抽采泵站且運行穩定，瓦斯濃度應大于1.2%。

優點：系統用電量少；可充分利用小于30%的低濃度瓦斯，變廢為寶，減少瓦斯排放造成的環境污染。利用原本排放的低濃度瓦斯，無燃料費用，運行費用低；

缺點：初期投資較高；存在安全隱患，系統運行中各項保護措施須嚴密，否則可能由于吹掃不徹底等原因引起爆炸；設施占地面積大。

2 工程實例

根據上述考察成果以及各礦的特點，因地制宜，充分利用周邊的資源，考慮投資規模、運行成本等因素，有針對性的采取單一方案或多方案共同供暖。目前集團公司對11個礦的鍋爐進行了改造，其中4個礦采取多方案供暖。工程總數28項，其中乏風余熱利用11項，占總數的39%，是采用最多的技術路線。

例如：盂縣興峪礦總共分了三區域，總供熱需求為12 010.93 kW。興峪煤業現場鍋爐房西側約200 m處建有一座瓦斯發電廠，瓦斯電廠余熱利用技術為首選技術。同時考慮運行費用、技術的穩定性問題，對瓦斯電廠余熱利用+瓦斯蓄熱氧化、瓦斯電廠余熱利用+回風源熱泵技術進行了比對，兩個方案的投資費用相當，瓦斯電廠余熱利用+瓦斯蓄熱氧化運行費用低，可產生高品位的熱源，但要求瓦斯純量達到6.8 m3/min,通過查看今年的瓦斯抽采數據，瓦斯純量為5.7 m3/min～7.2 m3/min，該方案還是存在不穩定性，故最終選定工業場地供暖方式采用瓦斯電廠余熱利用+15號煤進風立井供熱采用回風源熱泵+生活區供暖采用空氣源熱泵技術的組合供熱形式，保證礦上的井口防凍，建筑物采暖，洗浴的供熱問題。

3 結語

在建設規模和建設地區及地點確定后，具體的工程技術方案確定，在很大程度上影響著工程建設成本以及建成后運營成本。技術方案的選擇直接影響項目的工程造價，因此，我們在對技術方案選擇上應該從技術的先進程度、可靠程度和技術對產品質量性能的保證程度、技術對原材料的適應性、工藝流程的合理性、自動化控制水平、估算本國各種工藝方案的成本、成本耗費水平、對環境的影響程度等技術經濟指標進行認真評價，最終選擇出先進適用、安全可靠、經濟合理的技術方案，滿足業主需求。