白延斌 焦春玲 霍海紅

?

新形勢下煤礦暖通設計的探討

白延斌1焦春玲2霍海紅3

（1.中煤能源研究院有限責任公司 西安 710054；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 西安 710065；3.大唐新能電力設計有限公司 西安 710036）

介紹了最新與煤炭行業(yè)暖通相關的法律法規(guī)，分析了在新的政策與形勢下，煤炭行業(yè)暖通設計發(fā)展方向。對煤礦鍋爐房設計，已有鍋爐脫硫脫硝系統(tǒng)設計分別給出了建議，對雙堿法、石灰法及石灰石法等脫硫工藝的適用性進行了分析。分析了煤炭行業(yè)余熱資源，對礦井乏風空氣源熱泵、礦井涌水利用水源熱泵利用系統(tǒng)及煤礦井下制冷進行了設計探討。

能源；脫硫脫硝；乏風；熱泵

0 引言

2015年以來，在煤炭需求放緩、過剩產能難以消化、控制煤炭總量難度增加、國際能源價格下降等多重因素的影響下，煤炭經濟運行形勢急轉直下，產銷量下降，庫存居高不下，市場價格再次出現(xiàn)持續(xù)下跌?！跺仩t大氣污染物排放標準》GB13271-2014的2014年7月1日的實施，大量煤礦又面臨著既有鍋爐房供熱系統(tǒng)的改造任務。隨著國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》《煤炭清潔高效利用行動計劃（2015-2020年）》等政策性文件的頒布實施，暖通設計在煤礦行業(yè)中起著至關重要的作用，如何做好新形勢下煤礦暖通設計值得廣大暖通設計師深入思考。

1 相關法律法規(guī)簡紹

《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014要求新建鍋爐自2014年7月1日起、10t/h以上在用蒸汽鍋爐和7MW以上在用熱水鍋爐自2015年10月1日、10t/h及以下在用蒸汽鍋爐和7MW及以下在用熱水鍋爐自2016年7月1日起執(zhí)行[1]。

在用燃煤鍋爐排放限值如下：顆粒物80mg/m3，二氧化硫400（550）mg/m3，氮氧化物400mg/m3，汞及其化合物0.05mg/m3，括弧中為廣西壯族自治區(qū)、重慶市、四川省和貴州省執(zhí)行標準。

新建燃煤鍋爐排放限值如下：顆粒物50mg/m3，二氧化硫300mg/m3，氮氧化物300mg/m3，汞及其化合物0.05mg/m3。

重點區(qū)域燃煤鍋爐特別排放限值如下：顆粒物50mg/m3，二氧化硫200mg/m3，氮氧化物200mg/m3，汞及其化合物0.05mg/m3。其中本規(guī)范要求執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的地域范圍、時間，有國務院環(huán)境保護部主管部門或省級人民政府規(guī)定。環(huán)保部、國家發(fā)改委、財政部印發(fā)并獲國務院批復的文件《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》要求，13個大氣污染防治重點區(qū)域（簡稱“三區(qū)十群”），包括京津冀、長三角、珠三角地區(qū)，遼寧中部、山東、武漢及其周邊、長株潭、成渝、海峽西岸、山西中北部、陜西關中、甘寧、新疆烏魯木齊城市群。

國務院關于印發(fā)《大氣污染防治行動計劃》的通知（國發(fā)〔2013〕37號）要求“全面整治燃煤小鍋爐。加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。在供熱供氣管網不能覆蓋的地區(qū)，改用電、新能源或潔凈煤，推廣應用高效節(jié)能環(huán)保型鍋爐。”

國家能源局關于印發(fā)《煤炭清潔高效利用行動計劃（2015-2020年）》的通知（國能煤炭[2015]141號）要求“新生產和安裝使用的20蒸噸/小時及以上燃煤鍋爐應安裝高效脫硫和高效除塵設施。20蒸噸/小時及以上燃煤鍋爐應安裝在線檢測裝置，并與當?shù)氐沫h(huán)保部門聯(lián)網。加速淘汰落后鍋爐。到2017年，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰10蒸噸/小時及以下的燃煤鍋爐；天津市、河北省地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰35蒸噸/小時及以下燃煤鍋爐。10蒸噸/小時及以上的燃煤鍋爐要開展煙氣高效脫硫、除塵改造。大氣污染防治重點控制區(qū)域的燃煤鍋爐，要按照國家有關規(guī)定達到特別排放限值要求。開發(fā)推廣工業(yè)鍋爐余熱、余能回收利用技術，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60萬蒸噸，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)質煤炭產品等替代；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?！?/p>

