燃煤鍋爐房清潔能源改造技術(shù)現(xiàn)狀及方案比選

鄭銳國 郭 園 王業(yè)飛

(山西陽煤九洲節(jié)能環(huán)保科技有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

我國的基礎(chǔ)能源以煤炭為主，陽泉市是中國最大的無煙煤產(chǎn)地。由于資源優(yōu)勢，陽煤集團(tuán)礦井、地面建筑物采暖等供熱多數(shù)為燃煤鍋爐，隨著國家環(huán)保力度的加大，2016年，2017年，集團(tuán)公司對下屬燃煤鍋爐進(jìn)行了脫硫、脫硝、除塵改造滿足當(dāng)時煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。2018年，山西省環(huán)保形式更加嚴(yán)峻，取締關(guān)閉燃煤鍋爐的同時，質(zhì)監(jiān)部門注銷承壓鍋爐使用登記證。集團(tuán)公司為了解決鍋爐煙氣污染物的治理問題，對燃煤鍋爐進(jìn)行清潔能源改造，并將方案制定、設(shè)備采購、工程管理統(tǒng)一組織管理，以達(dá)到資源最優(yōu)配置。

1 清潔能源供熱技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)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(jié)各工藝的技術(shù)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(yōu)點：系統(tǒng)簡單，改造方便，可充分利用現(xiàn)有鍋爐房現(xiàn)有輔助設(shè)施，純用電，無二次污染。

缺點：用電量較大，運(yùn)行成本較高，若工業(yè)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(jī)組

量子能供熱機(jī)組供熱原理：合理有效地吸收量子液在激活狀態(tài)下的量子能量及運(yùn)行速度，不斷使量子液激活而發(fā)生量變，量子液不斷在激活狀態(tài)下倍增釋放能量，在加熱過程中不斷改變分子結(jié)構(gòu)及運(yùn)行速度，不斷改變運(yùn)行方向，不斷產(chǎn)生摩擦，真正做到低能耗高能量轉(zhuǎn)換之功效，從而獲取大量的高溫?zé)崴＜词乖谕ｋ姞顟B(tài)30 min內(nèi)也可升溫，使之有低能耗高轉(zhuǎn)換能量之奇效。不受環(huán)境溫度影響，溫度可調(diào)范圍為90 ℃。

優(yōu)點：節(jié)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(tǒng)簡單，可分片實施。全自動控制，可實現(xiàn)無人值守。工業(yè)場地供熱改造，可充分利用建筑物現(xiàn)有室內(nèi)散熱器采暖系統(tǒng)及室外管網(wǎng)，降低改造投資。

缺點：與乏風(fēng)余熱利用(熱泵技術(shù)或熱管技術(shù))及空壓機(jī)余熱等相比較，用電量大，運(yùn)行費(fèi)用高。

1.1.3空電能雙核供熱機(jī)組

空電能機(jī)組是在NWS量子能供熱機(jī)組基礎(chǔ)上增加了空氣能機(jī)組(即空氣源熱泵)共同進(jìn)行供熱，通過量子能和空氣能雙核運(yùn)行，自動切換，以較低能耗，獲取大量的高溫?zé)崴Ｔ诃h(huán)境溫度相對較低時空電能雙核供熱機(jī)組可加熱出高達(dá)70 ℃的熱水，并且預(yù)熱運(yùn)行時間段，熱水速度快，8 min～15 min即可提供熱水。

優(yōu)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(huán)境下都可以正常運(yùn)行；運(yùn)行成本低，可節(jié)省70%的能源，與燃?xì)狻㈦姾碗娸o熱加熱的太陽能熱水器相比，全年費(fèi)用最低，是燃?xì)鉄崴鞯?/3左右，電熱水器的1/4左右。

1.1.4遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐

遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐技術(shù)是利用電能通過遠(yuǎn)紅外電熱管自動將空氣加熱到一定溫度，用風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)送到井口。

優(yōu)點：系統(tǒng)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(yùn)行成本高；設(shè)備無法達(dá)到防爆要求，需要安裝于井口房20 m以外遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐技術(shù)僅適用于井筒防凍。

1.2 燃?xì)忮仩t(或熱風(fēng)爐)

1.2.1燃?xì)忮仩t(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(huán)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(yīng)，從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。現(xiàn)有的天然氣燃?xì)忮仩t燃燒技術(shù)可以達(dá)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(yè)場地來說，將原有燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t，工程實施便捷，可充分利用鍋爐房現(xiàn)有輔助設(shè)施。

