武彥輝

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

引 言

山西是我國的產煤大省，其煤炭資源儲量十分豐富。山西每年產煤大約8億多噸，占全國總煤炭產量的30%。據統(tǒng)計，截至2018年，山西省轄區(qū)范圍內共有各類煤礦(井)1 025座，包含國有煤礦(井)748座和其它煤礦(井)277座。各礦井均建有用于井口防凍、建筑物供暖和生活用水等功能的燃煤鍋爐，其總數(shù)量更是不計其數(shù)。

2018年6月末，國務院印發(fā)了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，明確要求山西等省份要在2018年12月底前全面淘汰10蒸噸/h及以下燃煤鍋爐，城市建成區(qū)基本淘汰35蒸噸/h及以下燃煤鍋爐。隨后《山西省打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《山西省大氣污染防治2018年行動計劃》的發(fā)布，標志著燃煤鍋爐綜合整治進入攻堅階段，2018年10月1日前全省范圍內完成10蒸噸/h及以下燃煤鍋爐清潔能源改造，到2020年逐步淘汰35蒸噸/h及以下的燃煤鍋爐。因此對燃煤鍋爐進行清潔能源改造是緊跟國家環(huán)保政策，利國利民的大工程。

1 清潔能源的利用方式

1.1 低濃度瓦斯利用

煤礦瓦斯是一種優(yōu)質的清潔能源，但同時屬于溫室效應氣體，它的溫室效應為CO2的21倍。通常，當抽采的瓦斯?jié)舛雀哂?0%時，會將其用于發(fā)電或工業(yè)生產，而濃度低于10%的瓦斯一般會直接排放。我國每年有大量的井下抽采瓦斯因利用途徑有限而直接排到空中，特別是低濃度瓦斯。

低濃度瓦斯蓄熱氧化技術利用瓦斯泵站排放的低濃度瓦斯作為燃料，在低濃度瓦斯經過泵站的阻火器、防爆器后，關與空氣在摻混裝置內混合后，濃度(甲烷體積分數(shù))降至1.2%，在主風機的作用下，輸送至蓄熱氧化裝置內，甲烷氧化產生的高溫煙氣通過熱交換器進行熱量的儲存和傳遞。在蓄熱氧化裝置啟爐階段，須利用燃油燃燒器對蓄熱材料進行預熱，當蓄熱材料加熱到特定溫度后通入低濃度瓦斯，待系統(tǒng)正常運行后即可關閉燃油系統(tǒng)[1]。

該技術能夠有效解決當前燃煤鍋爐的大氣污染物超標問題，降低了大氣污染物排放，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益。同時充分利用了排空的低濃度瓦斯，減少了燃煤消耗，還可獲得抽采瓦斯利用補貼。

2016年9月，陽煤集團五礦小南莊“低濃度瓦斯蓄熱氧化井筒加熱”項目開工建設，四個月后完工并成功運行。該系統(tǒng)一個供暖季可節(jié)約標煤3 200 t，減排甲烷260萬Nm3，相當于減排二氧化碳3.6萬t，同時可獲取瓦斯利用補貼100萬元。作為全國首個實現(xiàn)工業(yè)化應用的低濃度瓦斯蓄熱井筒加熱項目，其成功運行意味著低濃度瓦斯蓄熱氧化利用技術取得重大進展，這個標志性工程為低濃度瓦斯高效利用揭開了新篇章。

1.2 礦井回風余熱利用

礦井回風作為煤礦系統(tǒng)中一種優(yōu)質的低溫余熱資源，其回風溫度、濕度常年基本恒定。目前大部分礦井一般在12 ℃～20 ℃、相對濕度≥90%，而且回風量普遍較大。作為一項重要的礦井次生熱能資源，煤礦回風并未得到有效利用，大多都是直接排入大氣。

1.2.1 低溫熱管換熱技術

典型的熱管由管殼、吸液管和端蓋組成，將管內抽成1.3×10-1Pa～1.3×10-4Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。通過在風井設置大型低溫熱管換熱裝置，對回風口進行封閉改造，設置屋頂式封閉彩鋼結構、將蒸發(fā)器直接布置在鋼結構兩側，強制礦井回風經由蒸發(fā)器翅片間隙通過。熱管的一端受熱，毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成低溫液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)進行熱量的置換[2]。

2016年11月，陽煤一礦吳家掌風井低溫熱管技術項目正式開工。經過一年多時間，最終開發(fā)出了全國煤炭行業(yè)首例礦井回風熱能低溫熱管技術。該技術通過置換礦井回風的低溫余熱為礦井進風加熱，全年節(jié)約耗煤3 200余t，有效改善了風井的供暖環(huán)境，降低了環(huán)境污染，實現(xiàn)了超低排放。

熱管技術井口防凍系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點：1) 更高的低溫熱能回收率；2) 采用氣-氣直接熱交換的傳熱方式，大大簡化流程；3) 運行費用較低。但此系統(tǒng)的局限性在于它僅適用于回風井和進風井相距比較近的場合，一旦回風井和進風井相距較遠，投資費用會大幅度增加。

1.2.2 空氣源熱泵技術

空氣源熱泵方案是采用“直蒸式深焓取熱乏風熱泵”供熱技術，提取回風井回風余熱資源，從而取代燃煤鍋爐供熱，達到節(jié)能減排的目的。通過在空氣源熱泵熱水器內置一種吸熱的介質—制冷劑 (冷媒) ，低溫低壓的液態(tài)制冷劑經膨脹閥節(jié)流降壓，降壓后進入交換機中蒸發(fā)，從而在礦井回風中吸收大量的熱量，制冷劑轉為氣態(tài)后進入壓縮機被壓縮，變成高溫高壓的制冷劑進入熱交換器，把它所含的熱量釋放出來，將冷凝器中的冷水加熱，冷水被高溫高壓制冷劑加熱到55 ℃(最高可以到65 ℃)進入保溫水箱，此時制冷劑也由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)。在此循環(huán)中，可以源源不斷地從空氣中吸收熱量給冷水，使冷水溫度升高，再經循環(huán)水泵將熱水送入空氣加熱機組[3]。

