矿井燃煤锅炉清洁能源改造现状与分析

武彦辉

(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

引 言

山西是我国的产煤大省，其煤炭资源储量十分丰富。山西每年产煤大约8亿多吨，占全国总煤炭产量的30%。据统计，截至2018年，山西省辖区范围内共有各类煤矿(井)1 025座，包含国有煤矿(井)748座和其它煤矿(井)277座。各矿井均建有用于井口防冻、建筑物供暖和生活用水等功能的燃煤锅炉，其总数量更是不计其数。

2018年6月末，国务院印发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，明确要求山西等省份要在2018年12月底前全面淘汰10蒸吨/h及以下燃煤锅炉，城市建成区基本淘汰35蒸吨/h及以下燃煤锅炉。随后《山西省打赢蓝天保卫战三年行动计划》和《山西省大气污染防治2018年行动计划》的发布，标志着燃煤锅炉综合整治进入攻坚阶段，2018年10月1日前全省范围内完成10蒸吨/h及以下燃煤锅炉清洁能源改造，到2020年逐步淘汰35蒸吨/h及以下的燃煤锅炉。因此对燃煤锅炉进行清洁能源改造是紧跟国家环保政策，利国利民的大工程。

1 清洁能源的利用方式

1.1 低浓度瓦斯利用

煤矿瓦斯是一种优质的清洁能源，但同时属于温室效应气体，它的温室效应为CO2的21倍。通常，当抽采的瓦斯浓度高于10%时，会将其用于发电或工业生产，而浓度低于10%的瓦斯一般会直接排放。我国每年有大量的井下抽采瓦斯因利用途径有限而直接排到空中，特别是低浓度瓦斯。

低浓度瓦斯蓄热氧化技术利用瓦斯泵站排放的低浓度瓦斯作为燃料，在低浓度瓦斯经过泵站的阻火器、防爆器后，关与空气在掺混装置内混合后，浓度(甲烷体积分数)降至1.2%，在主风机的作用下，输送至蓄热氧化装置内，甲烷氧化产生的高温烟气通过热交换器进行热量的储存和传递。在蓄热氧化装置启炉阶段，须利用燃油燃烧器对蓄热材料进行预热，当蓄热材料加热到特定温度后通入低浓度瓦斯，待系统正常运行后即可关闭燃油系统[1]。

该技术能够有效解决当前燃煤锅炉的大气污染物超标问题，降低了大气污染物排放，具有良好的节能环保效益。同时充分利用了排空的低浓度瓦斯，减少了燃煤消耗，还可获得抽采瓦斯利用补贴。

2016年9月，阳煤集团五矿小南庄“低浓度瓦斯蓄热氧化井筒加热”项目开工建设，四个月后完工并成功运行。该系统一个供暖季可节约标煤3 200 t，减排甲烷260万Nm3，相当于减排二氧化碳3.6万t，同时可获取瓦斯利用补贴100万元。作为全国首个实现工业化应用的低浓度瓦斯蓄热井筒加热项目，其成功运行意味着低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术取得重大进展，这个标志性工程为低浓度瓦斯高效利用揭开了新篇章。

1.2 矿井回风余热利用

矿井回风作为煤矿系统中一种优质的低温余热资源，其回风温度、湿度常年基本恒定。目前大部分矿井一般在12 ℃～20 ℃、相对湿度≥90%，而且回风量普遍较大。作为一项重要的矿井次生热能资源，煤矿回风并未得到有效利用，大多都是直接排入大气。

1.2.1 低温热管换热技术

典型的热管由管壳、吸液管和端盖组成，将管内抽成1.3×10-1Pa～1.3×10-4Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。通过在风井设置大型低温热管换热装置，对回风口进行封闭改造，设置屋顶式封闭彩钢结构、将蒸发器直接布置在钢结构两侧，强制矿井回风经由蒸发器翅片间隙通过。热管的一端受热，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成低温液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环进行热量的置换[2]。

2016年11月，阳煤一矿吴家掌风井低温热管技术项目正式开工。经过一年多时间，最终开发出了全国煤炭行业首例矿井回风热能低温热管技术。该技术通过置换矿井回风的低温余热为矿井进风加热，全年节约耗煤3 200余t，有效改善了风井的供暖环境，降低了环境污染，实现了超低排放。

热管技术井口防冻系统具有如下的优点：1) 更高的低温热能回收率；2) 采用气-气直接热交换的传热方式，大大简化流程；3) 运行费用较低。但此系统的局限性在于它仅适用于回风井和进风井相距比较近的场合，一旦回风井和进风井相距较远，投资费用会大幅度增加。

1.2.2 空气源热泵技术

空气源热泵方案是采用“直蒸式深焓取热乏风热泵”供热技术，提取回风井回风余热资源，从而取代燃煤锅炉供热，达到节能减排的目的。通过在空气源热泵热水器内置一种吸热的介质—制冷剂 (冷媒) ，低温低压的液态制冷剂经膨胀阀节流降压，降压后进入交换机中蒸发，从而在矿井回风中吸收大量的热量，制冷剂转为气态后进入压缩机被压缩，变成高温高压的制冷剂进入热交换器，把它所含的热量释放出来，将冷凝器中的冷水加热，冷水被高温高压制冷剂加热到55 ℃(最高可以到65 ℃)进入保温水箱，此时制冷剂也由气态转变为液态。在此循环中，可以源源不断地从空气中吸收热量给冷水，使冷水温度升高，再经循环水泵将热水送入空气加热机组[3]。

