矿井供热热源选择及可再生能源利用对比分析

2019-06-22白延斌

煤炭工程 2019年6期

白延斌

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西西安 710054；2.中国科学技术大学，安徽合肥 230000)

根据《BP世界能源统计年鉴》(2018年版)表明，2017年全球能源需求增长2.2%，煤炭消费量自2013年以来首次出现反弹[1]。中国能源消费量增长了3.1%，连续第17年居能源增量之首。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，众多煤矿企业面临现有热源淘汰与替换任务。由于大部分矿井企业在建设期初建设的热源为燃煤锅炉供热，该热源主要负担工矿厂区四季洗浴用热及冬季井口防冻用热与供暖用热需求，且吨位4t/h、6t/h、10t/h及20t/h规模层次不同，但都是以小规模建设为主。以往20t/h规模锅炉房与现有环保政策不符，属于明确禁止运行及限期淘汰范围内。近期京津冀地区、安徽地区、陕西及内蒙古等地区先后出台相应的大气污染防治条例及各种治霾行动方案等文件，无一例外的要求限期整改现有锅炉供热，提出使用可再生能源及新能源替代方案。因此矿井供热面临新热源的建设选择问题，目前适合矿井的热源有燃气锅炉供热方案、燃煤锅炉供热方案、蓄热电锅炉供热方案、太阳能供热方案、空压机余热供热方案及矿井乏风余热利用供热等，本文将分别分析探讨其建设内容及优缺点。

1 传统热源的选择

1.1 燃气锅炉供热

天然气锅炉的使用与燃煤锅炉相比其有害物质排放二氧化碳减少58%，二氧化硫减少99.99%；氮氧化合物减少81%；颗粒物减少95%；炉渣及废水减少100%。使用燃气能源是实现环保政策最有效措施之一。使用天然气蒸汽锅炉与相同吨位燃煤锅炉还可以取得良好的环境效益和一定的经济效益。

使用燃气锅炉替代现有热源首要问题是解决燃气气源供应问题。目前通常一是由专业液化天然气公司建立LNG液化气站，二是由地方燃气公司为矿井敷设专用燃气管道。在气源可以保证的情况下，供气企业通常倾向免费为业主安装天然气锅炉设施，后期计量收费。因此天然气热源的建设通常是按照零费用建设考虑。按照当量1t/h蒸汽供热量考虑，天然气热值按照8600kcal计算，每吨蒸汽消耗燃气量按照80Nm3计，天然气价格采用3.5元/Nm3，通过计算表明天然气热源供热供应当量1t蒸汽消耗热源费用为280元/t。

1.2 燃煤锅炉供热

根据国家及地方相关政府文件精神，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。分散燃煤小锅炉热效率低，平均运行热效率仅50%左右，不满足节能减排、建设资源节约型社会的要求且燃煤小锅炉没有配套建设高效除尘脱硫脱销系统，达不到环保排放标准，严重污染空气环境，燃煤锅炉在使用过程中排放大量的烟尘、二氧化硫等污染物质，是形成大气中PM2.5的重要成分，也是雾霾天气的重要诱因。

因此矿区内各矿井在现有锅炉拆除情况下，若继续使用低成本燃煤锅炉方式供热，则必须建设两台蒸发量至少为25t/h的蒸汽锅炉，以满足矿井供热需求及目前相关规定。当然对于部分地区执行较国家更为严格的规定禁止新建35t/h的锅炉则需要进一步增加锅炉建设容量。在满足现行国家要求及规范的基础上新建燃煤锅炉供热必须配套建设脱硫脱硝措施。典型锅炉供热流程如图1所示。通常设计锅炉的烟气除尘采用布袋除尘器，除尘效率>99%，烟尘的排放浓度不超过30mg/m3。锅炉选择氧化镁湿法脱硫系统，设计脱硫效率85%以上，确保烟气SO2的排放浓度不超过200mg/m3。设计脱硝效率80%以上，确保NOx的排放浓度不超过200mg/m3。建设配套2×25t/h锅炉房，建设费用约为3500万有左右，运行消耗燃料费用按照煤的热值5500kcal计算，锅炉效率按照80%计，当量蒸汽耗煤量为125kg/h，煤价按照600元/t考虑，计算得知燃煤锅炉热源供热供应当量1t蒸汽消耗热源费用为75元/t。若考虑建设费用成本摊销，按照15年折旧摊销考虑，供应当量1t蒸汽摊销费用为5元/t。则考虑建设费用摊销后蒸汽消耗热源费用为80元/t。