空氣源熱泵在不同的工況下, 每消耗1 kW電能就從低溫熱源中吸收2 kW～6 kW的免費熱量，有效利用了礦井回風中的熱量。然而熱泵技術礦井回風余熱回收系統(tǒng)采用了氣-水換熱、熱泵提熱、水-氣換熱循環(huán)完成進風井新風加熱的過程，循環(huán)系統(tǒng)多，流程復雜。導致存在一定的缺點：1) 系統(tǒng)造價高；2) 系統(tǒng)運行費用高，主要體現(xiàn)在各種耗電設備。3) 配套設施多導致系統(tǒng)管理難度增大。

1.3 電能利用

電加熱鍋爐主要分為直熱式電鍋爐和固體電蓄熱鍋爐，相比直熱式電鍋爐，固體電蓄熱鍋爐具有更大的潛在使用價值和推廣價值。

固體電蓄熱鍋爐采用夜間廉價的低谷電或無法消納的風力發(fā)電、光伏發(fā)電等間歇性能源，將鍋爐本體內部的固體合金加熱到一定溫度，使電能以熱能的形式儲存起來，通過智能控制系統(tǒng)，在指定的時段、以特定的溫度將熱能輸送給用熱單位。

由于是夜間廉價低谷電，蓄熱電鍋爐運行成本是傳統(tǒng)電鍋爐的1/3～1/4，屬于非常新型、環(huán)保、節(jié)能的電鍋爐?，F(xiàn)蓄熱電鍋爐已成功投入政府工程、公共建筑、工業(yè)建筑、民用建筑、農業(yè)生產等多個行業(yè)領域，在幫助運營商降低成本提高效能的同時也為政府更好的治理環(huán)境污染、開發(fā)商安全、穩(wěn)健運行提供了前提和基礎。

1.4 天然氣及瓦斯利用

燃氣鍋爐是以天然氣、瓦斯等清潔氣源作為燃料的鍋爐。氣源通過燃氣比例閥，與外部設備的鼓風機通入的空氣進行充分混合后，由燃燒頭噴射入爐膛內并點燃，達到對鍋爐的爐膽、爐管加熱的效果(爐膛中煙氣以輻射方式將熱量傳給水冷壁，在爐膛煙氣出口處以半輻射、半對流方式將熱量傳給屏式過熱器，在水平煙道和尾部煙道以對流方式傳給過熱器、再熱器、省煤氣和空氣預熱器)。通常設計多彎道燃燒室，讓燃燒的氣體在爐體內增加行程來提高熱效率[4]。

燃氣鍋爐在燃燒的過程中不會產生有害的氣體和煙塵，產生的污染物主要以NOx為主；熱效率一般能達到90%以上且使用壽命也較長。目前各地已開始著手對氮氧化物的排放濃度進行控制，特別排放限值和超低排放限值要求顯然不能作為未來長期的指導標準。截至目前，北京市已全部完成燃氣鍋爐低氮燃燒改造，氮氧化物排放濃度控制在30 mg/m3以內，排放總量削減80%；天津、河北等地也出臺了鍋爐大氣污染物排放地方標準，要求氮氧化物排放濃度控制在30 mg/m3以下。因此低氮燃氣鍋爐的建設是未來燃氣鍋爐的發(fā)展方向。

1.5 等離子煤氣化技術

我國我國能源資源的基本特點可概括為6個字：“富煤、貧油、少氣”。因此煤炭的清潔化利用也是未來的另一個發(fā)展方向。

等離子煤氣化技術是以等離子技術為依托，以等離子態(tài)下的水作為氣化劑，空氣作為熱反應劑，把煤炭轉化為氣體燃料的工藝過程。等離子氣化鍋爐主要分為造氣和燃燒兩部分。

在造氣階段，利用等離子點火器產生的等離子電弧制造高能熱環(huán)境，通入適當比例的等離子氣化劑，使原料在等離子活性狀態(tài)的熱環(huán)境中發(fā)生一系列復雜的化學反應，生成主要成分為H2、CO的可燃氣體，將氣化后的燃氣依次經過等離子體脫焦設備、微波等離子體脫硫裝置、煤氣化中的H2經過等離子體化后，與煤氣中的NO/NO2發(fā)生反應，生成N2和水。最終可燃氣體具有純度高、潔凈的優(yōu)點[5]。而燃燒過程采用等離子低氮燃燒器，可以充分穩(wěn)定燃燒。

等離子煤氣化鍋爐固硫率可達到70%以上，固塵率和熱效率均能達到95%以上，并且低氮燃燒產生的NOx含量很低，滿足特別排放限值要求。缺點是鍋爐系統(tǒng)造價高，一般企業(yè)難以一次性承受如此高昂的費用，而且隨著國家越來越嚴格的大氣污染物達標排放要求，未來仍可能面臨提標改造甚至被淘汰的風險。

2 結語

燃煤鍋爐清潔能源改造可大大減少對周邊環(huán)境的污染，使空氣質量得到明顯改善，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，還能有效利用煤礦浪費的清潔能源，節(jié)省了燃煤消耗，給企業(yè)帶來較大的經濟效益。企業(yè)應結合自身實際情況進行熱負荷計算，對不同的改造方式從建設費用、運行成本、能源替代效益、經濟效益和社會效益等方面進行核算，選擇最適合本企業(yè)的清潔能源改造方式。