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(yè)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(yè)公司河北唐山063000）

本文通過對煤礦礦井排水、瓦斯發(fā)電、空壓機散熱、井下排風(fēng)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(qū)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(wěn)定可靠，自動化程度高運行費用低，實現(xiàn)了煤礦企業(yè)產(chǎn)煤不用煤，環(huán)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(qū)域，工業(yè)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(shè)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(yè)來說也是一筆不小的負擔(dān)。

近年唐山市政府下大力量整治城市污染，建成區(qū)范圍內(nèi)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(huán)境要求極高的唐山市大南湖生態(tài)圈，與風(fēng)景區(qū)整體規(guī)劃景觀不協(xié)調(diào)。因此淘汰燃煤鍋爐，使用清潔能源解決廠區(qū)供暖及職工洗浴問題，是政府節(jié)能減排和企業(yè)降本提效的雙重需要。

2　清潔能源和余熱資源利用技術(shù)及應(yīng)用

2.1清潔能源

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)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(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換速度快，系統(tǒng)簡單可靠，應(yīng)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(xiàn)狀、負荷特點以及制約因素影響，按照安全性、可靠性、經(jīng)濟性、投入產(chǎn)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(yè)用能設(shè)備在生產(chǎn)過程中排放的高溫廢氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢水污水余熱等低品位能源，通過余熱回收利用技術(shù)可為企業(yè)提供生產(chǎn)、生活用熱。煤礦企業(yè)的礦井排風(fēng)、井下排水、瓦斯發(fā)電、高耗能設(shè)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(qū)建筑供暖以及工業(yè)生活用熱水，實踐證明：余熱提取技術(shù)充分利用免費資源，熱源穩(wěn)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(xiàn)煤礦節(jié)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(qū)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(fā)電系統(tǒng)余熱

公司現(xiàn)有瓦斯發(fā)電站一座，共4臺額定功率為500kW的發(fā)電機組，根據(jù)礦井瓦斯排放情況開啟，最低保證1臺運行。發(fā)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(tǒng)發(fā)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(xiàn)有風(fēng)冷式空壓機4臺，可按需要更改為水冷式空壓機。根據(jù)空壓機的冷卻參數(shù)額定功率220kW，排風(fēng)扇風(fēng)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(xiàn)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(tǒng)單位吸熱體平均日產(chǎn)水量140kg/m2計算，利用建筑屋頂敷設(shè)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(fēng)余熱

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

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

潛熱：井口排風(fēng)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(fēng)利用熱泵總熱量=5394.84+3843=9237.84kW/h。

3.7天然氣

唐山礦風(fēng)井工業(yè)廣場北3km有市政天然氣主管道，通過與政府相關(guān)部門協(xié)調(diào)，可自籌資金或集資建設(shè)支線接入天然氣，可供唐山礦使用并惠及經(jīng)過地區(qū)的企業(yè)及小區(qū)居民。

4　工業(yè)廣場熱負荷計算

4.1礦井冬季保溫?zé)嶝摵?/p>

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(fēng)量，350m3/s；—為2℃，相應(yīng)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(shù)。

冬季井口供暖考慮15%的散熱系數(shù)，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(shù)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(lián)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(fēng)井工業(yè)廣場經(jīng)統(tǒng)計需采暖供熱工業(yè)及公共建筑面積約為4.55×104m2。根據(jù)唐山礦廠區(qū)實際現(xiàn)狀，按綜合建筑面積熱指標(biāo)取100 W/m2，因此廠區(qū)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(biāo)，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(jù)唐山市氣象條件、建筑物用途（室內(nèi)溫度16℃～18℃）、建筑維護結(jié)構(gòu)和以往運行情況，確定建筑面積平均熱指標(biāo)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(shù)改造方案

工藝技術(shù)方案確定原則是在可靠穩(wěn)定的前提下，結(jié)合唐山礦實際、富余電負荷、可用場地和配套設(shè)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(yōu)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(fā)電余熱穩(wěn)定可靠、安全經(jīng)濟，系統(tǒng)相對簡單便于管理；礦井排風(fēng)和太陽能前期投入較高，受風(fēng)阻和天氣等因素影響較多。反復(fù)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(fā)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(tǒng)的穩(wěn)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(shù)路線

（1）礦井水余熱利用區(qū)域建設(shè)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(shè)施；（2）瓦斯發(fā)電余熱區(qū)域?qū)υ邪l(fā)電機組油冷器、排煙換熱器及配套設(shè)施進行更新，提高換熱效率；（3）空壓機余熱區(qū)域在保證設(shè)備正常運行的前提下，將2臺220kW風(fēng)冷空壓機改為水冷系統(tǒng)，最大限度提取熱量；（4）洗浴排水余熱區(qū)域機房安裝專用排水過濾器1臺、排水換熱器2臺、循環(huán)用水泵4臺，用于提取洗浴廢水中的熱量；（5）低谷電加熱區(qū)域，安裝500kW低谷電蓄熱器1套，800kVA變壓器及相關(guān)配套設(shè)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(nèi)安裝換熱器3臺，循環(huán)用水泵9臺，滿足供熱系統(tǒng)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(wěn)定提供＞42°洗浴熱水1000t以上，運行穩(wěn)定且使用效果良好。與燃煤鍋爐相比,余熱利用區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動控制無人值守,整體供熱系統(tǒng)運行費用顯著降低。

6.1節(jié)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(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤8562t。

6.2環(huán)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(jié)能減排效果十分明顯。

6.3經(jīng)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(jié)省運行費用近114萬元。

7　結(jié)語

在環(huán)保意識增強、能源日趨匱乏的今天，節(jié)約能源、保護環(huán)境已成為耗能企業(yè)義不容辭的任務(wù)。充分挖掘和開發(fā)企業(yè)內(nèi)部的余熱資源，合理利用清潔能源，在降低企業(yè)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(huán)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(xiàn)了煤礦企業(yè)產(chǎn)煤不用煤，不僅具有可觀的環(huán)保及經(jīng)濟效益，社會效益顯著，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

王力力（1967—），女，河北唐山人，中國礦業(yè)大學(xué)選礦工程專業(yè)畢業(yè)，開灤集團唐山礦業(yè)公司經(jīng)管部。