浅谈孔庄煤矿燃煤锅炉的清洁能源改造及应用

魏翠翠

上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿 江苏徐州 221600

目前，国内还留存着较多的小型燃煤锅炉，而小型燃煤锅炉环境污染和碳排放问题急需解决。在不具备市政供暖的中小企业中，采用燃煤锅炉供暖供热供汽是最常用的方式，而燃煤锅炉的清洁能源改造为此提供了一种可行之路。因此，在“2030年碳达峰、2060年碳中和”时代背景下，小型燃煤锅炉的清洁能源改造具有及其广泛的应用前景。

1 孔庄煤矿燃煤锅炉改造的背景和意义

孔庄煤矿位于徐州市沛县境内，隶属于大屯煤电（集团）有限责任公司，占地约57万平方米，始建于1973年10月，1977年7月1日正式投产，设计年产量60万吨，1985年达产。矿井于1988年开始二期工程改扩建，1992年竣工投产，地面配套建成了年入洗能力为105万吨的坑口选煤厂。2020年原煤产量144万吨，现有职工4200多人，资产总量3.1亿元。

党的十八届五中全会提出了全面建成小康社会的新目标，提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大新发展理念。“十三五”期间，我国能源发展和改革的战略导向主要集中在能源消费总量控制、煤炭清洁高效利用、大力发展清洁能源和能源体制改革[1]。

2 孔庄煤矿供热系统

2.1 供热负荷情况

孔庄煤矿地处采暖区，矿区内的建筑主要包括工人新村、职工宿舍、办公楼、洗衣房、选煤厂、食堂、浴室、坑口等功能性用房。燃煤锅炉的供热用户根据用热性质可以分为两种类型，分别为蒸汽和热水两种类型。蒸汽需求主要包括井筒保温、坑口采暖的生产用汽；浴室、食堂、办公楼、洗衣房等场所的生活用汽。采暖热水需求主要为：工房职工室内建筑采暖，矿内办公室内建筑采暖。具体各用热负荷参数见表1。

表1 孔庄煤矿用热负荷参数表

2.2 热源供应现状

本项目实施单位孔庄煤矿共有五台10吨燃煤锅炉，其中三台蒸汽锅炉，两台热水锅炉，具体锅炉参数见表2。

表2 孔庄煤矿燃煤锅炉设备参数表

供热工程作为基础配套的重要组成部分，对矿区生产、生活起到重要的辅助作用。随着国家对燃煤锅炉环保要求提高以及煤炭削减目标的规划，现状锅炉已经无法满足要求，为保证矿区内正常的用汽、用热水需求，同时增加设备的效率、降低管网的输送热损失，对矿区锅炉房进行清洁替代改造，锅炉房清洁替代既满足近期的供暖要求，又充分兼顾矿区未来发展的需要。锅炉房改造后，能够解决矿区的采暖需求，提高居民生活水平，减少煤炭资源消耗、提高设备效率，降低热损失，环保和社会效益明显[2]。

2.3 燃煤锅炉改造的必要性

（1）现状燃煤锅炉为10t/h链条炉，热效率低下，脱硫除尘等环保设施落后，采用麻石水膜脱硫除尘，未设置脱硝设施，已经被沛县环保局列入2017年必须改造关停的名单；

（2）孔庄矿距离城市集中供热管网约5km，现状为自备燃煤锅炉房供热。矿区供热管道根据功能需求，分为蒸汽管网和热水管网，蒸汽管网主要满足矿区坑口采暖、洗浴、餐厅蒸煮和办公楼采暖/制冷等用汽点的用汽需求，热水管网主要满足生活区的居民采暖需求。矿区供热管网普遍存在老旧、热损严重，管网布局不合理等缺陷。随着矿区的建设，锅炉将出力不足。现状热源已无法满足用户的需求，。

（3）矿区内存在用汽、用热水需求，坑口、矿工洗浴、职工居住区、办公楼等建筑冬季均有用热需求，一旦现有锅炉房拆除后，用汽、用热水将无法保证，迫切需要进行相应的替代改造。

3 燃煤锅炉的改造

3.1 燃煤锅炉改天然气锅炉

3.1.1 燃气锅炉的类型

（1）燃气蒸汽锅炉工艺。燃气蒸汽锅炉是用天然气、液化气、城市煤气等气体燃料作燃料，在炉内燃烧放出来的热量，加热锅内给水，并使其汽化成蒸汽的热能转换设备[1]。水在锅（锅筒）中不断被炉里气体燃料燃烧释放出来的能量加热，温度升高并产生带压蒸汽，由于水的沸点随压力的升高而升高，锅是密封的，水蒸气在里面的膨胀受到限制而产生压力形成热动力（严格的说锅炉的水蒸气是水在锅筒中定压加热至饱和水再汽化形成的）作为一种能源广泛使用[3]。

（2）燃气热水锅炉工艺。燃气热水锅炉是用天然气、液化气、城市煤气等气体燃料作燃料，在炉内燃烧放出来的热量，加热锅内的水，最高温度只达到85摄氏度。水在锅（锅筒）中不断被炉里气体燃料燃烧释放出来的能量加热，温度升高，锅炉内被加热的炉水被循环泵不断的循环后加热，低温度的水进入锅筒，高温水循环出锅筒，直至设定温度。

