煤礦自備電廠余溫余熱利用探討

田忠文

(山東滕州盛源熱電有限責(zé)任公司，山東 滕州 277519)

我國煤炭主產(chǎn)區(qū)主要集中在北方。近年來煤炭企業(yè)為滿足本單位生產(chǎn)用電、用汽等能耗需求，建設(shè)了一批以煤矸石、煤泥為主的熱電聯(lián)產(chǎn)資源綜合利用自備電廠。在工礦和居民生活區(qū)集中的地區(qū)，這些燃煤自備電廠可以充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)發(fā)電自用，多余上網(wǎng)，集中供熱。截止2017年底，全國燃煤自備電廠裝機(jī)容量為1.4億kW左右，占電力總裝機(jī)比重達(dá)7.9%，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮了積極的推動作用。近期，國家發(fā)改委辦公廳下發(fā)了《燃煤自備電廠規(guī)范建設(shè)和運(yùn)行專項(xiàng)治理方案(征求意見稿)》，對全國燃煤自備電廠的建設(shè)和運(yùn)行提出了整治意見，到2020年我國所有具備改造條件的燃煤自備機(jī)組要力爭實(shí)現(xiàn)超低排放；加快淘汰落后燃煤自備機(jī)組，使符合條件的在役燃煤自備電廠成為合規(guī)市場主體。為滿足國家對自備電廠環(huán)保和能耗控制等方面的政策要求，解決礦區(qū)廢棄物利用、供暖與環(huán)保節(jié)能等政策之間的矛盾，有必要充分利用現(xiàn)有的資源綜合利用電廠資源，挖掘電廠自身潛力，通過實(shí)施熱電改造、余熱回收利用、擴(kuò)大供熱范圍等方式，提高煤礦自備電廠的可持續(xù)發(fā)展能力。

1 電廠基本情況及問題

1.1 自備電廠情況

柴里電廠是棗莊礦業(yè)集團(tuán)公司柴里煤礦權(quán)屬下的綜合利用自備電廠。柴里煤礦年生產(chǎn)能力240萬t，配套一座同規(guī)模的選煤廠，年排放低熱值洗煤矸石45萬t、煤泥10萬t。以綜合利用項(xiàng)目建設(shè)的柴里電廠自1989年建廠以來，經(jīng)歷5期改擴(kuò)建，形成了如今四爐三機(jī)規(guī)模，包括2臺130 t/h濟(jì)南鍋爐廠制造的煤泥摻燒循環(huán)流化床鍋爐，2臺75 t/h江西鍋爐廠制造的差速床鍋爐，以及配套25 MW、12 MW、6 MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組各1臺。3臺機(jī)組所發(fā)電量自發(fā)自用，多余上網(wǎng)。電廠同時(shí)承擔(dān)盛隆焦化和宏達(dá)化工兩家化工廠的工業(yè)用汽、職工洗浴用熱、冬季工業(yè)廣場區(qū)、生活社區(qū)取暖等負(fù)荷，采暖期正常熱負(fù)荷237 t/h，非采暖期正常熱負(fù)荷203 t/h。

1.2 存在的問題

柴里電廠系統(tǒng)管網(wǎng)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)難度大；由于管網(wǎng)分散，整體熱效率相對偏低。主要存在如下影響熱效率的因素或問題：

(1)除鹽水除氧器需定期排污排汽帶來較大的排放熱損失；

(2)爐渣直排進(jìn)渣車外運(yùn)，熱損失大，且污染廠區(qū)環(huán)境；

(3)空氣冷卻空壓機(jī)機(jī)械熱損失較大，設(shè)備事故率高，影響安全生產(chǎn)；

(4)排煙熱損失較大，空氣預(yù)熱器環(huán)境溫度較低時(shí)存在低溫腐蝕；

(5)抽凝式汽輪機(jī)組循環(huán)冷卻水帶走大量熱量。

在當(dāng)前煤炭價(jià)格持續(xù)高位運(yùn)行、環(huán)保要求不斷提升的情況下，自備電廠運(yùn)維成本居高不下，企業(yè)生存壓力巨大。為了推動煤礦自備電廠更好的發(fā)展，必須積極擴(kuò)大外部供熱能力，加大內(nèi)部挖潛，通過采取余溫余熱回收利用、系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化升級等措施，提高整體熱效率。當(dāng)前新農(nóng)村改造集居建立起來的生活區(qū)，對集中供暖有較大需求，也給資源綜合利用電廠解決生存發(fā)展問題帶來了機(jī)遇。

2 改造實(shí)施方案

2.1 余熱回收方案設(shè)計(jì)