本項技術(shù)實施的前提條件：工業(yè)場地附近有天然氣資源。

優(yōu)點：系統(tǒng)技術(shù)成熟，安全可靠，改造工程量較小，無二次污染，能夠滿足現(xiàn)行環(huán)保要求；僅有水泵、風(fēng)機(jī)等用電設(shè)施，耗電量少；工業(yè)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(yùn)行成本較高。若工業(yè)場地附近無管道天然氣，采用CNG或LNG的話，運(yùn)行費(fèi)用將更高。

1.2.2燃?xì)忮仩t(礦井瓦斯氣)

若礦井瓦斯氣濃度在30%以上，且有瓦斯利用設(shè)施，可以優(yōu)先采用瓦斯氣燃?xì)忮仩t。目前瓦斯氣燃?xì)忮仩t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(shù)實施的前提條件：工業(yè)場地附近有瓦斯利用設(shè)施，瓦斯?jié)舛?0%以上。

優(yōu)點：系統(tǒng)技術(shù)成熟，安全可靠，改造工程量較小；運(yùn)行費(fèi)用低；工業(yè)場地供熱改造實施容易，投資較低。

缺點：瓦斯氣燃?xì)忮仩t暫無氮氧化物排放小于30 mg/m3的實例，無法滿足環(huán)保要求。

1.3 礦井乏風(fēng)余熱利用

1.3.1礦井乏風(fēng)余熱利用(熱泵技術(shù))

礦井乏風(fēng)余熱利用技術(shù)是利用低溫余熱熱泵提取礦井乏風(fēng)熱量，用于井筒防凍或建筑物采暖。在通風(fēng)機(jī)出口新建乏風(fēng)取熱室，安裝乏風(fēng)取熱器，提取的熱量通過介質(zhì)(防凍液)輸送至直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組，經(jīng)提溫后向外輸送45 ℃/35 ℃低溫?zé)崴浜峡諝饧訜釞C(jī)組可用于井筒防凍，亦可用于建筑物室內(nèi)空調(diào)采暖系統(tǒng)或散熱器系統(tǒng)(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(fēng)溫度控制在2 ℃，特殊情況下可降低至0 ℃。

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

優(yōu)點：除耗電以外沒有別的能源消耗，無任何污染環(huán)境的廢棄物產(chǎn)生；可以實現(xiàn)全自動化運(yùn)行，人力成本較低；

缺點：由于采用了直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組，耗電量較大，需要核實工業(yè)場地供電負(fù)荷；運(yùn)行成本高；投資大。

1.3.2礦井乏風(fēng)余熱利用(低溫?zé)峁芗夹g(shù))

礦井乏風(fēng)余熱利用低溫?zé)峁芗夹g(shù)，通過回收礦井回風(fēng)低溫余熱加熱進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)解決井口防凍需求。該技術(shù)需在礦井出風(fēng)口加裝屋頂式封閉結(jié)構(gòu)，通過風(fēng)道將回風(fēng)整體引入低溫?zé)峁苎b置中，低溫?zé)峁苎b置類似空氣—空氣換熱器，通過該技術(shù)室外新風(fēng)升至2 ℃以上、送入井下。

本項技術(shù)實施的前提條件：礦井回風(fēng)量需要在進(jìn)風(fēng)量的1.5倍以上，才能滿足供熱要求；進(jìn)風(fēng)井封閉，只有進(jìn)風(fēng)功能。

優(yōu)點：無任何污染物產(chǎn)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?zé)峁芟到y(tǒng)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?zé)峁軗Q熱器翅片灰塵進(jìn)行清洗(產(chǎn)生些許人工費(fèi))。

缺點：系統(tǒng)設(shè)施龐大，需要建立大口徑風(fēng)管及較高的型鋼支架，占地面積較大；進(jìn)、回風(fēng)井不宜離得較遠(yuǎn)，否則實施困難大。

1.4 其他余熱利用

1.4.1空壓機(jī)余熱利用

空壓機(jī)余熱回收是一種新型高效的余熱利用設(shè)備，靠吸收空壓機(jī)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(shù)實施的前提條件：工業(yè)場地建有空壓機(jī)房。

優(yōu)點：系統(tǒng)安全可靠，改造工程量較小，無二次污染；能耗較少，僅有循環(huán)水泵耗電；系統(tǒng)簡單，只增加了換熱器和循環(huán)水泵，投資較低。