另外各地政府機構也有應對大氣污染的相應地方性政策性文件，如陜西省人民政府印發(fā)的《陜西省“治污降霾·保衛(wèi)藍天”五年行動計劃（2013—2017年）》通知（陜政發(fā)〔2013〕54號）要求“通過集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”等措施，加快淘汰燃煤小鍋爐。各設區(qū)市、楊凌示范區(qū)、西咸新區(qū)、韓城市城市建成區(qū)禁止新建每小時20蒸噸以下的燃煤鍋爐，其他地區(qū)原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。在2014年底前，西安市、咸陽市、渭南市拆除城市建成區(qū)內所有每小時20蒸噸以下燃煤鍋爐；到2017年，除必要保留的外，其他地級城市拆除建成區(qū)內所有每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐。西安周邊100公里范圍內新安裝鍋爐必須使用天然氣或煤制天然氣、煤層氣等清潔能源。熱力、天然氣管網覆蓋不到的區(qū)域改用電、新能源或推廣使用高效環(huán)保鍋爐?！?/p>

2 鍋爐脫硫脫硝系統(tǒng)

我國大氣污染形勢嚴峻，北方地區(qū)霧霾天氣的與日俱增，隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進，能源資源消耗持續(xù)增加，大氣污染防治壓力繼續(xù)加大。為切實改善空氣質量，目前國家相繼出臺了若干標準法律法規(guī)及指導文件應對保護大氣環(huán)境。大多數(shù)的霧霾天氣從污染物的排放來源上看，污染物來源按貢獻依次是燃煤、機動車、工業(yè)源、揚塵和其它。其中燃煤污染物主要來自原煤散燒和中小鍋爐排放。因此加強工業(yè)企業(yè)大氣污染綜合治理迫在眉睫。

對于目前煤礦來說，工業(yè)場地大部分都設置有獨立鍋爐房滿足廠區(qū)井筒防凍、洗浴及采暖負荷需求。鍋爐房規(guī)模與礦井規(guī)模有一定關系，小型礦井有設置單臺鍋爐運行的，同型號2～3臺鍋爐運行的，大型礦井及特大型礦井采用10t/h或者20t/h鍋爐聯(lián)合設置。其中陜蒙地區(qū)大部分礦井鍋爐配置有簡單的除塵系統(tǒng)，在新的《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014頒布前在可以滿足排放要求的前提下并沒有設置脫硫脫硝系統(tǒng)。新標準頒布實施后現(xiàn)有的鍋爐房按照以往的設計方式運行就達不到新的環(huán)保要求，因此必須加以配套脫硫脫硝系統(tǒng)，并對原有鍋爐需重新更換除塵系統(tǒng)。新設計的鍋爐房則需同時設計脫硫脫硝系統(tǒng)。

目前煙氣脫硫技術種類達幾十種，按脫硫過程是否加水和脫硫產物的干濕形態(tài)，煙氣脫硫分為：濕法、半干法、干法三大類脫硫工藝。濕法脫硫技術較為成熟，效率高，操作簡單。優(yōu)點：濕法煙氣脫硫技術為氣液反應，反應速度快，脫硫效率高，一般均高于90%，技術成熟，適用面廣。濕法脫硫技術比較成熟，生產運行安全可靠，在眾多的脫硫技術中，始終占據(jù)主導地位，占脫硫總裝機容量的80%以上。缺點：生成物是液體或淤渣，較難處理，設備腐蝕性嚴重，洗滌后煙氣需再熱，能耗高，占地面積大，投資和運行費用高[2,3]。

選擇性催化還原（SCR）脫硝技術：SCR脫硝工藝是利用催化劑，在一定溫度下（270～400℃），使煙氣中的NOx與來自還原劑供應系統(tǒng)的氨氣混合后發(fā)生選擇性催化還原反應，生成氮氣和水，從而減少NOx的排放量，減輕煙氣對環(huán)境的污染。

SCR反應過程中使用的還原劑可以為液氨、氨水（25%NH3）或者尿素。SCR脫硝工藝系統(tǒng)可分為液氨儲運系統(tǒng)（液氨為還原劑）、氨氣制備和供應系統(tǒng)、氨/空氣混合系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、SCR反應器系統(tǒng)和氨氣應急處理系統(tǒng)等。

選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術：SNCR方法主要是將含氮的還原劑（尿素、氨水或液氨）噴入到溫度為850～1100℃的煙氣中，使其發(fā)生還原反應，脫除NOx，生成氮氣和水。由于在一定溫度范圍及有氧氣的情況下，含氮還原劑對NOx的還原具有選擇性，同時在反應中不需要催化劑，因此稱之為選擇性非催化還原。SNCR系統(tǒng)的主要設備均采用模塊化設計，主要有還原劑儲存與輸送模塊、稀釋水模塊、混合計量模塊、噴射模塊組成。