空气源热泵在不同的工况下, 每消耗1 kW电能就从低温热源中吸收2 kW～6 kW的免费热量，有效利用了矿井回风中的热量。然而热泵技术矿井回风余热回收系统采用了气-水换热、热泵提热、水-气换热循环完成进风井新风加热的过程，循环系统多，流程复杂。导致存在一定的缺点：1) 系统造价高；2) 系统运行费用高，主要体现在各种耗电设备。3) 配套设施多导致系统管理难度增大。

1.3 电能利用

电加热锅炉主要分为直热式电锅炉和固体电蓄热锅炉，相比直热式电锅炉，固体电蓄热锅炉具有更大的潜在使用价值和推广价值。

固体电蓄热锅炉采用夜间廉价的低谷电或无法消纳的风力发电、光伏发电等间歇性能源，将锅炉本体内部的固体合金加热到一定温度，使电能以热能的形式储存起来，通过智能控制系统，在指定的时段、以特定的温度将热能输送给用热单位。

由于是夜间廉价低谷电，蓄热电锅炉运行成本是传统电锅炉的1/3～1/4，属于非常新型、环保、节能的电锅炉。现蓄热电锅炉已成功投入政府工程、公共建筑、工业建筑、民用建筑、农业生产等多个行业领域，在帮助运营商降低成本提高效能的同时也为政府更好的治理环境污染、开发商安全、稳健运行提供了前提和基础。

1.4 天然气及瓦斯利用

燃气锅炉是以天然气、瓦斯等清洁气源作为燃料的锅炉。气源通过燃气比例阀，与外部设备的鼓风机通入的空气进行充分混合后，由燃烧头喷射入炉膛内并点燃，达到对锅炉的炉胆、炉管加热的效果(炉膛中烟气以辐射方式将热量传给水冷壁，在炉膛烟气出口处以半辐射、半对流方式将热量传给屏式过热器，在水平烟道和尾部烟道以对流方式传给过热器、再热器、省煤气和空气预热器)。通常设计多弯道燃烧室，让燃烧的气体在炉体内增加行程来提高热效率[4]。

燃气锅炉在燃烧的过程中不会产生有害的气体和烟尘，产生的污染物主要以NOx为主；热效率一般能达到90%以上且使用寿命也较长。目前各地已开始着手对氮氧化物的排放浓度进行控制，特别排放限值和超低排放限值要求显然不能作为未来长期的指导标准。截至目前，北京市已全部完成燃气锅炉低氮燃烧改造，氮氧化物排放浓度控制在30 mg/m3以内，排放总量削减80%；天津、河北等地也出台了锅炉大气污染物排放地方标准，要求氮氧化物排放浓度控制在30 mg/m3以下。因此低氮燃气锅炉的建设是未来燃气锅炉的发展方向。

1.5 等离子煤气化技术

我国我国能源资源的基本特点可概括为6个字：“富煤、贫油、少气”。因此煤炭的清洁化利用也是未来的另一个发展方向。

等离子煤气化技术是以等离子技术为依托，以等离子态下的水作为气化剂，空气作为热反应剂，把煤炭转化为气体燃料的工艺过程。等离子气化锅炉主要分为造气和燃烧两部分。

在造气阶段，利用等离子点火器产生的等离子电弧制造高能热环境，通入适当比例的等离子气化剂，使原料在等离子活性状态的热环境中发生一系列复杂的化学反应，生成主要成分为H2、CO的可燃气体，将气化后的燃气依次经过等离子体脱焦设备、微波等离子体脱硫装置、煤气化中的H2经过等离子体化后，与煤气中的NO/NO2发生反应，生成N2和水。最终可燃气体具有纯度高、洁净的优点[5]。而燃烧过程采用等离子低氮燃烧器，可以充分稳定燃烧。

等离子煤气化锅炉固硫率可达到70%以上，固尘率和热效率均能达到95%以上，并且低氮燃烧产生的NOx含量很低，满足特别排放限值要求。缺点是锅炉系统造价高，一般企业难以一次性承受如此高昂的费用，而且随着国家越来越严格的大气污染物达标排放要求，未来仍可能面临提标改造甚至被淘汰的风险。

2 结语

燃煤锅炉清洁能源改造可大大减少对周边环境的污染，使空气质量得到明显改善，具有良好的节能环保效益，还能有效利用煤矿浪费的清洁能源，节省了燃煤消耗，给企业带来较大的经济效益。企业应结合自身实际情况进行热负荷计算，对不同的改造方式从建设费用、运行成本、能源替代效益、经济效益和社会效益等方面进行核算，选择最适合本企业的清洁能源改造方式。