缺點：由于工業(yè)場地空壓機(jī)裝機(jī)容量限制，可提供的余熱量有限，無法單獨(dú)使用，僅可作為補(bǔ)充熱源。

1.4.2瓦斯發(fā)電余熱利用

工業(yè)場地若有瓦斯抽采泵站且運(yùn)行穩(wěn)定，在瓦斯?jié)舛葷M足瓦斯發(fā)電的情況下，采用瓦斯發(fā)電余熱進(jìn)行供熱是最經(jīng)濟(jì)合理的。瓦斯發(fā)電余熱主要是提取煙氣(約600 ℃)余熱和缸套水余熱，增設(shè)煙氣余熱鍋爐和缸套水板式換熱器及循環(huán)水泵等，供回水溫度可達(dá)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(shù)實施的前提條件：工業(yè)場地瓦斯抽采泵站及瓦斯發(fā)電廠。

優(yōu)點：系統(tǒng)技術(shù)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(yùn)行成本較低；供熱改造實施容易，投資較低。

1.5 超低環(huán)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(jié)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(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能(如煤、燃?xì)狻⒂汀㈦娔艿?的目的。螺桿式超低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組在空氣源熱泵基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，能夠低環(huán)境溫度下運(yùn)行，比傳統(tǒng)的空氣源熱泵能效比高。

優(yōu)點：制熱過程只耗電，無二次污染；系統(tǒng)可24 h運(yùn)行，不受外界環(huán)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(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)冬季使用效果差，環(huán)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(shè)備數(shù)量。在環(huán)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(shù)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(chǎn)生高溫?zé)煔猓杉訜峥諝庥糜诰卜纼鎏娲鸁犸L(fēng)爐，或輸送至余熱鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽(或熱水)進(jìn)行供熱。

本項技術(shù)實施的前提條件是工業(yè)場地需建有瓦斯抽采泵站且運(yùn)行穩(wěn)定，瓦斯?jié)舛葢?yīng)大于1.2%。

優(yōu)點：系統(tǒng)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(huán)境污染。利用原本排放的低濃度瓦斯，無燃料費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用低；

缺點：初期投資較高；存在安全隱患，系統(tǒng)運(yùn)行中各項保護(hù)措施須嚴(yán)密，否則可能由于吹掃不徹底等原因引起爆炸；設(shè)施占地面積大。

2 工程實例

根據(jù)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(guī)模、運(yùn)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(tuán)公司對11個礦的鍋爐進(jìn)行了改造，其中4個礦采取多方案供暖。工程總數(shù)28項，其中乏風(fēng)余熱利用11項，占總數(shù)的39%，是采用最多的技術(shù)路線。

例如：盂縣興峪礦總共分了三區(qū)域，總供熱需求為12 010.93 kW。興峪煤業(yè)現(xiàn)場鍋爐房西側(cè)約200 m處建有一座瓦斯發(fā)電廠，瓦斯電廠余熱利用技術(shù)為首選技術(shù)。同時考慮運(yùn)行費(fèi)用、技術(shù)的穩(wěn)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(fēng)源熱泵技術(shù)進(jìn)行了比對，兩個方案的投資費(fèi)用相當(dāng)，瓦斯電廠余熱利用+瓦斯蓄熱氧化運(yùn)行費(fèi)用低，可產(chǎn)生高品位的熱源，但要求瓦斯純量達(dá)到6.8 m3/min,通過查看今年的瓦斯抽采數(shù)據(jù)，瓦斯純量為5.7 m3/min～7.2 m3/min，該方案還是存在不穩(wěn)定性，故最終選定工業(yè)場地供暖方式采用瓦斯電廠余熱利用+15號煤進(jìn)風(fēng)立井供熱采用回風(fēng)源熱泵+生活區(qū)供暖采用空氣源熱泵技術(shù)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(jié)語

在建設(shè)規(guī)模和建設(shè)地區(qū)及地點確定后，具體的工程技術(shù)方案確定，在很大程度上影響著工程建設(shè)成本以及建成后運(yùn)營成本。技術(shù)方案的選擇直接影響項目的工程造價，因此，我們在對技術(shù)方案選擇上應(yīng)該從技術(shù)的先進(jìn)程度、可靠程度和技術(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量性能的保證程度、技術(shù)對原材料的適應(yīng)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(fèi)水平、對環(huán)境的影響程度等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行認(rèn)真評價，最終選擇出先進(jìn)適用、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案，滿足業(yè)主需求。