清洁能源替代燃煤锅炉的实践和思考

王力力

（开滦集团唐山矿业公司河北唐山063000）

清洁能源替代燃煤锅炉的实践和思考

王力力

（开滦集团唐山矿业公司河北唐山063000）

本文通过对煤矿矿井排水、瓦斯发电、空压机散热、井下排风等可利用余热资源的分析计算，论证了利用低温余热资源和清洁能源替代燃煤锅炉用于矿区供暖和职工洗浴的可行性；通过改造实践证明了合理利用清洁能源和余热资源，热源稳定可靠，自动化程度高运行费用低，实现了煤矿企业产煤不用煤，环境保护意义重大，社会效益显著。

清洁能源；余热；替代；燃煤锅炉；实践

1　引言

唐山矿位于唐山市中心区域，工业广场厂房公建及井口供暖、职工洗浴由4台10蒸吨燃煤锅炉提供热量。该锅炉房平均用煤量为1.9×104t/a，即使在安装了高效脱硫除尘设施、完全满足排放要求情况下，每台锅炉每年排放二氧化硫9.2t、氮氧化物21.6t、烟尘2.1t，污染物排放不仅造成空气污染，而因排放污染物所须缴纳的排污费对企业来说也是一笔不小的负担。

近年唐山市政府下大力量整治城市污染，建成区范围内取消燃煤锅炉是大势所趋。唐山矿燃煤锅炉房坐落在对周围环境要求极高的唐山市大南湖生态圈，与风景区整体规划景观不协调。因此淘汰燃煤锅炉，使用清洁能源解决厂区供暖及职工洗浴问题，是政府节能减排和企业降本提效的双重需要。

2　清洁能源和余热资源利用技术及应用

2.1清洁能源

随着经济的发展和环保要求的提高，越来越多的清洁能源投入使用。目前替代燃煤的清洁能源主要有天然气、电力、轻柴油、液化石油气和太阳能等，就目前形势看，天然气、电力资源因其热转换效率高、转换速度快，系统简单可靠，应用比重不断提高。在清洁能源替代选择中需要综合本单位的用能现状、负荷特点以及制约因素影响，按照安全性、可靠性、经济性、投入产出比等因素考虑替代可行性并确定方案，以达到投资与运行成本最佳配置。

2.2余热资源

工矿企业用能设备在生产过程中排放的高温废气余热、冷却介质余热、废水污水余热等低品位能源，通过余热回收利用技术可为企业提供生产、生活用热。煤矿企业的矿井排风、井下排水、瓦斯发电、高耗能设备如空压机散热均属于低温可以利用余热资源，利用热泵装置将这些不同形式的余热提取回收，替代燃煤锅炉用于矿区建筑供暖以及工业生活用热水，实践证明：余热提取技术充分利用免费资源，热源稳定可靠，自动化程度高运行成本低，不增加任何污染排放，是实现煤矿节能减排的重要手段之一。

3　唐山矿可供选择的清洁能源及热量分析

3.1矿井水余热

矿井水净化处理厂可提供6000t/d处理后的中水，水温常年在15℃～18℃，选用单台耗电功率为232kW/h、制热量为1000KW/h水源热泵机组，两台同时运行。按照提取温度7℃保守计算，B区矿井水处理厂清水水源热泵提供热量：

Q热=CM△T/3600=250×4200×（15-8）/3600=2041.7kW/h

3.2瓦斯发电系统余热

公司现有瓦斯发电站一座，共4台额定功率为500kW的发电机组，根据矿井瓦斯排放情况开启，最低保证1台运行。发电机工作时需油冷却及烟气余热合计50×104cal，折合余热581.4kW/h，系统发电效率60%，按照常开一台保守计算提供热量为350kW/h。

3.3空压机冷却热

公司现有风冷式空压机4台，可按需要更改为水冷式空压机。根据空压机的冷却参数额定功率220kW，排风扇风量850m3/min、功率7.5kW，空气比热按1.1kJ/kg、温差按5℃、密度按1.25计算的单台空压机余热：Q空=CM△T/3600=1.1×（850×60）×1.25×5/3600=97.4kW。

3.4洗浴排水余热

更衣室洗浴排水量为1000t/d，平均小时排水量为41.7t，温度为30℃～35℃，按30℃、有效利用率2/3保守计算，与洗浴用清水换热后温度降至15℃，排水与洗浴清水小时平均最小换热量：Q热=CM△T/3600={41.7×4200×（30-15）/3600}×2/3=486.5kW

3.5太阳能

现有建筑物楼顶可利用太阳能面积大约30×30m2。太阳能免费热最多的月份为5月至9月期间。按照真空管太阳能系统单位吸热体平均日产水量140kg/m2计算，利用建筑屋顶敷设太阳能可以的得到40℃热水量为126t。即：每天太阳能热量为Q太=CM△T/3600=126×（40-15）×4200/3600=3675kW，平均小时热量为153kW/h。

3.6矿井排风余热

井口排风余热常年18℃左右，风量400m3/s，风量大、温度高且稳定很适合作为空气源热泵热源供井口保温。井口排风可提供热量：

显热：井口排风显热热量为Q=CMΔt/3600=5394.8kW/h。其中C:风的比热1.005kJ/(kg×k)；M：空气质量密度ρ×风量；ρ：1.22 kg/m3；Δt：空气18度取热后降至7℃；

潜热：井口排风为18℃，50%含湿量约为6.5g/kg，降至7℃、40%含湿量约为3g/kg，汽化潜热比为2250kJ/kg计算潜热量为：2250×400×3600×1.22×{（6.5-3）/1000}/3600=3843kW/h；

