煤炭行業(yè)供熱節(jié)能改造技術(shù)路線分析

文_白延斌 蘇偉 霍海紅

1.中煤能源研究院有限責任公司 2.中煤西安設計工程有限責任公司 3.大唐新能電力設計有限公司

我國資源稟賦的特點是富煤、貧油、少氣，已探明的煤的儲量占世界煤炭儲量的13．3%，可采量位居世界第二，產(chǎn)量位居世界第一位。煤炭作為重要的戰(zhàn)略資源，一直存在著很高的經(jīng)濟價值。根據(jù)最新國家能源統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，目前我國證照齊全的礦井達到3373 處，開工建設1010 處，聯(lián)合運轉(zhuǎn)203 處，年產(chǎn)能量累計達40 億t。

煤炭大多用于發(fā)電，其余部分由煤化工等技術(shù)路線進行轉(zhuǎn)化，服務于人們生活中的出行、工業(yè)、建筑供暖制冷照明等及其他方面。近年來，隨著綠色礦山、信息礦山、智能礦山等概念被提及和推廣，煤炭產(chǎn)業(yè)中礦井節(jié)能也成為重要的環(huán)節(jié)。能源消耗中的大戶是由供暖空調(diào)所引起的能耗，加之礦井洗浴用熱使得礦井鍋爐房供熱一年四季處于動態(tài)運行階段。由于相關(guān)環(huán)保及節(jié)能措施實施不合理，以及管理水平的問題，礦井供熱鍋爐能耗與污染與日俱增。因此，煤炭建設后續(xù)生產(chǎn)中節(jié)能工作的重要性不言而喻。

1 技術(shù)路線

國家能源局關(guān)于印發(fā)《煤炭清潔高效利用行動計劃（2015 ～2020 年）》的通知中要求：開發(fā)推廣工業(yè)鍋爐余熱、余能回收利用技術(shù)，實現(xiàn)余熱、余能高效回收及梯級利用。到2020年，淘汰落后燃煤鍋爐60 萬t，京津冀、長三角、珠三角等重點區(qū)域的燃煤鍋爐設施，基本完成天然氣、熱電聯(lián)供、潔凈優(yōu)質(zhì)煤炭產(chǎn)品等替代；現(xiàn)役低效、排放不達標鍋爐基本淘汰或升級改造，高效鍋爐達到50%以上。

另外，各地政府機構(gòu)也有應對大氣污染的相應地方性政策性文件，要求限期拆除燃煤鍋爐供熱，推廣清潔能源利用。以陜西省產(chǎn)煤大戶榆林市為例，政府提出“全市不再新建35t/h 以下的燃煤鍋爐， 65t/h 及以上燃煤鍋爐全部完成節(jié)能和超低排放改造，全面淘汰10t/h 及以下燃煤鍋爐。開展燃氣鍋爐低氮燃燒改造。2020 年底前，現(xiàn)有具備條件的燃氣鍋爐全部完成低氮燃燒改造，改造后氮氧化物排放不高于80mg/m3。城市建成區(qū)生物質(zhì)鍋爐實施超低排放改造?！鄙轿魇〕鞘薪ǔ蓞^(qū)內(nèi)基本淘汰35 t/h 以下燃煤鍋爐，縣城建成區(qū)內(nèi)淘汰10t/h 及以下燃煤鍋爐，積極推進行政區(qū)域內(nèi)35t/h 以下燃煤鍋爐淘汰工作。積極推進35t/h 及以上燃煤鍋爐超低排放改造，達到燃煤電廠超低排放水平?！?/p>

圖1 簡單展示了近年來國家政策法規(guī)的變化與要求，可以看出隨著國家政策的要求與限制，在礦區(qū)進行鍋爐房建設或者改造舊鍋爐，建設新鍋爐已經(jīng)不符合要求，必須尋找新的節(jié)能減排技術(shù)方案。

為了尋找切實可行的方案，將目前適用于礦區(qū)的建設方案進行比較分析得出圖2 所示，其中的技術(shù)路線具體實施都有一定的條件限制，如何科學合理地組織方案論證、設計與實施很有必要。為了說明各方案的技術(shù)路線需要的具體解決問題，本文嘗試將其條理化并分析得出圖3 所示。

優(yōu)先技術(shù)路線為余熱供熱，目前針對礦區(qū)生產(chǎn)過程中的礦井排風或礦井水進行空氣源與水源熱泵設計，熱泵高效運行及其自身無污染能耗低自動化程度高可以很好解決礦井實際需求。只要礦區(qū)具備水源則可以考慮水源熱泵集中建設。對于缺水礦區(qū)需要針對礦井排風進行排風熱回收或者排風換熱裝置換熱后，再建設水源熱泵機房。當熱源確定后就是選擇換熱器布置系統(tǒng)問題，系統(tǒng)的搭建進一步論證可行后即可實施。目前該技術(shù)路線在我國部分礦區(qū)已經(jīng)開始實施，并取得一定成效。

