魏翠翠
上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦 江蘇徐州 221600
目前,國內(nèi)還留存著較多的小型燃煤鍋爐,而小型燃煤鍋爐環(huán)境污染和碳排放問題急需解決。在不具備市政供暖的中小企業(yè)中,采用燃煤鍋爐供暖供熱供汽是最常用的方式,而燃煤鍋爐的清潔能源改造為此提供了一種可行之路。因此,在“2030年碳達峰、2060年碳中和”時代背景下,小型燃煤鍋爐的清潔能源改造具有及其廣泛的應(yīng)用前景。
孔莊煤礦位于徐州市沛縣境內(nèi),隸屬于大屯煤電(集團)有限責(zé)任公司,占地約57萬平方米,始建于1973年10月,1977年7月1日正式投產(chǎn),設(shè)計年產(chǎn)量60萬噸,1985年達產(chǎn)。礦井于1988年開始二期工程改擴建,1992年竣工投產(chǎn),地面配套建成了年入洗能力為105萬噸的坑口選煤廠。2020年原煤產(chǎn)量144萬噸,現(xiàn)有職工4200多人,資產(chǎn)總量3.1億元。
黨的十八屆五中全會提出了全面建成小康社會的新目標(biāo),提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大新發(fā)展理念?!笆濉逼陂g,我國能源發(fā)展和改革的戰(zhàn)略導(dǎo)向主要集中在能源消費總量控制、煤炭清潔高效利用、大力發(fā)展清潔能源和能源體制改革[1]。
孔莊煤礦地處采暖區(qū),礦區(qū)內(nèi)的建筑主要包括工人新村、職工宿舍、辦公樓、洗衣房、選煤廠、食堂、浴室、坑口等功能性用房。燃煤鍋爐的供熱用戶根據(jù)用熱性質(zhì)可以分為兩種類型,分別為蒸汽和熱水兩種類型。蒸汽需求主要包括井筒保溫、坑口采暖的生產(chǎn)用汽;浴室、食堂、辦公樓、洗衣房等場所的生活用汽。采暖熱水需求主要為:工房職工室內(nèi)建筑采暖,礦內(nèi)辦公室內(nèi)建筑采暖。具體各用熱負(fù)荷參數(shù)見表1。
表1 孔莊煤礦用熱負(fù)荷參數(shù)表
本項目實施單位孔莊煤礦共有五臺10噸燃煤鍋爐,其中三臺蒸汽鍋爐,兩臺熱水鍋爐,具體鍋爐參數(shù)見表2。
表2 孔莊煤礦燃煤鍋爐設(shè)備參數(shù)表
供熱工程作為基礎(chǔ)配套的重要組成部分,對礦區(qū)生產(chǎn)、生活起到重要的輔助作用。隨著國家對燃煤鍋爐環(huán)保要求提高以及煤炭削減目標(biāo)的規(guī)劃,現(xiàn)狀鍋爐已經(jīng)無法滿足要求,為保證礦區(qū)內(nèi)正常的用汽、用熱水需求,同時增加設(shè)備的效率、降低管網(wǎng)的輸送熱損失,對礦區(qū)鍋爐房進行清潔替代改造,鍋爐房清潔替代既滿足近期的供暖要求,又充分兼顧礦區(qū)未來發(fā)展的需要。鍋爐房改造后,能夠解決礦區(qū)的采暖需求,提高居民生活水平,減少煤炭資源消耗、提高設(shè)備效率,降低熱損失,環(huán)保和社會效益明顯[2]。
(1)現(xiàn)狀燃煤鍋爐為10t/h鏈條爐,熱效率低下,脫硫除塵等環(huán)保設(shè)施落后,采用麻石水膜脫硫除塵,未設(shè)置脫硝設(shè)施,已經(jīng)被沛縣環(huán)保局列入2017年必須改造關(guān)停的名單;
(2)孔莊礦距離城市集中供熱管網(wǎng)約5km,現(xiàn)狀為自備燃煤鍋爐房供熱。礦區(qū)供熱管道根據(jù)功能需求,分為蒸汽管網(wǎng)和熱水管網(wǎng),蒸汽管網(wǎng)主要滿足礦區(qū)坑口采暖、洗浴、餐廳蒸煮和辦公樓采暖/制冷等用汽點的用汽需求,熱水管網(wǎng)主要滿足生活區(qū)的居民采暖需求。礦區(qū)供熱管網(wǎng)普遍存在老舊、熱損嚴(yán)重,管網(wǎng)布局不合理等缺陷。隨著礦區(qū)的建設(shè),鍋爐將出力不足?,F(xiàn)狀熱源已無法滿足用戶的需求,。
