淺談孔莊煤礦燃煤鍋爐的清潔能源改造及應用

魏翠翠

上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦 江蘇徐州 221600

目前，國內還留存著較多的小型燃煤鍋爐，而小型燃煤鍋爐環境污染和碳排放問題急需解決。在不具備市政供暖的中小企業中，采用燃煤鍋爐供暖供熱供汽是最常用的方式，而燃煤鍋爐的清潔能源改造為此提供了一種可行之路。因此，在“2030年碳達峰、2060年碳中和”時代背景下，小型燃煤鍋爐的清潔能源改造具有及其廣泛的應用前景。

1 孔莊煤礦燃煤鍋爐改造的背景和意義

孔莊煤礦位于徐州市沛縣境內，隸屬于大屯煤電（集團）有限責任公司，占地約57萬平方米，始建于1973年10月，1977年7月1日正式投產，設計年產量60萬噸，1985年達產。礦井于1988年開始二期工程改擴建，1992年竣工投產，地面配套建成了年入洗能力為105萬噸的坑口選煤廠。2020年原煤產量144萬噸，現有職工4200多人，資產總量3.1億元。

黨的十八屆五中全會提出了全面建成小康社會的新目標，提出“創新、協調、綠色、開放、共享”五大新發展理念。“十三五”期間，我國能源發展和改革的戰略導向主要集中在能源消費總量控制、煤炭清潔高效利用、大力發展清潔能源和能源體制改革[1]。

2 孔莊煤礦供熱系統

2.1 供熱負荷情況

孔莊煤礦地處采暖區，礦區內的建筑主要包括工人新村、職工宿舍、辦公樓、洗衣房、選煤廠、食堂、浴室、坑口等功能性用房。燃煤鍋爐的供熱用戶根據用熱性質可以分為兩種類型，分別為蒸汽和熱水兩種類型。蒸汽需求主要包括井筒保溫、坑口采暖的生產用汽；浴室、食堂、辦公樓、洗衣房等場所的生活用汽。采暖熱水需求主要為：工房職工室內建筑采暖，礦內辦公室內建筑采暖。具體各用熱負荷參數見表1。

表1 孔莊煤礦用熱負荷參數表

2.2 熱源供應現狀

本項目實施單位孔莊煤礦共有五臺10噸燃煤鍋爐，其中三臺蒸汽鍋爐，兩臺熱水鍋爐，具體鍋爐參數見表2。

表2 孔莊煤礦燃煤鍋爐設備參數表

供熱工程作為基礎配套的重要組成部分，對礦區生產、生活起到重要的輔助作用。隨著國家對燃煤鍋爐環保要求提高以及煤炭削減目標的規劃，現狀鍋爐已經無法滿足要求，為保證礦區內正常的用汽、用熱水需求，同時增加設備的效率、降低管網的輸送熱損失，對礦區鍋爐房進行清潔替代改造，鍋爐房清潔替代既滿足近期的供暖要求，又充分兼顧礦區未來發展的需要。鍋爐房改造后，能夠解決礦區的采暖需求，提高居民生活水平，減少煤炭資源消耗、提高設備效率，降低熱損失，環保和社會效益明顯[2]。

2.3 燃煤鍋爐改造的必要性

（1）現狀燃煤鍋爐為10t/h鏈條爐，熱效率低下，脫硫除塵等環保設施落后，采用麻石水膜脫硫除塵，未設置脫硝設施，已經被沛縣環保局列入2017年必須改造關停的名單；

（2）孔莊礦距離城市集中供熱管網約5km，現狀為自備燃煤鍋爐房供熱。礦區供熱管道根據功能需求，分為蒸汽管網和熱水管網，蒸汽管網主要滿足礦區坑口采暖、洗浴、餐廳蒸煮和辦公樓采暖/制冷等用汽點的用汽需求，熱水管網主要滿足生活區的居民采暖需求。礦區供熱管網普遍存在老舊、熱損嚴重，管網布局不合理等缺陷。隨著礦區的建設，鍋爐將出力不足。現狀熱源已無法滿足用戶的需求，。

（3）礦區內存在用汽、用熱水需求，坑口、礦工洗浴、職工居住區、辦公樓等建筑冬季均有用熱需求，一旦現有鍋爐房拆除后，用汽、用熱水將無法保證，迫切需要進行相應的替代改造。

3 燃煤鍋爐的改造

3.1 燃煤鍋爐改天然氣鍋爐

3.1.1 燃氣鍋爐的類型

（1）燃氣蒸汽鍋爐工藝。燃氣蒸汽鍋爐是用天然氣、液化氣、城市煤氣等氣體燃料作燃料，在爐內燃燒放出來的熱量，加熱鍋內給水，并使其汽化成蒸汽的熱能轉換設備[1]。水在鍋（鍋筒）中不斷被爐里氣體燃料燃燒釋放出來的能量加熱，溫度升高并產生帶壓蒸汽，由于水的沸點隨壓力的升高而升高，鍋是密封的，水蒸氣在里面的膨脹受到限制而產生壓力形成熱動力（嚴格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的）作為一種能源廣泛使用[3]。

（2）燃氣熱水鍋爐工藝。燃氣熱水鍋爐是用天然氣、液化氣、城市煤氣等氣體燃料作燃料，在爐內燃燒放出來的熱量，加熱鍋內的水，最高溫度只達到85攝氏度。水在鍋（鍋筒）中不斷被爐里氣體燃料燃燒釋放出來的能量加熱，溫度升高，鍋爐內被加熱的爐水被循環泵不斷的循環后加熱，低溫度的水進入鍋筒，高溫水循環出鍋筒，直至設定溫度。

