新形势下煤矿暖通设计的探讨

白延斌 焦春玲 霍海红



新形势下煤矿暖通设计的探讨

白延斌1焦春玲2霍海红3

（1.中煤能源研究院有限责任公司 西安 710054；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 西安 710065；3.大唐新能电力设计有限公司 西安 710036）

介绍了最新与煤炭行业暖通相关的法律法规，分析了在新的政策与形势下，煤炭行业暖通设计发展方向。对煤矿锅炉房设计，已有锅炉脱硫脱硝系统设计分别给出了建议，对双碱法、石灰法及石灰石法等脱硫工艺的适用性进行了分析。分析了煤炭行业余热资源，对矿井乏风空气源热泵、矿井涌水利用水源热泵利用系统及煤矿井下制冷进行了设计探讨。

能源；脱硫脱硝；乏风；热泵

0 引言

2015年以来，在煤炭需求放缓、过剩产能难以消化、控制煤炭总量难度增加、国际能源价格下降等多重因素的影响下，煤炭经济运行形势急转直下，产销量下降，库存居高不下，市场价格再次出现持续下跌。《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014的2014年7月1日的实施，大量煤矿又面临着既有锅炉房供热系统的改造任务。随着国务院发布《大气污染防治行动计划》《煤炭清洁高效利用行动计划（2015-2020年）》等政策性文件的颁布实施，暖通设计在煤矿行业中起着至关重要的作用，如何做好新形势下煤矿暖通设计值得广大暖通设计师深入思考。

1 相关法律法规简绍

《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014要求新建锅炉自2014年7月1日起、10t/h以上在用蒸汽锅炉和7MW以上在用热水锅炉自2015年10月1日、10t/h及以下在用蒸汽锅炉和7MW及以下在用热水锅炉自2016年7月1日起执行[1]。

在用燃煤锅炉排放限值如下：颗粒物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，括弧中为广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省执行标准。

新建燃煤锅炉排放限值如下：颗粒物50mg/m3，二氧化硫300mg/m3，氮氧化物300mg/m3，汞及其化合物0.05mg/m3。

重点区域燃煤锅炉特别排放限值如下：颗粒物50mg/m3，二氧化硫200mg/m3，氮氧化物200mg/m3，汞及其化合物0.05mg/m3。其中本规范要求执行大气污染物特别排放限值的地域范围、时间，有国务院环境保护部主管部门或省级人民政府规定。环保部、国家发改委、财政部印发并获国务院批复的文件《重点区域大气污染防治“十二五”规划》要求，13个大气污染防治重点区域（简称“三区十群”），包括京津冀、长三角、珠三角地区，辽宁中部、山东、武汉及其周边、长株潭、成渝、海峡西岸、山西中北部、陕西关中、甘宁、新疆乌鲁木齐城市群。

国务院关于印发《大气污染防治行动计划》的通知（国发〔2013〕37号）要求“全面整治燃煤小锅炉。加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。在供热供气管网不能覆盖的地区，改用电、新能源或洁净煤，推广应用高效节能环保型锅炉。”

国家能源局关于印发《煤炭清洁高效利用行动计划（2015-2020年）》的通知（国能煤炭[2015]141号）要求“新生产和安装使用的20蒸吨/小时及以上燃煤锅炉应安装高效脱硫和高效除尘设施。20蒸吨/小时及以上燃煤锅炉应安装在线检测装置，并与当地的环保部门联网。加速淘汰落后锅炉。到2017年，地级及以上城市建成区基本淘汰10蒸吨/小时及以下的燃煤锅炉；天津市、河北省地级及以上城市建成区基本淘汰35蒸吨/小时及以下燃煤锅炉。10蒸吨/小时及以上的燃煤锅炉要开展烟气高效脱硫、除尘改造。大气污染防治重点控制区域的燃煤锅炉，要按照国家有关规定达到特别排放限值要求。开发推广工业锅炉余热、余能回收利用技术，实现余热、余能高效回收及梯级利用。到2020年，淘汰落后燃煤锅炉60万蒸吨，京津冀、长三角、珠三角等重点区域的燃煤锅炉设施，基本完成天然气、热电联供、洁净优质煤炭产品等替代；现役低效、排放不达标锅炉基本淘汰或升级改造，高效锅炉达到50%以上。”

另外各地政府机构也有应对大气污染的相应地方性政策性文件，如陕西省人民政府印发的《陕西省“治污降霾·保卫蓝天”五年行动计划（2013—2017年）》通知（陕政发〔2013〕54号）要求“通过集中供热、“煤改气”、“煤改电”等措施，加快淘汰燃煤小锅炉。各设区市、杨凌示范区、西咸新区、韩城市城市建成区禁止新建每小时20蒸吨以下的燃煤锅炉，其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。在2014年底前，西安市、咸阳市、渭南市拆除城市建成区内所有每小时20蒸吨以下燃煤锅炉；到2017年，除必要保留的外，其他地级城市拆除建成区内所有每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉。西安周边100公里范围内新安装锅炉必须使用天然气或煤制天然气、煤层气等清洁能源。热力、天然气管网覆盖不到的区域改用电、新能源或推广使用高效环保锅炉。”

