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(guó)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(wèn)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(dá)峰、2060年碳中和”時(shí)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。

1 孔莊煤礦燃煤鍋爐改造的背景和意義

孔莊煤礦位于徐州市沛縣境內(nèi)，隸屬于大屯煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，占地約57萬(wàn)平方米，始建于1973年10月，1977年7月1日正式投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量60萬(wàn)噸，1985年達(dá)產(chǎn)。礦井于1988年開(kāi)始二期工程改擴(kuò)建，1992年竣工投產(chǎn)，地面配套建成了年入洗能力為105萬(wàn)噸的坑口選煤廠。2020年原煤產(chǎn)量144萬(wàn)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(huì)提出了全面建成小康社會(huì)的新目標(biāo)，提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”五大新發(fā)展理念?！笆濉逼陂g，我國(guó)能源發(fā)展和改革的戰(zhàn)略導(dǎo)向主要集中在能源消費(fèi)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]。

2 孔莊煤礦供熱系統(tǒng)

2.1 供熱負(fù)荷情況

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(lèi)型，分別為蒸汽和熱水兩種類(lèi)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(chǎng)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(jiàn)表1。

表1 孔莊煤礦用熱負(fù)荷參數(shù)表

2.2 熱源供應(yīng)現(xiàn)狀

本項(xiàng)目實(shí)施單位孔莊煤礦共有五臺(tái)10噸燃煤鍋爐，其中三臺(tái)蒸汽鍋爐，兩臺(tái)熱水鍋爐，具體鍋爐參數(shù)見(jiàn)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(duì)礦區(qū)生產(chǎn)、生活起到重要的輔助作用。隨著國(guó)家對(duì)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(wú)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(shí)增加設(shè)備的效率、降低管網(wǎng)的輸送熱損失，對(duì)礦區(qū)鍋爐房進(jìn)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(lái)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(huì)效益明顯[2]。

2.3 燃煤鍋爐改造的必要性

（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(diǎn)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。現(xiàn)狀熱源已無(wú)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(wú)法保證，迫切需要進(jìn)行相應(yīng)的替代改造。

3 燃煤鍋爐的改造

3.1 燃煤鍋爐改天然氣鍋爐

3.1.1 燃?xì)忮仩t的類(lèi)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(lái)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(lái)的能量加熱，溫度升高并產(chǎn)生帶壓蒸汽，由于水的沸點(diǎn)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(dòng)力（嚴(yán)格的說(shuō)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(lái)的熱量，加熱鍋內(nèi)的水，最高溫度只達(dá)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(lái)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(jìn)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(shí)，可保留現(xiàn)狀所有的供熱管網(wǎng)，只對(duì)鍋爐房進(jìn)行改造。按照用熱、用汽量設(shè)計(jì)選型設(shè)備機(jī)組，燃煤鍋爐全部改為燃?xì)忮仩t。對(duì)現(xiàn)有的工藝蒸汽負(fù)荷進(jìn)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(jī)。設(shè)備投入明細(xì)見(jiàn)表3。

表3 設(shè)備投入明細(xì)

3.2 采用市政集中供熱

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(guò)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(chǎng)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(xiàng)。

3.2.2 市政集中供熱特點(diǎn)

（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(yùn)行各方面的優(yōu)勢(shì)。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(wú)易燃易爆，無(wú)有毒成分室內(nèi)無(wú)污染，無(wú)異味，無(wú)噪音。

（2）采用集中供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)單，只需對(duì)換熱站稍微改造即可，但周期長(zhǎng)，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(mén)的溝通交涉，施工中要開(kāi)挖主要市區(qū)公路，難度大。

（3）只能解決礦內(nèi)供暖，無(wú)法解決礦內(nèi)生活用汽問(wèn)題，職工無(wú)法洗澡，中央空調(diào)無(wú)法開(kāi)機(jī)，坑口無(wú)法供暖等問(wèn)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(wèn)題[4]。

（4）集中供熱管路建成之后，運(yùn)行費(fèi)用低，運(yùn)行管理方便，省去礦內(nèi)熱水鍋爐的運(yùn)行及投入，且供熱效果能夠保證。

4 方案分析

（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(guó)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(jìn)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(dòng)強(qiáng)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(fèi)用價(jià)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(zhǎng)，且市政集中供熱，不能解決礦內(nèi)蒸汽用汽、職工浴室等問(wèn)題。

（4）燃煤鍋爐改造燃?xì)忮仩t也存在一定的缺點(diǎn)，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(guò)程中要特殊防護(hù)。

5 方案實(shí)施及應(yīng)用

5.1 方案實(shí)施

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(tái)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(tái)10t燃?xì)庹羝仩t、一臺(tái)7WM燃?xì)鉄崴仩t。

5.1.1 燃?xì)忮仩t選型見(jiàn)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(mén)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(méi)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(dòng)。

5.2 項(xiàng)目應(yīng)用后的優(yōu)缺點(diǎn)

鍋爐投入使用后，運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)故障。特別是啟、停爐操作，實(shí)現(xiàn)了智能化。

（1）鍋爐實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能化運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單，減少人員配置，節(jié)約了人力運(yùn)行成本。

（2）鍋爐運(yùn)行噪聲低，排放的煙氣黑度≤1級(jí)（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(fèi)用近100萬(wàn)元。

（4）供暖季節(jié)可根據(jù)天氣氣溫及用戶需求隨時(shí)調(diào)節(jié)蒸汽量，節(jié)約燃?xì)庀牧俊?/p>

（5）對(duì)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。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(duì)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(wèn)題，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策的要求，實(shí)現(xiàn)清潔能源的替代，項(xiàng)目實(shí)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(shí)現(xiàn)零排放，灰渣、噪聲均得到了有效治理，為保護(hù)環(huán)境作出了積極的貢獻(xiàn)，項(xiàng)目實(shí)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。