SNCR-SCR聯(lián)合工藝脫硝技術：SNCR/SCR聯(lián)合工藝是將SNCR技術與SCR技術聯(lián)合應用，即在爐膛上部850～1100℃的高溫區(qū)內，以尿素等作為還原劑，還原劑通過計量分配和輸送裝置精確分配到每個噴槍，然后經過噴槍噴入爐膛，實現(xiàn)NOx的脫除，過量逃逸的氨隨煙氣進入爐后裝有少量催化劑的SCR脫硝反應器，實現(xiàn)二次脫硝。

SNCR/SCR混合法脫硝系統(tǒng)主要由還原劑存儲與制備、輸送、計量分配、噴射系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、SCR脫硝催化劑及反應器、電氣控制系統(tǒng)等幾部分組成。

3 礦井余熱資源利用系統(tǒng)

傳統(tǒng)礦井聯(lián)合工業(yè)場地或風井場地往往設計為燃煤鍋爐供熱，隨著上述環(huán)保政策的執(zhí)行，對于風井場地或者小型礦井的用熱規(guī)模不大，繼續(xù)采用燃煤鍋爐供熱不僅帶了環(huán)保問題也與國家的政策相沖突。即使為了環(huán)評過關采用大鍋爐供熱配套相應的環(huán)保措施帶來的“大馬拉小車”的大能耗也是不科學甚至是不合理的。對于礦井場地有回風井的地方就可以充分利用回風的熱量采用余熱利用系統(tǒng)解決礦井全部或部分供熱問題。按照2013年全國煤炭產量37億t計算，預計全國礦井總回風量為1.26E+10m3/h，可利用熱量1.5E+7kW，相當于每年生產3115萬t標準煤、減少CO2排放8097萬t[4-6]。目前礦井的回風大部分都是直接排入大氣，熱能沒有很好的利用，造成了大量的熱能浪費。因此科學合理的利用此部分熱能將為新形勢下礦井熱源系統(tǒng)設計重點考慮的內容。礦井回風利用系統(tǒng)可以分為兩種形式：一是回風直接利用空氣源熱泵系統(tǒng)，如圖1所示。二是回風間接利用噴淋水源熱泵系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 乏風-空氣源熱泵系統(tǒng)

圖2 乏風-水源熱泵系統(tǒng)

礦井回風利用空氣源熱泵系統(tǒng)，需要在礦井回風擴散塔上設計回風機房用來回收余熱，和通風機房聯(lián)建熱泵機房布置熱泵機組及附屬設備。擴散塔上部回風機房主要布置蒸發(fā)器用來回收礦井回風余熱，同時需要結合擴散塔排風功能設計合理的機房布局盡量減少對主扇阻力的增加。對于回風利用水源熱泵系統(tǒng)需要在擴散塔排風口設計噴淋裝置利用回風的熱量將水換熱后擴散塔下部設計集水池。此系統(tǒng)對于既有供熱系統(tǒng)改造由于通風機房一次布置完畢相對較復雜，對于新設余熱供熱系統(tǒng)可以在設計之初考慮此套噴淋裝置一次合理設計。再者噴淋系統(tǒng)若加設換熱裝置相對于乏風直接利用增加的阻力較大，且噴淋附件零散設備如噴頭等的維護工作量也較大。若礦井回風溫度不高對于陜北榆橫礦區(qū)等地的回風溫度采暖季普遍低于10℃，其可行性需要進一步論證。若礦井回風溫度較高達到15℃以上甚至大部分時間為20℃則利用該系統(tǒng)可以保證供熱的需求相對于空氣源熱泵能效也高值得設計師考慮。

隨著國家環(huán)保政策的執(zhí)行及地方環(huán)保標準的越來越嚴格，燃煤鍋爐尤其是低噸位燃煤鍋爐將面臨淘汰部分地區(qū)已經開始逐步淘汰，對于煤礦風井場地由于自身建設規(guī)模的決定其熱負荷往往小于10蒸噸以下，燃煤鍋爐無法設計又需要保證供熱需求的矛盾急需解決。風井場地若設置有回風井，利用礦井回風余熱設計合理的供熱系統(tǒng)是設計師必須考慮的內容之一。因此礦井余熱資源利用系統(tǒng)將是今后設計師努力探討的方向，以取代小噸位鍋爐的建設。為環(huán)保事宜做出貢獻。

4 井下制冷系統(tǒng)