1.3 蓄热电锅炉热源

对于矿区等用热集中且负荷较大的场所使用纯电加热锅炉是规范所不容许的，只有在符合国家电力政策的前提下，利用峰谷电价采用熔盐储能电锅炉来保障热源供应。目前的相变储能电锅炉系统中使用的熔盐储能在工业低谷电费极低时，将电能转化成热能储存在储能箱中，在全天24h能够稳定供应热能及电能转化和能量储存，可满足全天矿区热力供应。

熔盐蓄热供汽系统由熔盐储罐、熔盐泵、电加热器、管道混合器、换热器、除氧器和各种水泵以及管道阀门等组成。系统工作原理如图2所示，系统工作流程如图3所示。

图2 熔盐蓄热原理图

蓄热电锅炉采用熔盐蓄热的优势有：①系统简单可靠，实施方便。10kV高压无需变压，直接接入固体蓄热本体；②清洁低碳环保，10kV高压大型蓄热式电锅炉，在使用过程中无任何废水、废气、废渣产生，没有二氧化碳排放，是低碳经济时代绿色环保供暖的首选设备；③平衡优化电网：10KV高压大型蓄热式电锅炉，利用电网低谷电储热，平衡电网消峰填谷的作用显著。低谷电价越低，运行成本越低；④电能通过发热介质，转换为热能，储存于850℃高温蓄热介质中，瞬时耐高温达1200℃，极佳的绝缘性能具有更高的可靠性和安全性。

其缺点为：①需取得供电部门政策支持，落实谷电电价。若峰谷电价差不明显，系统运行能耗高，无低谷电价时是传统供热能耗的3～4倍，存在低谷电价为峰价的1/3左右时，运行能耗与传统供热能耗相当；②需要现场具备多余电负荷容量，否则需要改造现有电网投资增加；③设备投资额较大，同样替代两台6t/h锅炉，该系统需要3000万投资额；④当介质温度低于150℃时会导致熔盐液体凝固导致整个系统报废，所以熔盐罐需要常年保温，保温所需的耗能量也较大。。

由于电供热锅炉热源没有吨位限制要求，因此可以根据现场实际负荷灵活配置，但其建设成本较大，2台6t/h锅炉成本达到3000万，随着锅炉规模的增加建设成本成倍增加。考虑其主要靠谷电蓄热，因此计算其电源使用成本按照谷价0.3元/(kW·h)计算。计算得知蓄热锅炉热源供热供应当量1t蒸汽消耗热源费用为215元/t。若考虑建设费用成本摊销，按照15年折旧摊销考虑，供应当量1t蒸汽摊销费用为19元/t。则考虑建设费用摊销后蒸汽消耗热源费用为234元/t。

2 可再生能源供热

2.1 太阳能供热热源

太阳能利用目前主要有两个方面应用：一是利用太阳能辅助空气源热泵或者电加热器制备洗浴水；二是太阳能辅助燃气壁挂炉使用地板辐射采暖系统。太阳能集热器的基本工作原理：阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的工质。这样，从集热器底部入口的冷工质，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热工质，带着有用的热能从集热器的上端出口，蓄入贮水箱中待用，即为有用能量收益。与此同时，由于吸热体温度升高，通过透明盖板和外壳向环境散失热量，构成平板太阳集热器的各种热损失。

太阳能供热优点：①高效节能，最大效率的利用太阳能量可节约能源成本40%～60%以上，运行成本大大降低；②绿色环保，采用了太阳能洁净绿色能源，避免了矿物质燃料对环境的污染，为用户提供干净舒适的生活空间；③智能控制，系统采用了智能化控制技术，自行控制，最佳经济运行，可设置全天候供应热水，使用非常方便；④能源互补，阴雨天气使用空气源热泵或者其他热源通过太阳能换热器自动切换，无需人工调节。

太阳能供热缺点：①太阳辐射受气候和时间的支配，太阳能不能成为连续、稳定的能源；②必须与辅助热源配套使用，气候变化或阴雨天等没有日照时，太阳能不能成为独立的能源；③建筑物表面或旁边有足够大的面积摆放集热器。

由于太阳能的局限性及不稳定性，在矿区做不到完全替代现有热源的程度，其主要用来补充热源或者制备矿区洗浴水。目前市场中太阳能供应洗浴热水建设成本为供应当量1t热水7000元左右。

2.2 空压机余热热源

矿井在开采中都配置有空压机系统，满足采用空气需求。螺杆空气压缩机在连续运行过程中，压缩空气和压缩机腔内的润滑油混合成油气，一起排入油气分离器。这部分油气的热量相当于空压机输入功率的100%，它的温度通常在80℃(冬季)～100℃(夏秋季)。螺杆空压机余热回收系统，就是通过外置余热回收设备，把空压机润滑油的冷却热，回收用于加热洗浴热水或采暖循环水。空压机润滑油的冷却热，占到空压机输入电功的70%～75%。运行原理如图4所示。