(3)礦區(qū)內(nèi)存在用汽、用熱水需求,坑口、礦工洗浴、職工居住區(qū)、辦公樓等建筑冬季均有用熱需求,一旦現(xiàn)有鍋爐房拆除后,用汽、用熱水將無法保證,迫切需要進行相應(yīng)的替代改造。
3.1.1 燃?xì)忮仩t的類型
(1)燃?xì)庹羝仩t工藝。燃?xì)庹羝仩t是用天然氣、液化氣、城市煤氣等氣體燃料作燃料,在爐內(nèi)燃燒放出來的熱量,加熱鍋內(nèi)給水,并使其汽化成蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備[1]。水在鍋(鍋筒)中不斷被爐里氣體燃料燃燒釋放出來的能量加熱,溫度升高并產(chǎn)生帶壓蒸汽,由于水的沸點隨壓力的升高而升高,鍋是密封的,水蒸氣在里面的膨脹受到限制而產(chǎn)生壓力形成熱動力(嚴(yán)格的說鍋爐的水蒸氣是水在鍋筒中定壓加熱至飽和水再汽化形成的)作為一種能源廣泛使用[3]。
(2)燃?xì)鉄崴仩t工藝。燃?xì)鉄崴仩t是用天然氣、液化氣、城市煤氣等氣體燃料作燃料,在爐內(nèi)燃燒放出來的熱量,加熱鍋內(nèi)的水,最高溫度只達到85攝氏度。水在鍋(鍋筒)中不斷被爐里氣體燃料燃燒釋放出來的能量加熱,溫度升高,鍋爐內(nèi)被加熱的爐水被循環(huán)泵不斷的循環(huán)后加熱,低溫度的水進入鍋筒,高溫水循環(huán)出鍋筒,直至設(shè)定溫度。
3.1.2 燃煤鍋爐改為天然氣鍋爐的可行性分析
燃煤鍋爐改為天然氣鍋爐時,可保留現(xiàn)狀所有的供熱管網(wǎng),只對鍋爐房進行改造。按照用熱、用汽量設(shè)計選型設(shè)備機組,燃煤鍋爐全部改為燃?xì)忮仩t。對現(xiàn)有的工藝蒸汽負(fù)荷進行整合,主要滿足浴室、坑口、礦內(nèi)暖氣的汽水換熱、中央空調(diào),去掉食堂、洗衣房的蒸汽使用,改為電炊具、電烘干機。設(shè)備投入明細(xì)見表3。
表3 設(shè)備投入明細(xì)
3.2.1 市政集中供熱概述
由市政供熱管路沿道路敷設(shè)直接引入礦區(qū),通過現(xiàn)狀熱水供熱管網(wǎng)分散至各用戶側(cè),取消工業(yè)廣場采暖汽-水換熱器。采用市政集中供熱方案后,需要新增供熱管道,且施工涉及道路施工等事項。
3.2.2 市政集中供熱特點
(1)充分采用城市集中供熱,發(fā)揮了集中供熱在節(jié)能、環(huán)保、運行各方面的優(yōu)勢。能替代眾多分散的小鍋爐,有效的減少了煙塵、氧化硫、氧氮化合物的排放量,減輕大氣污染,改善城市環(huán)境衛(wèi)生。無易燃易爆,無有毒成分室內(nèi)無污染,無異味,無噪音。
(2)采用集中供熱系統(tǒng)簡單,只需對換熱站稍微改造即可,但周期長,施工不方便,存在與用電、用天然氣、規(guī)劃局、交通局、電信等主管部門的溝通交涉,施工中要開挖主要市區(qū)公路,難度大。
(3)只能解決礦內(nèi)供暖,無法解決礦內(nèi)生活用汽問題,職工無法洗澡,中央空調(diào)無法開機,坑口無法供暖等問題。需要額外增加投入供汽設(shè)備配合,才能即解決供暖和供汽的雙重問題[4]。
(4)集中供熱管路建成之后,運行費用低,運行管理方便,省去礦內(nèi)熱水鍋爐的運行及投入,且供熱效果能夠保證。
(1)小型燃煤鍋爐尤其是10噸以下的燃煤鍋爐,熱效率低、污染物排放不滿足國家標(biāo)準(zhǔn),不具備鍋爐本體的超低排放改造條件,在燃煤鍋爐本體上進行改造意義不大。