3.1.2 燃煤鍋爐改為天然氣鍋爐的可行性分析

燃煤鍋爐改為天然氣鍋爐時，可保留現狀所有的供熱管網，只對鍋爐房進行改造。按照用熱、用汽量設計選型設備機組，燃煤鍋爐全部改為燃氣鍋爐。對現有的工藝蒸汽負荷進行整合，主要滿足浴室、坑口、礦內暖氣的汽水換熱、中央空調，去掉食堂、洗衣房的蒸汽使用，改為電炊具、電烘干機。設備投入明細見表3。

表3 設備投入明細

3.2 采用市政集中供熱

3.2.1 市政集中供熱概述

由市政供熱管路沿道路敷設直接引入礦區，通過現狀熱水供熱管網分散至各用戶側，取消工業廣場采暖汽-水換熱器。采用市政集中供熱方案后，需要新增供熱管道，且施工涉及道路施工等事項。

3.2.2 市政集中供熱特點

（1）充分采用城市集中供熱，發揮了集中供熱在節能、環保、運行各方面的優勢。能替代眾多分散的小鍋爐，有效的減少了煙塵、氧化硫、氧氮化合物的排放量，減輕大氣污染，改善城市環境衛生。無易燃易爆，無有毒成分室內無污染，無異味，無噪音。

（2）采用集中供熱系統簡單，只需對換熱站稍微改造即可，但周期長，施工不方便，存在與用電、用天然氣、規劃局、交通局、電信等主管部門的溝通交涉，施工中要開挖主要市區公路，難度大。

（3）只能解決礦內供暖，無法解決礦內生活用汽問題，職工無法洗澡，中央空調無法開機，坑口無法供暖等問題。需要額外增加投入供汽設備配合，才能即解決供暖和供汽的雙重問題[4]。

（4）集中供熱管路建成之后，運行費用低，運行管理方便，省去礦內熱水鍋爐的運行及投入，且供熱效果能夠保證。

4 方案分析

（1）小型燃煤鍋爐尤其是10噸以下的燃煤鍋爐，熱效率低、污染物排放不滿足國家標準，不具備鍋爐本體的超低排放改造條件，在燃煤鍋爐本體上進行改造意義不大。

（2）燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐，降低了職工勞動強度，改善了生產環境：提高了鍋爐煙氣排放標準，環保性能較好。

（3）采用集中供熱建造費用價格高昂，涉及到市政統一規劃建設，難以統一施工，周期較長，且市政集中供熱，不能解決礦內蒸汽用汽、職工浴室等問題。

（4）燃煤鍋爐改造燃氣鍋爐也存在一定的缺點，比如天然氣使用量較大，氣源供應不穩定，且天然氣易燃易爆，有毒，在使用過程中要特殊防護。

5 方案實施及應用

5.1 方案實施

根據孔莊煤礦現狀綜合考慮，最終方案定為天然氣鍋爐替代方案。三期建設一棟新鍋爐房安裝兩臺4t鍋爐，配套了水處理設備，供水供氣管路，老鍋爐原址安裝一臺10t燃氣蒸汽鍋爐、一臺7WM燃氣熱水鍋爐。

5.1.1 燃氣鍋爐選型見表4

表4 燃氣鍋爐選型

5.1.2 結構形式與總體布置

燃氣蒸汽鍋爐為臥式內燃三回程濕背式火管快裝鍋爐，尾部設置省煤器、冷凝器以降低排煙溫度。鍋爐本體主要有鍋筒、波紋爐膽、回燃室、二組煙管、檢查孔圈、前后煙箱和防爆門等組成，爐膽、回燃室、煙管、檢查孔圈均安裝在鍋殼內，并完全浸沒在爐水中。

煙氣流程：爐膽→回燃室→第一組煙管→前煙箱→第二組煙管→后煙箱→省煤器→冷凝器→煙囪，煙氣呈S形流動。

5.2 項目應用后的優缺點

鍋爐投入使用后，運行平穩，無故障。特別是啟、停爐操作，實現了智能化。

（1）鍋爐實現全自動智能化運行，操作簡單，減少人員配置，節約了人力運行成本。

（2）鍋爐運行噪聲低，排放的煙氣黑度≤1級（林格曼），NOX排放濃度≤30mg/Nm3，顆粒物≤5mg/m3，二氧化硫：≤10mg/m3，遠低于環保要求。

（3）維修方便，每年節約維修費用近100萬元。

（4）供暖季節可根據天氣氣溫及用戶需求隨時調節蒸汽量，節約燃氣消耗量。

（5）對水處理系統要求高，需保證給水符合規定，防止鍋爐受熱面結垢。

6 結語

通過以上分析，煤礦燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐是可行的，能夠滿足礦井的供熱、供汽需求，解決生產、生活用汽。相對于燃煤鍋爐雖然生產成本有一定上升，但是解決燃煤鍋爐污染環境的問題，降低了職工勞動強度和生產環境。同時燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐符合國家節能環保政策的要求，實現清潔能源的替代，項目實施后，每年節約標煤626噸，減少向環境排放煙塵0.33噸、二氧化硫0.88噸、氮氧化物8.44噸、煤渣（粉煤灰）165.76噸，減少煙塵排放量和S02排放量和灰塵排放量，廢水基本實現零排放，灰渣、噪聲均得到了有效治理，為保護環境作出了積極的貢獻，項目實施后累每年可節約標準煤為7461噸標準煤。具有較高的推廣和應用意義。