图4 空压机余热利用供热系统原理图

空压机余热回收系统的优点为：①安全、卫生、方便；②提高空压机的运行效率，实现空压机的经济运转；③全自动控制系统，无需人为操作，控制系统会根据热水温度、热水箱水位的情况做出判断，自行决定换热方式；④运行费用低。系统仅有循环水泵能耗无其他任何耗能设备。

其缺点为：①矿区洗浴等负荷往往具有间断性、不稳定性，而空压机一般是连续运行的，所以回收空压机余热供洗浴的系统，必须配置一定容量的热水箱，方便在洗浴低谷时段蓄存热水；②空压机与余热回收系统，必须一对一配置，这造成备用空压机余热回收系统闲置；③余热回收系统与空压机的运行工况密切相关，空压机非满载运行加热时间需要延长，影响持续供热。

同样由于受到空压机配置功率的限制，空压机余热回收系统供热通常用于矿区洗浴用水制备，做不到完全替代现有热源。但空压机余热回收系统节能效果较好，因此与其余供热热源系统联合实施，降低热源规模，节省运行费用。由于其利用空压机余热系统因此其一次能源直接消耗费用为零。空压机余热利用系统主要建设内容为空压机油路改造及换热器与辅助水循环系统建设，建设内容简单，期间费用根据空压机功率大约在30～50万/台范围内。其运行费用主要为循环水泵系统运行能耗，目前根据笔者调研掌握的运行能耗数据为0.3～0.4元/t热水。

2.3 乏风余热利用供热热源

矿井通风系统是矿产企业安全生产的重要保障，对矿井采掘工作面进行通风就会有大量回风产生。空气经过地下巷道时与巷道围岩发生热湿交换，再加上空气自压缩放热、井下设备、涌水等热源散热等都排入回风中，使得回风中蕴含着大量可利用的热量。当矿井空气流经采掘工作面及井下工作硐室以后其空气中往往含有瓦斯及其它有害气体使其成分与进入矿井的新鲜空气不同，将其回风风流成为矿井乏风[2-4]。乏风是一种潜力巨大且清洁的余热资源，温度全年维持在25℃左右，可结合热泵技术充分利用其显热。热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，以消耗少量电能为代价，能将大量不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能的装置。目前乏风利用有二种不同方式[5-7]。

1)喷淋取热。喷淋取热分为开式与闭式，开式系统利用喷淋换热装置高效回收乏风气流中的显热，乏风气流与换热介质进行热量传递，将乏风携带的显热热量交换给换热介质，换热介质作为水源热泵供热系统中的低温热源。闭式系统主要为闭式换热器取热，通过乏风与闭式换热器内部循环溶液换热，循环溶液作为水源热泵供热系统中的低温热源。

2)直蒸取热。将热泵机组蒸发器做成模块式直接布置在扩散塔出风口取热，热泵机组就近布置。

2.3.1 喷淋取热

喷淋热回收系统主要由回风换热装置、热泵机组，动力装置、集水池、除污装置及附件组成，如图5所示。在矿井喷淋热回收技术中，由换热器和改建后的扩散塔共同组成的换热装置。其核心装置是回风换热装置，回风通过加压风机压入扩散塔内，扩散塔侧面加设回风导流器，从而使矿井回风转变为低速、均匀的稳定气流，在热交换区气流与高度雾化的水滴充分接触，从而完成气水之间的热湿交换[7，8]。冬季工况下循环水吸取回风中的余热，然后将矿井回风全部导入回风换热器内，最后通过挡水板排至室外。进行热湿交换后的喷淋水进入汇水池，然后通过除污装置进入热泵机组，之后再由循环泵输送至换热器进行换热。通过将喷淋热回收系统与水源热泵系统相结合，回收矿井回风中蕴含的低温热能，这种矿井喷淋热回收技术是近年来国内发展起来的新型乏风热回收技术。

图5 喷淋取热原理图

乏风喷淋换热优点包括：①高效节能，系统能效能够达到4.0，用乏风喷淋换热制取的热水和温水一年四季温度相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源，另外由于水体温度较恒定，使得热泵机组运行更稳定可靠，也保证了系统的高效性和经济性，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题；②绿色环保，热泵系统使用的能源为电能和大量环境低温热能，从根本上杜绝了烟气及废弃物的排放；③一机多用，一套设备不仅能提供生活热水，又能供热制冷，大大简化了设备及工程量；④除尘降噪，对回风中的粉尘及污染物也有去除作用，而且在一定程度上还可以降低回风因为风机运行震动等引起的噪音，回风换热器增加阻力80Pa以下，通风阻力小，对风机影响极小，降低风井排风的噪音可达30dB(A)；⑤自动控制，系统的自动控制采用集散控制系统，利用上位监控系统集中对热泵机房、井口机房等分散系统进行监视、控制，多台压缩机并联，调节特性好，并能保证每台压缩机在最高效率点工作。能源监控先进，用户可用随时了解系统运行情况，便于节能调整。