技術(shù)路線2 和技術(shù)路線3 屬于傳統(tǒng)供熱范圍。技術(shù)路線2必須確保礦區(qū)周邊有配套天然氣穩(wěn)定供應，這在我國大部分礦區(qū)不具備條件，另外其昂貴的天然氣費用令用戶望而卻步。技術(shù)路線3 由于環(huán)保政策的原因，目前35t/h 的燃煤鍋爐無法實施，大噸位建設費用高，往往一座鍋爐房建設成本4000 萬元以上，而且其后期大噸位小負荷運行不僅不節(jié)能反而效率低下，配套脫硫脫硝的實施運行費用成本較高。

技術(shù)路線4 的電廠集中供熱對于有資源可用時，該方案是可行方案。目前實施的困難主要是后期敷設供熱管網(wǎng)，如果不是礦區(qū)配套電廠，往往需要征地，該部分的社會與經(jīng)濟影響不確定因素較多，需要各方努力協(xié)調(diào)。

技術(shù)路線5 中所示的蓄熱電鍋爐供熱方案，適合于有較多電能可用，對于具備峰谷電價差的地區(qū)實施起來比較節(jié)能環(huán)保。但是其用電來直接供熱屬于高品質(zhì)能源向低品質(zhì)轉(zhuǎn)化，雖然轉(zhuǎn)化效率高，但是能源的浪費極大，是高能耗產(chǎn)品，高能耗的技術(shù)路線，因此該方案不節(jié)能。

技術(shù)路線6 太陽能利用屬于成熟穩(wěn)定的技術(shù)，主要是受到礦區(qū)地理環(huán)境的限制，往往供熱不穩(wěn)定，且規(guī)模較小，通常作為備用熱源考慮。

技術(shù)路線7 空壓機余熱也受到礦區(qū)空壓機房配置大小的影響，其利用率不高，供熱負荷有限，通常也作為備用熱源考慮。

圖1 相關(guān)法律法規(guī)要求簡介圖

圖2 適用的技術(shù)方案

圖3 各技術(shù)方案路線示意圖

2 解決的工程實際問題

對于優(yōu)先使用的技術(shù)路線1 中，筆者嘗試在實際項目中使用了噴淋換熱技術(shù)回收礦井排風余熱供熱改造。項目中使用的噴淋換熱技術(shù)路線，通過科學的計算結(jié)合模擬與實際工程驗證，使得整體噴淋換熱器對通風系統(tǒng)的阻力附加值達到安全標準要求。系統(tǒng)采用的排風熱回收裝置沒有用任何電氣元件，就達到礦井通風系統(tǒng)的安全要求。通過計算結(jié)合實際項目驗證得知噴淋換熱效率達到80%左右，系統(tǒng)阻力附加值不超過50Pa。布置的熱回收供熱系統(tǒng)通過合理的系統(tǒng)設計，整體系統(tǒng)運行能效達到4．0 以上，且能夠安全高效運行。因此，解決了礦井排風熱回收由于安全問題帶來的無法實施的難題，同時也解決了礦井鍋爐停運無熱可用的難題，杜絕了傳統(tǒng)鍋爐供熱高污染高能耗問題。為礦井企業(yè)實行清潔供熱提供了科學依據(jù)，也為未來建設綠色智能礦山提供了一條供熱方向的技術(shù)路徑。

利用該噴淋換熱技術(shù)的項目在某公司下屬礦井進行了實際應用，通過2019 年冬季某礦實施項目的實際運行檢驗，初步達到了很好的運行效果，對集團下屬近百座礦井提供了良好的示范作用，為礦井尋找清潔供熱改造方案提供了有力的科學支撐。

3 研究方向

目前設計的該取熱裝置體積過于龐大，施工與安裝帶來眾多不便，需要進一步優(yōu)化取熱器尺寸。噴淋換熱效率實際測試運行效率在80%左右，因此換熱效率需要通過霧化噴嘴的設計，噴排設計、淋水密度優(yōu)化需要進一步提高。該裝置在低溫嚴寒地區(qū)使用會使得結(jié)冰現(xiàn)象嚴重，甚至無法達到理想效果，在陜北地區(qū)出現(xiàn)了失敗案例，因此且不可盲目照搬套用。低溫排風礦井使用該技術(shù)需要進一步提高溶液換熱效率，解決低溫結(jié)冰現(xiàn)象，進一步降低附加阻力優(yōu)化換熱器尺寸，對于低溫排風礦井及寒冷地區(qū)類似礦井推廣應用需要結(jié)合乙二醇等低冰點換熱溶液進行優(yōu)化設計，進一步擴大其使用范圍。

上述技術(shù)主要利用排風熱回收技術(shù)解決地面用熱的問題，實際中部分礦井井底空氣溫度達到30℃以上，影響礦井的安全生產(chǎn)與正常運行。因此，后續(xù)的研究方向還需要將井下制冷需求與地面用熱需求的矛盾進行結(jié)合深入研究。