郑锐国 郭 园 王业飞

(山西阳煤九洲节能环保科技有限责任公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

我国的基础能源以煤炭为主，阳泉市是中国最大的无烟煤产地。由于资源优势，阳煤集团矿井、地面建筑物采暖等供热多数为燃煤锅炉，随着国家环保力度的加大，2016年，2017年，集团公司对下属燃煤锅炉进行了脱硫、脱硝、除尘改造满足当时烟气排放标准。2018年，山西省环保形式更加严峻，取缔关闭燃煤锅炉的同时，质监部门注销承压锅炉使用登记证。集团公司为了解决锅炉烟气污染物的治理问题，对燃煤锅炉进行清洁能源改造，并将方案制定、设备采购、工程管理统一组织管理，以达到资源最优配置。

1 清洁能源供热技术现状

根据各矿的实际情况，考察了市场的六类清洁能源供热体系，并总结各工艺的技术特点，具体情况如下。

1.1 用电的

1.1.1电锅炉

电锅炉包括电阻锅炉、电磁锅炉及电极锅炉三种形式，简单来说就是纯用电。

优点：系统简单，改造方便，可充分利用现有锅炉房现有辅助设施，纯用电，无二次污染。

缺点：用电量较大，运行成本较高，若工业场地供电量不足，由此引起的外部线路和上级变电站改造工程量较大，还需电力部门审批通过。

1.1.2量子能供热机组

量子能供热机组供热原理：合理有效地吸收量子液在激活状态下的量子能量及运行速度，不断使量子液激活而发生量变，量子液不断在激活状态下倍增释放能量，在加热过程中不断改变分子结构及运行速度，不断改变运行方向，不断产生摩擦，真正做到低能耗高能量转换之功效，从而获取大量的高温热水。即使在停电状态30 min内也可升温，使之有低能耗高转换能量之奇效。不受环境温度影响，温度可调范围为90 ℃。

优点：节约用电，仅为电锅炉用电量的一半。工艺可靠成熟，无二次污染；系统简单，可分片实施。全自动控制，可实现无人值守。工业场地供热改造，可充分利用建筑物现有室内散热器采暖系统及室外管网，降低改造投资。

缺点：与乏风余热利用(热泵技术或热管技术)及空压机余热等相比较，用电量大，运行费用高。

1.1.3空电能双核供热机组

空电能机组是在NWS量子能供热机组基础上增加了空气能机组(即空气源热泵)共同进行供热，通过量子能和空气能双核运行，自动切换，以较低能耗，获取大量的高温热水。在环境温度相对较低时空电能双核供热机组可加热出高达70 ℃的热水，并且预热运行时间段，热水速度快，8 min～15 min即可提供热水。

优点：全天候使用，不受阴、雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚的影响，在-20 ℃～40 ℃环境下都可以正常运行；运行成本低，可节省70%的能源，与燃气、电和电辅热加热的太阳能热水器相比，全年费用最低，是燃气热水器的1/3左右，电热水器的1/4左右。

1.1.4远红外热风炉

远红外热风炉技术是利用电能通过远红外电热管自动将空气加热到一定温度，用风机将热风送到井口。

优点：系统简单，可直接利用于井筒防冻，纯用电，无二次污染。

缺点：热效率仅90%，用电量较大，运行成本高；设备无法达到防爆要求，需要安装于井口房20 m以外远红外热风炉技术仅适用于井筒防冻。

1.2 燃气锅炉(或热风炉)

1.2.1燃气锅炉(天然气)

采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染问题；天然气作为一种清洁能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，从根本上改善环境质量。现有的天然气燃气锅炉燃烧技术可以达到氮氧化物排放小于30 mg/m3要求，对附近有天然气资源的工业场地来说，将原有燃煤锅炉改造为燃气锅炉，工程实施便捷，可充分利用锅炉房现有辅助设施。