通過分析影響柴里自備電廠熱效率的因素，設(shè)計(jì)余熱回收的初步方案如下：

(1)常規(guī)的冷渣機(jī)通過換熱回收余熱；

(2)水冷空壓機(jī)加熱除鹽水冷卻水回收利用余熱；

(3)除氧器排汽回收利用；

(4)尾部煙氣通過換熱余溫收集應(yīng)用；

(5)對冷凝式機(jī)組小機(jī)組進(jìn)行簡易改造，實(shí)現(xiàn)低真空循環(huán)水為工業(yè)廣場及居民集居區(qū)供暖。

2.2 常規(guī)冷渣機(jī)回收余熱

柴里自備電廠改造前，鍋爐放渣直排送至渣場冷卻利用，存在揚(yáng)塵大、熱量得不到回收利用、運(yùn)送難度大和成本高等問題。運(yùn)用冷渣機(jī)后較好地解決了這一問題。冷渣機(jī)輸送爐渣，其實(shí)是一種低壓轉(zhuǎn)動的換熱器。我國近年來CFB機(jī)組的建設(shè)運(yùn)行實(shí)踐推動了冷渣機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前，冷渣機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于CFB機(jī)組，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速運(yùn)行、連續(xù)均勻放渣，對于穩(wěn)定爐壓和鍋爐運(yùn)行參數(shù)，通過水、風(fēng)等介質(zhì)回收利用熱量，提高鍋爐熱效率具有重要作用。

2.3 水冷空壓機(jī)加熱除鹽冷卻水回收余熱

柴里自備電廠改造前，因脫硫粉劑和爐煙灰的輸送用壓風(fēng)量較大，空壓機(jī)無法持續(xù)穩(wěn)定供風(fēng)，制約了鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，且空氣冷卻式空壓機(jī)主機(jī)故障率高，常出現(xiàn)散熱不良和冷卻系統(tǒng)循環(huán)不良狀況，導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)、油濾堵塞、散熱管堵塞，影響了輸灰脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在國家設(shè)備升級“一提雙優(yōu)”政策的扶持下，柴里自備電廠采用2臺60 m3/min水冷式空壓機(jī)對原有空冷式空壓機(jī)進(jìn)行了淘汰更新，以鍋爐化學(xué)除鹽水作為冷卻介質(zhì)，把設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為給水加熱直接進(jìn)入除氧器，節(jié)約了低壓加熱器給水加熱所使用的蒸汽用量，提高了機(jī)組的熱效率。

2.4 除氧器排汽回收利用改造

柴里自備電廠3臺機(jī)組除氧器頂部均設(shè)有排汽管，機(jī)組可利用排汽管上設(shè)置的排汽閥來調(diào)整排汽的大小，及時(shí)將給水中離析出的氣體排出殼體，以此來保證穩(wěn)定的除氧效果。這一做法會帶來一定的工質(zhì)和熱損失。為了回收這部分熱量，通過改造安裝了除氧器排汽回收管道，利用該部分排汽壓力偏低的特性，使除氧器排汽直接進(jìn)入疏水箱，加熱鍋爐補(bǔ)水。同時(shí)，將定排擴(kuò)容器排汽也接入疏水箱。通過改造進(jìn)一步提高了機(jī)組熱效率。

2.5 尾部煙氣余溫收集應(yīng)用改造

柴里自備電廠的4臺循環(huán)流化床鍋爐尾部進(jìn)入煙囪前的煙溫高達(dá)150 ℃。改造前，這部分鍋爐高溫?zé)煔庵苯油ㄟ^煙囪排入大氣，熱損失巨大。考慮到鍋爐一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫度設(shè)計(jì)值不小于20 ℃，在冬季氣溫較低時(shí)，要采用空氣預(yù)熱器對其進(jìn)行加熱，由于換熱量過大，造成空氣預(yù)熱器處煙溫偏低，導(dǎo)致空氣預(yù)熱管道發(fā)生低溫硫腐蝕。為解決這一問題，考慮在引風(fēng)機(jī)出口煙道處開孔，引一路煙氣管，搭接在一次風(fēng)機(jī)消音器進(jìn)風(fēng)口處，使高溫?zé)煔馀c常溫空氣混合后，再通過空氣預(yù)熱器加熱，最后進(jìn)入爐膛。

2.6 冷凝式小機(jī)組簡易改造

一般居民采暖供熱的熱負(fù)荷密度不小于83.60×106kJ/(km2·h)，供采暖的熱水網(wǎng)長度一般不超過10 km。柴里自備電廠距西崗鎮(zhèn)居民集居區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)不超過6 km，因此可將電廠6 MW抽凝汽式老機(jī)組進(jìn)行簡易改造，實(shí)現(xiàn)低真空循環(huán)水供熱。凝汽式汽輪機(jī)低真空循環(huán)水供暖方式是通過降低凝汽器的真空，提高汽輪機(jī)的排汽溫度，適當(dāng)提高汽輪機(jī)的排汽壓力，用循環(huán)冷卻水直接為用戶供熱。此方式可以有效利用汽輪機(jī)排出乏汽的熱能供熱，減少汽輪機(jī)凝汽器中的冷源損失，實(shí)現(xiàn)對能源的梯級利用，具有顯著的節(jié)能和環(huán)保效益。將凝汽器的循環(huán)冷卻水直接作為采暖用水為用戶供熱這一節(jié)能技術(shù)，充分利用了汽輪機(jī)的排汽余熱，為提高小型熱電企業(yè)的綜合能源利用效率和降低環(huán)境污染開辟了新路，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益和良好的推廣應(yīng)用前景。