(2)燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t,降低了職工勞動強度,改善了生產(chǎn)環(huán)境:提高了鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn),環(huán)保性能較好。
(3)采用集中供熱建造費用價格高昂,涉及到市政統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè),難以統(tǒng)一施工,周期較長,且市政集中供熱,不能解決礦內(nèi)蒸汽用汽、職工浴室等問題。
(4)燃煤鍋爐改造燃?xì)忮仩t也存在一定的缺點,比如天然氣使用量較大,氣源供應(yīng)不穩(wěn)定,且天然氣易燃易爆,有毒,在使用過程中要特殊防護。
根據(jù)孔莊煤礦現(xiàn)狀綜合考慮,最終方案定為天然氣鍋爐替代方案。三期建設(shè)一棟新鍋爐房安裝兩臺4t鍋爐,配套了水處理設(shè)備,供水供氣管路,老鍋爐原址安裝一臺10t燃?xì)庹羝仩t、一臺7WM燃?xì)鉄崴仩t。
5.1.1 燃?xì)忮仩t選型見表4
表4 燃?xì)忮仩t選型
5.1.2 結(jié)構(gòu)形式與總體布置
燃?xì)庹羝仩t為臥式內(nèi)燃三回程濕背式火管快裝鍋爐,尾部設(shè)置省煤器、冷凝器以降低排煙溫度。鍋爐本體主要有鍋筒、波紋爐膽、回燃室、二組煙管、檢查孔圈、前后煙箱和防爆門等組成,爐膽、回燃室、煙管、檢查孔圈均安裝在鍋殼內(nèi),并完全浸沒在爐水中。
煙氣流程:爐膽→回燃室→第一組煙管→前煙箱→第二組煙管→后煙箱→省煤器→冷凝器→煙囪,煙氣呈S形流動。
鍋爐投入使用后,運行平穩(wěn),無故障。特別是啟、停爐操作,實現(xiàn)了智能化。
(1)鍋爐實現(xiàn)全自動智能化運行,操作簡單,減少人員配置,節(jié)約了人力運行成本。
(2)鍋爐運行噪聲低,排放的煙氣黑度≤1級(林格曼),NOX排放濃度≤30mg/Nm3,顆粒物≤5mg/m3,二氧化硫:≤10mg/m3,遠(yuǎn)低于環(huán)保要求。
(3)維修方便,每年節(jié)約維修費用近100萬元。
(4)供暖季節(jié)可根據(jù)天氣氣溫及用戶需求隨時調(diào)節(jié)蒸汽量,節(jié)約燃?xì)庀牧俊?/p>
(5)對水處理系統(tǒng)要求高,需保證給水符合規(guī)定,防止鍋爐受熱面結(jié)垢。
通過以上分析,煤礦燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t是可行的,能夠滿足礦井的供熱、供汽需求,解決生產(chǎn)、生活用汽。相對于燃煤鍋爐雖然生產(chǎn)成本有一定上升,但是解決燃煤鍋爐污染環(huán)境的問題,降低了職工勞動強度和生產(chǎn)環(huán)境。同時燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t符合國家節(jié)能環(huán)保政策的要求,實現(xiàn)清潔能源的替代,項目實施后,每年節(jié)約標(biāo)煤626噸,減少向環(huán)境排放煙塵0.33噸、二氧化硫0.88噸、氮氧化物8.44噸、煤渣(粉煤灰)165.76噸,減少煙塵排放量和S02排放量和灰塵排放量,廢水基本實現(xiàn)零排放,灰渣、噪聲均得到了有效治理,為保護環(huán)境作出了積極的貢獻,項目實施后累每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為7461噸標(biāo)準(zhǔn)煤。具有較高的推廣和應(yīng)用意義。