本项技术实施的前提条件：工业场地附近有天然气资源。

优点：系统技术成熟，安全可靠，改造工程量较小，无二次污染，能够满足现行环保要求；仅有水泵、风机等用电设施，耗电量少；工业场地供热改造实施容易，投资较低。

缺点：受天然气价格影响，运行成本较高。若工业场地附近无管道天然气，采用CNG或LNG的话，运行费用将更高。

1.2.2燃气锅炉(矿井瓦斯气)

若矿井瓦斯气浓度在30%以上，且有瓦斯利用设施，可以优先采用瓦斯气燃气锅炉。目前瓦斯气燃气锅炉暂无氮氧化物排放小于30 mg/m3的实例，实施存在一定的困难。

本项技术实施的前提条件：工业场地附近有瓦斯利用设施，瓦斯浓度30%以上。

优点：系统技术成熟，安全可靠，改造工程量较小；运行费用低；工业场地供热改造实施容易，投资较低。

缺点：瓦斯气燃气锅炉暂无氮氧化物排放小于30 mg/m3的实例，无法满足环保要求。

1.3 矿井乏风余热利用

1.3.1矿井乏风余热利用(热泵技术)

矿井乏风余热利用技术是利用低温余热热泵提取矿井乏风热量，用于井筒防冻或建筑物采暖。在通风机出口新建乏风取热室，安装乏风取热器，提取的热量通过介质(防冻液)输送至直冷式乏风热泵机组，经提温后向外输送45 ℃/35 ℃低温热水，配合空气加热机组可用于井筒防冻，亦可用于建筑物室内空调采暖系统或散热器系统(由于水温较低，效果略差)。为降低冷凝水过多和除霜工作量，提取热量后的回风温度控制在2 ℃，特殊情况下可降低至0 ℃。

本项技术实施的前提条件：矿井回风温度不小于10 ℃、湿度不小于80%。回风井距离供热地点不宜太远，尽量控制在500 m以内。

优点：除耗电以外没有别的能源消耗，无任何污染环境的废弃物产生；可以实现全自动化运行，人力成本较低；

缺点：由于采用了直冷式乏风热泵机组，耗电量较大，需要核实工业场地供电负荷；运行成本高；投资大。

1.3.2矿井乏风余热利用(低温热管技术)

矿井乏风余热利用低温热管技术，通过回收矿井回风低温余热加热进风井进风解决井口防冻需求。该技术需在矿井出风口加装屋顶式封闭结构，通过风道将回风整体引入低温热管装置中，低温热管装置类似空气—空气换热器，通过该技术室外新风升至2 ℃以上、送入井下。

本项技术实施的前提条件：矿井回风量需要在进风量的1.5倍以上，才能满足供热要求；进风井封闭，只有进风功能。

优点：无任何污染物产生，没有燃烧，没有排烟，少许耗电，也没有废弃物，不需要堆放燃料及废物的场地；成本低；低温热管系统可做到真正意义上的无人值守，无需配备值班人员，仅需定期对低温热管换热器翅片灰尘进行清洗(产生些许人工费)。

缺点：系统设施庞大，需要建立大口径风管及较高的型钢支架，占地面积较大；进、回风井不宜离得较远，否则实施困难大。

1.4 其他余热利用

1.4.1空压机余热利用

空压机余热回收是一种新型高效的余热利用设备，靠吸收空压机废热来把冷水加热，没有能源消耗，可用于热水制备和建筑物采暖等。

本项技术实施的前提条件：工业场地建有空压机房。

优点：系统安全可靠，改造工程量较小，无二次污染；能耗较少，仅有循环水泵耗电；系统简单，只增加了换热器和循环水泵，投资较低。

缺点：由于工业场地空压机装机容量限制，可提供的余热量有限，无法单独使用，仅可作为补充热源。

1.4.2瓦斯发电余热利用

工业场地若有瓦斯抽采泵站且运行稳定，在瓦斯浓度满足瓦斯发电的情况下，采用瓦斯发电余热进行供热是最经济合理的。瓦斯发电余热主要是提取烟气(约600 ℃)余热和缸套水余热，增设烟气余热锅炉和缸套水板式换热器及循环水泵等，供回水温度可达到85 ℃/70 ℃，用于井筒防冻和建筑物采暖，亦可用于洗浴热水制备。