3.1.2 燃煤锅炉改为天然气锅炉的可行性分析

燃煤锅炉改为天然气锅炉时，可保留现状所有的供热管网，只对锅炉房进行改造。按照用热、用汽量设计选型设备机组，燃煤锅炉全部改为燃气锅炉。对现有的工艺蒸汽负荷进行整合，主要满足浴室、坑口、矿内暖气的汽水换热、中央空调，去掉食堂、洗衣房的蒸汽使用，改为电炊具、电烘干机。设备投入明细见表3。

表3 设备投入明细

3.2 采用市政集中供热

3.2.1 市政集中供热概述

由市政供热管路沿道路敷设直接引入矿区，通过现状热水供热管网分散至各用户侧，取消工业广场采暖汽-水换热器。采用市政集中供热方案后，需要新增供热管道，且施工涉及道路施工等事项。

3.2.2 市政集中供热特点

（1）充分采用城市集中供热，发挥了集中供热在节能、环保、运行各方面的优势。能替代众多分散的小锅炉，有效的减少了烟尘、氧化硫、氧氮化合物的排放量，减轻大气污染，改善城市环境卫生。无易燃易爆，无有毒成分室内无污染，无异味，无噪音。

（2）采用集中供热系统简单，只需对换热站稍微改造即可，但周期长，施工不方便，存在与用电、用天然气、规划局、交通局、电信等主管部门的沟通交涉，施工中要开挖主要市区公路，难度大。

（3）只能解决矿内供暖，无法解决矿内生活用汽问题，职工无法洗澡，中央空调无法开机，坑口无法供暖等问题。需要额外增加投入供汽设备配合，才能即解决供暖和供汽的双重问题[4]。

（4）集中供热管路建成之后，运行费用低，运行管理方便，省去矿内热水锅炉的运行及投入，且供热效果能够保证。

4 方案分析

（1）小型燃煤锅炉尤其是10吨以下的燃煤锅炉，热效率低、污染物排放不满足国家标准，不具备锅炉本体的超低排放改造条件，在燃煤锅炉本体上进行改造意义不大。

（2）燃煤锅炉改造为燃气锅炉，降低了职工劳动强度，改善了生产环境：提高了锅炉烟气排放标准，环保性能较好。

（3）采用集中供热建造费用价格高昂，涉及到市政统一规划建设，难以统一施工，周期较长，且市政集中供热，不能解决矿内蒸汽用汽、职工浴室等问题。

（4）燃煤锅炉改造燃气锅炉也存在一定的缺点，比如天然气使用量较大，气源供应不稳定，且天然气易燃易爆，有毒，在使用过程中要特殊防护。

5 方案实施及应用

5.1 方案实施

根据孔庄煤矿现状综合考虑，最终方案定为天然气锅炉替代方案。三期建设一栋新锅炉房安装两台4t锅炉，配套了水处理设备，供水供气管路，老锅炉原址安装一台10t燃气蒸汽锅炉、一台7WM燃气热水锅炉。

5.1.1 燃气锅炉选型见表4

表4 燃气锅炉选型

5.1.2 结构形式与总体布置

燃气蒸汽锅炉为卧式内燃三回程湿背式火管快装锅炉，尾部设置省煤器、冷凝器以降低排烟温度。锅炉本体主要有锅筒、波纹炉胆、回燃室、二组烟管、检查孔圈、前后烟箱和防爆门等组成，炉胆、回燃室、烟管、检查孔圈均安装在锅壳内，并完全浸没在炉水中。

烟气流程：炉胆→回燃室→第一组烟管→前烟箱→第二组烟管→后烟箱→省煤器→冷凝器→烟囱，烟气呈S形流动。

5.2 项目应用后的优缺点

锅炉投入使用后，运行平稳，无故障。特别是启、停炉操作，实现了智能化。

（1）锅炉实现全自动智能化运行，操作简单，减少人员配置，节约了人力运行成本。

（2）锅炉运行噪声低，排放的烟气黑度≤1级（林格曼），NOX排放浓度≤30mg/Nm³，颗粒物≤5mg/m³，二氧化硫：≤10mg/m³，远低于环保要求。

（3）维修方便，每年节约维修费用近100万元。

（4）供暖季节可根据天气气温及用户需求随时调节蒸汽量，节约燃气消耗量。

（5）对水处理系统要求高，需保证给水符合规定，防止锅炉受热面结垢。

6 结语

通过以上分析，煤矿燃煤锅炉改造为燃气锅炉是可行的，能够满足矿井的供热、供汽需求，解决生产、生活用汽。相对于燃煤锅炉虽然生产成本有一定上升，但是解决燃煤锅炉污染环境的问题，降低了职工劳动强度和生产环境。同时燃煤锅炉改造为燃气锅炉符合国家节能环保政策的要求，实现清洁能源的替代，项目实施后，每年节约标煤626吨，减少向环境排放烟尘0.33吨、二氧化硫0.88吨、氮氧化物8.44吨、煤渣（粉煤灰）165.76吨，减少烟尘排放量和S02排放量和灰尘排放量，废水基本实现零排放，灰渣、噪声均得到了有效治理，为保护环境作出了积极的贡献，项目实施后累每年可节约标准煤为7461吨标准煤。具有较高的推广和应用意义。