缺点包括：①输送能耗较传统高，该系统需要配置一套喷淋换热泵，一套循环取热泵，一套循环供热泵；三套循环泵系统较常规系统多一套循环取热泵系统循环能耗高；②水质要求高，喷淋换热设备通过喷嘴喷淋与乏风直接接触换热，若系统软化水处理系统运行不正常会产生喷嘴阻塞问题，影响换热效率，增加检修工作量；③单热源，该热泵系统只考虑解决供热问题，若同时考虑解决地面用冷，需要选用双工况机组及配置冷却塔，与现有的热害制冷站没有协同考虑一体化建设，地面两套机械制冷/制热机组，重复投资；④积水清淤问题，乏风中含有大量颗粒粉尘污染物，通过喷淋换热设备沉积在下部设置水池，需要根据现场积淤与水质情况，定期人工清淤，及水面粉尘颗粒物；⑤热水温度低改造内容多：系统无法提供60℃以上的高温水，水温在50～55℃运行时为最佳工况，需要改造现有供热管网及末端用热设备，才能达到最佳效果。需要在现有扩散塔扩建喷淋换热设备，室外管网需与空气加热设备需要进行校核改造。

2.3.2 直蒸取热

真蒸式取热，即将热泵机组的蒸发器做成现成模块直接布置于矿井回风扩散塔出风口处，回收热量。通过蒸发器内冷媒直接循环来制取热水。相比于喷淋式取热节约了一套取热泵布置，增加了冷媒管路布置，同时增加了压缩机耗功，其原理如图6所示。

图6 直蒸取热原理图

乏风直蒸取热优点包括[9，10]：①高效节能：1kW·h 电的投入，可以产生相当于4kW·h 电的热量，与直接电热方法相比节约电量75%，与传统的燃煤、燃油锅炉相比，节约50%～65% 的能耗，降低了运行成本，乏风温度波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源，热泵机组运行更稳定可靠，也保证了空气源热泵系统的高效性和经济性，不需要建设喷淋换热设备；②绿色环保：热泵系统使用的能源为电能和大量环境低温热能，从根本上杜绝了烟气及废弃物的排放，供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪声及霉菌污染，不产生任何废渣、废水、废气和烟尘；③输送能耗低，相比与喷淋换热只需要循环供热泵系统，取消两套循环泵系统；④适用范围广，在乏风温度较低时，通常8℃以下也可以提取热量；⑤自动控制，系统的自动控制采用集散控制系统，利用上位监控系统集中对热泵机房、井口机房等分散系统进行监视、控制；⑥多台压缩机并联，调节特性好，并能保证每台压缩机在最高效率点工作。能源监控先进，用户可用随时了解系统运行情况，便于节能调整。

缺点包括：①风阻较高，直接蒸发取热需要将蒸发器直接布置于扩散塔上部，系统通风阻力需要增加150～200Pa；②设备体积大，直接蒸发取热需要热泵机组与乏风取热器距离不能过大，需要热泵机房与扩散塔联建，土建工程量较大；③单热源，该系统只能供热，无法供冷。且冬季温度较低时易出现结霜问题，供热可靠度降低；④清洗问题，蒸发器为翅片环绕式铜管换热器，矿井乏风粉尘等污染物容易堵塞换热器，需要定期清洗；⑤热水温度低改造内容多，系统无法提供60℃以上的高温水，水温在50～55℃运行时为最佳工况，需要改造现有供热管网及末端用热设备，才能达到最佳效果，需要在现有扩散塔扩建喷淋换热设备，室外管网需与空气加热设备需要进行校核改造；⑥检修难度大，铜管换热器露损后需要现场焊接或整体更换模块；⑦投资高，相对喷淋换热初投资较高。

3 直接燃料能耗分析

通过对上述各种不同热源分析，由于不同热源供热温度不相同，为便于统计分析，将不同热源供热量统一假设为700kW。热源的主要的能耗为其直接燃烧燃料能耗，由于不同热源循环系统能耗不同，对不同热源的循环系统能耗不计，通过对比不同热源直接燃料能耗列于表1。表中蓄热电锅效率按照98%计算，其余按照90%计算，折算价格按照市场价综合考虑，最后计算给出直接能耗的折算的费用成本，分别给出折合供应每吨蒸汽所消耗的直接成本及供应每立方米热水所消耗的直接成本。从表1中可以看出太阳能与空压机余热直接耗能为零，燃气锅炉直接耗能最高，蓄热电锅炉与热泵供热次之，燃煤锅炉直接耗能最少。