2 锅炉脱硫脱硝系统

我国大气污染形势严峻，北方地区雾霾天气的与日俱增，随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，大气污染防治压力继续加大。为切实改善空气质量，目前国家相继出台了若干标准法律法规及指导文件应对保护大气环境。大多数的雾霾天气从污染物的排放来源上看，污染物来源按贡献依次是燃煤、机动车、工业源、扬尘和其它。其中燃煤污染物主要来自原煤散烧和中小锅炉排放。因此加强工业企业大气污染综合治理迫在眉睫。

对于目前煤矿来说，工业场地大部分都设置有独立锅炉房满足厂区井筒防冻、洗浴及采暖负荷需求。锅炉房规模与矿井规模有一定关系，小型矿井有设置单台锅炉运行的，同型号2～3台锅炉运行的，大型矿井及特大型矿井采用10t/h或者20t/h锅炉联合设置。其中陕蒙地区大部分矿井锅炉配置有简单的除尘系统，在新的《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014颁布前在可以满足排放要求的前提下并没有设置脱硫脱硝系统。新标准颁布实施后现有的锅炉房按照以往的设计方式运行就达不到新的环保要求，因此必须加以配套脱硫脱硝系统，并对原有锅炉需重新更换除尘系统。新设计的锅炉房则需同时设计脱硫脱硝系统。

目前烟气脱硫技术种类达几十种，按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫分为：湿法、半干法、干法三大类脱硫工艺。湿法脱硫技术较为成熟，效率高，操作简单。优点：湿法烟气脱硫技术为气液反应，反应速度快，脱硫效率高，一般均高于90%，技术成熟，适用面广。湿法脱硫技术比较成熟，生产运行安全可靠，在众多的脱硫技术中，始终占据主导地位，占脱硫总装机容量的80%以上。缺点：生成物是液体或淤渣，较难处理，设备腐蚀性严重，洗涤后烟气需再热，能耗高，占地面积大，投资和运行费用高[2,3]。

选择性催化还原（SCR）脱硝技术：SCR脱硝工艺是利用催化剂，在一定温度下（270～400℃），使烟气中的NOx与来自还原剂供应系统的氨气混合后发生选择性催化还原反应，生成氮气和水，从而减少NOx的排放量，减轻烟气对环境的污染。

SCR反应过程中使用的还原剂可以为液氨、氨水（25%NH3）或者尿素。SCR脱硝工艺系统可分为液氨储运系统（液氨为还原剂）、氨气制备和供应系统、氨/空气混合系统、氨喷射系统、烟气系统、SCR反应器系统和氨气应急处理系统等。

选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术：SNCR方法主要是将含氮的还原剂（尿素、氨水或液氨）喷入到温度为850～1100℃的烟气中，使其发生还原反应，脱除NOx，生成氮气和水。由于在一定温度范围及有氧气的情况下，含氮还原剂对NOx的还原具有选择性，同时在反应中不需要催化剂，因此称之为选择性非催化还原。SNCR系统的主要设备均采用模块化设计，主要有还原剂储存与输送模块、稀释水模块、混合计量模块、喷射模块组成。

SNCR-SCR联合工艺脱硝技术：SNCR/SCR联合工艺是将SNCR技术与SCR技术联合应用，即在炉膛上部850～1100℃的高温区内，以尿素等作为还原剂，还原剂通过计量分配和输送装置精确分配到每个喷枪，然后经过喷枪喷入炉膛，实现NOx的脱除，过量逃逸的氨随烟气进入炉后装有少量催化剂的SCR脱硝反应器，实现二次脱硝。

SNCR/SCR混合法脱硝系统主要由还原剂存储与制备、输送、计量分配、喷射系统、烟气系统、SCR脱硝催化剂及反应器、电气控制系统等几部分组成。

3 矿井余热资源利用系统

传统矿井联合工业场地或风井场地往往设计为燃煤锅炉供热，随着上述环保政策的执行，对于风井场地或者小型矿井的用热规模不大，继续采用燃煤锅炉供热不仅带了环保问题也与国家的政策相冲突。即使为了环评过关采用大锅炉供热配套相应的环保措施带来的“大马拉小车”的大能耗也是不科学甚至是不合理的。对于矿井场地有回风井的地方就可以充分利用回风的热量采用余热利用系统解决矿井全部或部分供热问题。按照2013年全国煤炭产量37亿t计算，预计全国矿井总回风量为1.26E+10m3/h，可利用热量1.5E+7kW，相当于每年生产3115万t标准煤、减少CO2排放8097万t[4-6]。目前矿井的回风大部分都是直接排入大气，热能没有很好的利用，造成了大量的热能浪费。因此科学合理的利用此部分热能将为新形势下矿井热源系统设计重点考虑的内容。矿井回风利用系统可以分为两种形式：一是回风直接利用空气源热泵系统，如图1所示。二是回风间接利用喷淋水源热泵系统，如图2所示。