熱害是礦井的自然災害之一，隨著礦井開采深度的增加，礦井中高溫高濕的熱害問題變得越來越嚴重。隨著機械化程度越來越高，由此產生的機械散熱也進一步增加。礦井熱害不僅影響井下作業(yè)人員的工作效率，影響礦井的經濟效益，而且嚴重地影響井下作業(yè)人員的身體健康和生命安全，嚴重影響礦山的安全[7]?！兜V井降溫技術規(guī)范》中規(guī)定“采掘工作面的空氣溫度等于或超過32℃、機電設備硐室的空氣溫度等于或超過34℃時，應停止作業(yè)”[8]。因此必須采取切實有效的方法對礦井的熱害加以治理。當非人工制冷的降溫方法對于大熱負荷、熱害比較突出的礦井不能解決根本問題時，就需要設計人工制冷來滿足生產需要。礦井機械制冷空調系統(tǒng)根據(jù)熱力學特點可分為壓縮空氣制冷礦井空調系統(tǒng)、制冰礦井空調系統(tǒng)、制冷水降溫礦井空調系統(tǒng)。根據(jù)制冷設備放置的位置不同，又有井下集中式、地面集中式、聯(lián)合式以及局部移動式空調系統(tǒng)[9,10]。礦井降溫系統(tǒng)要根據(jù)礦井的實際情況以及結合不同礦井空調系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行選擇，地面集中式降溫冷損失較大，井下集中式冷凝熱的排放困難，適用于冷量較小的礦井，對于超身礦井冷負荷較大的礦井宜采用制冰技術進行降溫，壓縮空氣制冷適用于冷量較小的淺部礦井，另外高瓦斯礦井宜可采用熱電冷聯(lián)產空調制冷技術。另外對于選用何種系統(tǒng)尚需結合技術指標、經濟指標進行綜合考慮。此項設計也是暖通設計師在新形勢下另一項設計要點與難點。

5 總結

隨著時代的進步，礦井暖通設計師需要結合國家最新法律法規(guī)相關規(guī)范規(guī)程，主要從三大方面加深礦井暖通空調的設計思考：（1）既有鍋爐房的脫硫脫硝除塵系統(tǒng)改造及新建鍋爐房必須加以配套合適高效的脫硫脫硝除塵系統(tǒng)；（2）需要就煤礦的余熱資源加以高效的利用，尤其礦井乏風余熱資源的合理利用；（3）礦井熱害的治理迫在眉尖，加深對礦井熱害制冷系統(tǒng)的設計與優(yōu)化。

[1] GB13271-2014,鍋爐大氣污染物排放標準[S].北京:中國環(huán)境科學出版社,2014.

[2] 將文舉.煙氣脫硫脫硝技術手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2012.

[3] 吳安.工業(yè)鍋爐煙氣濕法脫硫實用技術手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[4] 杜春濤,朱元忠,孟國營,等.礦井回風噴淋換熱器換熱效率數(shù)學模型研究[J].煤炭工程,2015,47(10):104-107.

[5] 杜春濤,董志峰,孟國營,等.礦井回風噴淋換熱器節(jié)水及換熱效率影響因素分析[J].煤炭科學技術,2012,40(12): 80-83.

[6] 呂向陽,趙健康.水源熱泵技術在礦井系統(tǒng)中的應用[J].節(jié)能與環(huán)保,2010,(8):43-45.

[7] 陳安國.礦井熱害產生的原因、危害及防治措施[J].中國安全科學學報,2004,14(8):3-5.

[8] MT/T1136-2011,礦井降溫技術規(guī)范[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2011.

[9] 國家安全生產監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2016.

[10] 吳麗麗,羅新榮,李浪.礦井空調降溫技術分析[J].制冷與空調,2012,26(1):97-100.

Discussion Under the New Situation of Coal Mine HVAC Design

Bai Yanbin1Jiao Chunlin2Huo Haihong3

( 1.China Coal Research Institute Co., Ltd, Xi’an, 710054;2.Northwest Rngineering Corporation Limited, Xi’an, 710065;3.Shanxi Datang New Energy Power Design Co., Ltd, Xi’an, 710036 )

This paper introduced the latest HVAC industry and coal-related laws and regulations, and analyzed the Direction of development of HVAC design in coal industry under the new policy and the situation. respectively, it was advised on the design in boiler room and the system of boile desulfurization and denitrification which have been designed.The applicability of dual-alkali, lime and limestone method method desulfurization process were analyzed. It was analyze the waste heat resources of the coal industry, Discussed the design in Coal Mine Cooling, VAM air source heat pump, Swallet Source Heat Pump System, and water source heat pump system.

Energy; Desulfurization and denitrification; VAM; Heat pumps

1671-6612（2017）03-281-05

TU831

A

白延斌（1985-），男，碩士，工程師，E-mail：BDL168168@163.com

2016-05-30