柴里自備電廠6 MW抽凝機(jī)組進(jìn)汽壓力3.43 MPa，溫度435 ℃。改造后，將排汽溫度由41 ℃提高到80 ℃左右，凝汽壓力由0.008 MPa提高到0.021 MPa。按室內(nèi)采暖溫度國家標(biāo)準(zhǔn)18 ℃，室外溫度零下6 ℃，6 MW機(jī)組可供熱約32萬m2。

由于真空度降低，導(dǎo)致氣缸內(nèi)蒸汽流速急劇下降，蒸汽對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼作用發(fā)生了一定變化，為此需要對汽輪機(jī)本體進(jìn)行局部改造。改造方案如下：

(1)封堵汽輪機(jī)末級隔板噴嘴，這樣既可提高汽輪機(jī)內(nèi)效率又不損壞汽輪機(jī)本體，有利于恢復(fù)純凝汽工況運(yùn)行，適合于冬季低真空供暖、夏季恢復(fù)純凝汽工況的機(jī)組。

(2)拆除末級/次末級葉片，專供冬季供暖。

(3)凝汽式汽輪機(jī)低真空造成軸向推力增加，可通過改造汽封進(jìn)行解決；背壓提高，排汽溫升高，造成汽缸膨脹對動靜間隙的影響可忽略不計(jì)。

(4)為保證運(yùn)行安全，在凝汽器排汽口加裝除鹽水自動噴水降溫裝置，以降低低負(fù)荷時(shí)的排汽過溫度，同時(shí)對循環(huán)水采取有效的阻垢措施，防止管路結(jié)垢。

3 改造效果

3.1 冷渣機(jī)改造效果

冷渣機(jī)改造后，提升了爐渣活性，提高了爐渣綜合利用效率，杜絕了爐渣滯銷現(xiàn)象。本廠爐渣約占水泥熟料中主要原料的30%～40%；在粉煤灰磚的主要原料中約占60%～90%；在粉煤灰地磚主要原料中約占60%；在公路基層的墊層原料中100%可使用本廠爐渣。另外，從爐渣中還可提取釩、鈦等微量元素。冷渣機(jī)改造后能均勻連續(xù)放渣，鍋爐運(yùn)行更加平穩(wěn)，同時(shí)換熱加溫除鹽水提高了鍋爐熱效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 水冷空壓機(jī)改造效果

改造后，空壓機(jī)設(shè)備事故率降低了50%，年節(jié)約維修費(fèi)用15萬元；同時(shí)將除鹽水加溫25～30 ℃進(jìn)入疏水箱，節(jié)約了低壓加熱蒸汽；空壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行周期延長，確保了電廠鍋爐除塵、脫硫、輸灰各相關(guān)輔機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 除氧器排汽改造效果

除氧器和定排擴(kuò)容器排汽接入疏水箱加溫除鹽水，既回收了熱量，又節(jié)約了產(chǎn)水，年可創(chuàng)造效益53萬元。

3.4 煙氣余溫?fù)Q熱改造效果

通過改造，既回收利用了熱量，又對機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)引風(fēng)機(jī)出口煙道處形成負(fù)壓，有利于增加煙氣的排放壓頭；

(2)提高了進(jìn)入空氣預(yù)熱器的一次風(fēng)溫度，杜絕了預(yù)熱器管道腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；

(3)進(jìn)入爐膛內(nèi)風(fēng)溫有較大提高，有利于鍋爐的燃燒，減少了熱吸收比；

(4)提高了煙氣熱循環(huán)利用率，降低了高溫?zé)煔獾拇髿馀欧拧?/p>

3.5 小凝汽式汽輪機(jī)組改造效果

對低真空循環(huán)水供暖改造后，運(yùn)行供水溫度65 ℃，回水溫度55 ℃，循環(huán)水量1 200 t/h，采暖季可節(jié)約回收熱量85 GJ/h，折標(biāo)煤2 900 kg/h；一個(gè)采暖季按106 d計(jì)，年節(jié)約標(biāo)煤約7 000 t，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益相當(dāng)可觀。

4 結(jié) 語

煤炭企業(yè)綜合利用自備電廠要想生存發(fā)展，必須立足自身特點(diǎn)，積極挖掘機(jī)組能效潛力，通過余熱余溫利用創(chuàng)新改造等措施，提高整體熱效率，提高機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)效益。柴里自備電廠的改造實(shí)踐，對于具備條件的同類電廠而言，具有很好的借鑒意義，有助于進(jìn)一步提升煤礦自備電廠的發(fā)展能力，更好的促進(jìn)綜合利用自備電廠在煤矸石、煤泥等廢棄物綜合利用方面的積極作用。