图1 乏风-空气源热泵系统

图2 乏风-水源热泵系统

矿井回风利用空气源热泵系统，需要在矿井回风扩散塔上设计回风机房用来回收余热，和通风机房联建热泵机房布置热泵机组及附属设备。扩散塔上部回风机房主要布置蒸发器用来回收矿井回风余热，同时需要结合扩散塔排风功能设计合理的机房布局尽量减少对主扇阻力的增加。对于回风利用水源热泵系统需要在扩散塔排风口设计喷淋装置利用回风的热量将水换热后扩散塔下部设计集水池。此系统对于既有供热系统改造由于通风机房一次布置完毕相对较复杂，对于新设余热供热系统可以在设计之初考虑此套喷淋装置一次合理设计。再者喷淋系统若加设换热装置相对于乏风直接利用增加的阻力较大，且喷淋附件零散设备如喷头等的维护工作量也较大。若矿井回风温度不高对于陕北榆横矿区等地的回风温度采暖季普遍低于10℃，其可行性需要进一步论证。若矿井回风温度较高达到15℃以上甚至大部分时间为20℃则利用该系统可以保证供热的需求相对于空气源热泵能效也高值得设计师考虑。

随着国家环保政策的执行及地方环保标准的越来越严格，燃煤锅炉尤其是低吨位燃煤锅炉将面临淘汰部分地区已经开始逐步淘汰，对于煤矿风井场地由于自身建设规模的决定其热负荷往往小于10蒸吨以下，燃煤锅炉无法设计又需要保证供热需求的矛盾急需解决。风井场地若设置有回风井，利用矿井回风余热设计合理的供热系统是设计师必须考虑的内容之一。因此矿井余热资源利用系统将是今后设计师努力探讨的方向，以取代小吨位锅炉的建设。为环保事宜做出贡献。

4 井下制冷系统

热害是矿井的自然灾害之一，随着矿井开采深度的增加，矿井中高温高湿的热害问题变得越来越严重。随着机械化程度越来越高，由此产生的机械散热也进一步增加。矿井热害不仅影响井下作业人员的工作效率，影响矿井的经济效益，而且严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，严重影响矿山的安全[7]。《矿井降温技术规范》中规定“采掘工作面的空气温度等于或超过32℃、机电设备硐室的空气温度等于或超过34℃时，应停止作业”[8]。因此必须采取切实有效的方法对矿井的热害加以治理。当非人工制冷的降温方法对于大热负荷、热害比较突出的矿井不能解决根本问题时，就需要设计人工制冷来满足生产需要。矿井机械制冷空调系统根据热力学特点可分为压缩空气制冷矿井空调系统、制冰矿井空调系统、制冷水降温矿井空调系统。根据制冷设备放置的位置不同，又有井下集中式、地面集中式、联合式以及局部移动式空调系统[9,10]。矿井降温系统要根据矿井的实际情况以及结合不同矿井空调系统的优缺点进行选择，地面集中式降温冷损失较大，井下集中式冷凝热的排放困难，适用于冷量较小的矿井，对于超身矿井冷负荷较大的矿井宜采用制冰技术进行降温，压缩空气制冷适用于冷量较小的浅部矿井，另外高瓦斯矿井宜可采用热电冷联产空调制冷技术。另外对于选用何种系统尚需结合技术指标、经济指标进行综合考虑。此项设计也是暖通设计师在新形势下另一项设计要点与难点。

5 总结

随着时代的进步，矿井暖通设计师需要结合国家最新法律法规相关规范规程，主要从三大方面加深矿井暖通空调的设计思考：（1）既有锅炉房的脱硫脱硝除尘系统改造及新建锅炉房必须加以配套合适高效的脱硫脱硝除尘系统；（2）需要就煤矿的余热资源加以高效的利用，尤其矿井乏风余热资源的合理利用；（3）矿井热害的治理迫在眉尖，加深对矿井热害制冷系统的设计与优化。

[1] GB13271-2014,锅炉大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社,2014.

[2] 将文举.烟气脱硫脱硝技术手册[M].北京:化学工业出版社,2012.

[3] 吴安.工业锅炉烟气湿法脱硫实用技术手册[M].北京:机械工业出版社,2013.

[4] 杜春涛,朱元忠,孟国营,等.矿井回风喷淋换热器换热效率数学模型研究[J].煤炭工程,2015,47(10):104-107.

[5] 杜春涛,董志峰,孟国营,等.矿井回风喷淋换热器节水及换热效率影响因素分析[J].煤炭科学技术,2012,40(12): 80-83.

[6] 吕向阳,赵健康.水源热泵技术在矿井系统中的应用[J].节能与环保,2010,(8):43-45.

[7] 陈安国.矿井热害产生的原因、危害及防治措施[J].中国安全科学学报,2004,14(8):3-5.

[8] MT/T1136-2011,矿井降温技术规范[S].北京:煤炭工业出版社,2011.

[9] 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2016.

[10] 吴丽丽,罗新荣,李浪.矿井空调降温技术分析[J].制冷与空调,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，硕士，工程师，E-mail：BDL168168@163.com

2016-05-30