矿井井口排风利用热泵总热量=5394.84+3843=9237.84kW/h。

3.7天然气

唐山矿风井工业广场北3km有市政天然气主管道，通过与政府相关部门协调，可自筹资金或集资建设支线接入天然气，可供唐山矿使用并惠及经过地区的企业及小区居民。

4　工业广场热负荷计算

4.1矿井冬季保温热负荷

冬季井口需热量按照冬季120天平均最低温度-8℃，每天供热18h计算热负荷：Qα=ρ·V·（h2-h1）/3600=1.284×（350× 3600×18×120）×（6.5+6.8）/3600=12910363kW。

式中：—为空气密度，1.284kg/m3；—为进风量，350m3/s；—为2℃，相应湿度52%下空气的焓，6.5kJ/kg；—为月平均温度的焓值，-6.8；3600—为换算系数。

冬季井口供暖考虑15%的散热系数，即：井口需总热量=12910363×1.15=14846918kW，平均6873kW/h。

4.2职工洗浴热负荷

唐山矿每日入浴职工人数4500人，非取暖季单独运行1台热水锅炉供洗浴使用，冬季与采暖用锅炉并联使用。采用锅炉供水与板式换热器换热方式提供1000t42℃洗浴热水，计算每日洗浴热负荷算：Q=CM△T/3600=4200k1000k（42-12）3600kJ/tk℃=35000kW；

平均用热需求为35000/24=1458.3kW/h。

4.3厂房建筑热负荷

唐山矿风井工业广场经统计需采暖供热工业及公共建筑面积约为4.55×104m2。根据唐山矿厂区实际现状，按综合建筑面积热指标取100 W/m2，因此厂区部分建筑采暖耗热量为Q=q× A=100×45500=4.55MW。

其中：Q：公共建筑采暖耗热量，W；q：公共建筑采暖耗热量指标，W/m2；A:公共建筑面积，m2。

4.4综合办公楼热负荷

综合办公楼面积约1.5×104m2，需供暖面积为1.4×104m2，根据唐山市气象条件、建筑物用途（室内温度16℃～18℃）、建筑维护结构和以往运行情况，确定建筑面积平均热指标q=80W/m2，计算用热负荷为：Q=F×q=14×103×80=1120kW/h。

5　综合分析确定清洁能源替代燃煤锅炉技术改造方案

工艺技术方案确定原则是在可靠稳定的前提下，结合唐山矿实际、富余电负荷、可用场地和配套设施情况，确定燃煤锅炉替代方案，使初投资和运行成本达到最优配置。

5.1确定改造方案

通过对可利用资源的综合分析，天然气、矿井水余热、空压机余热和瓦斯发电余热稳定可靠、安全经济，系统相对简单便于管理；矿井排风和太阳能前期投入较高，受风阻和天气等因素影响较多。反复论证后确定采取多方式分散供热，改造方案为：（1）拆除原有4台7MW燃煤锅炉，购置安装2台7MW天然气锅炉，冬季开启供井口保温和厂房建筑供暖；（2）矿井水水源热泵机组与瓦斯发电、空压机、洗浴排水余热配合使用，供职工洗浴和综合办公楼冬季供暖、夏季制冷；（3）为保证系统的稳定性及可靠性，增加500kW的低谷电蓄热作为补充及备用。

5.2燃煤锅炉替代改造工程技术路线

（1）矿井水余热利用区域建设230m2机房一座，安装1台1250kVA变压器，3台1000kW热泵机组（两用一备）及配套设施；（2）瓦斯发电余热区域对原有发电机组油冷器、排烟换热器及配套设施进行更新，提高换热效率；（3）空压机余热区域在保证设备正常运行的前提下，将2台220kW风冷空压机改为水冷系统，最大限度提取热量；（4）洗浴排水余热区域机房安装专用排水过滤器1台、排水换热器2台、循环用水泵4台，用于提取洗浴废水中的热量；（5）低谷电加热区域，安装500kW低谷电蓄热器1套，800kVA变压器及相关配套设施，作为备用热源；（6）新建150m2换热机房和300t半地下蓄水池，机房内安装换热器3台，循环用水泵9台，满足供热系统需要。

图1　余热利用热平衡图（单位：kW/h）

6　使用效果及效益分析

该项目投入使用以来，供热能力完全满足井口保温和办公及厂房供暖，每日稳定提供＞42°洗浴热水1000t以上，运行稳定且使用效果良好。与燃煤锅炉相比,余热利用区域实现自动控制无人值守,整体供热系统运行费用显著降低。

6.1节能效益

改造前锅炉用煤为1.8×104t/a，改造后锅炉天然气用量170×104m3，年可节约标准煤8562t。

6.2环境效益

减少CO2排放量为25850t，减少SO2排放量为84.9t，减少NOx排放量为73.92t；减少烟尘排放量14.4t，节能减排效果十分明显。

6.3经济效益

改造前燃煤锅炉全年运行费用966万元，改造后购买天然气、电力消耗以及运行总费用约为852万元，年可节省运行费用近114万元。

7　结语

在环保意识增强、能源日趋匮乏的今天，节约能源、保护环境已成为耗能企业义不容辞的任务。充分挖掘和开发企业内部的余热资源，合理利用清洁能源，在降低企业单位吨煤能耗的同时，大幅减少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物排放，环境保护意义重大。唐山矿清洁能源替代燃煤锅炉改造，真正实现了煤矿企业产煤不用煤，不仅具有可观的环保及经济效益，社会效益显著，具有一定的推广应用价值。

王力力（1967—），女，河北唐山人，中国矿业大学选矿工程专业毕业，开滦集团唐山矿业公司经管部。