本项技术实施的前提条件：工业场地瓦斯抽采泵站及瓦斯发电厂。

优点：系统技术成熟，安全可靠，改造工程量较小，无二次污染；仅有水泵用电，耗电量少，运行成本较低；供热改造实施容易，投资较低。

1.5 超低环温空气源热泵

空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的节能装置。它是热泵的一种形式，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热量)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤、燃气、油、电能等)的目的。螺杆式超低环温空气源热泵机组在空气源热泵基础上进行了改进，能够低环境温度下运行，比传统的空气源热泵能效比高。

优点：制热过程只耗电，无二次污染；系统可24 h运行，不受外界环境影响；用于夏季洗浴热水制备使用效果良好；

缺点：寒冷地区和严寒地区冬季使用效果差，环境温度越低能效比越低，由此造成除霜用电量增加较大，选型时需增加设备数量。在环境温度-17 ℃时，能效比仅为1.7左右。

1.6 瓦斯蓄热氧化供热

瓦斯蓄热氧化技术原理为：利用瓦斯泵站排放的低浓度瓦斯作为燃料，采用低浓度瓦斯蓄热氧化装置将甲烷氧化，产生高温烟气，可加热空气用于井筒防冻替代热风炉，或输送至余热锅炉产生高温蒸汽(或热水)进行供热。

本项技术实施的前提条件是工业场地需建有瓦斯抽采泵站且运行稳定，瓦斯浓度应大于1.2%。

优点：系统用电量少；可充分利用小于30%的低浓度瓦斯，变废为宝，减少瓦斯排放造成的环境污染。利用原本排放的低浓度瓦斯，无燃料费用，运行费用低；

缺点：初期投资较高；存在安全隐患，系统运行中各项保护措施须严密，否则可能由于吹扫不彻底等原因引起爆炸；设施占地面积大。

2 工程实例

根据上述考察成果以及各矿的特点，因地制宜，充分利用周边的资源，考虑投资规模、运行成本等因素，有针对性的采取单一方案或多方案共同供暖。目前集团公司对11个矿的锅炉进行了改造，其中4个矿采取多方案供暖。工程总数28项，其中乏风余热利用11项，占总数的39%，是采用最多的技术路线。

例如：盂县兴峪矿总共分了三区域，总供热需求为12 010.93 kW。兴峪煤业现场锅炉房西侧约200 m处建有一座瓦斯发电厂，瓦斯电厂余热利用技术为首选技术。同时考虑运行费用、技术的稳定性问题，对瓦斯电厂余热利用+瓦斯蓄热氧化、瓦斯电厂余热利用+回风源热泵技术进行了比对，两个方案的投资费用相当，瓦斯电厂余热利用+瓦斯蓄热氧化运行费用低，可产生高品位的热源，但要求瓦斯纯量达到6.8 m3/min,通过查看今年的瓦斯抽采数据，瓦斯纯量为5.7 m3/min～7.2 m3/min，该方案还是存在不稳定性，故最终选定工业场地供暖方式采用瓦斯电厂余热利用+15号煤进风立井供热采用回风源热泵+生活区供暖采用空气源热泵技术的组合供热形式，保证矿上的井口防冻，建筑物采暖，洗浴的供热问题。

3 结语

在建设规模和建设地区及地点确定后，具体的工程技术方案确定，在很大程度上影响着工程建设成本以及建成后运营成本。技术方案的选择直接影响项目的工程造价，因此，我们在对技术方案选择上应该从技术的先进程度、可靠程度和技术对产品质量性能的保证程度、技术对原材料的适应性、工艺流程的合理性、自动化控制水平、估算本国各种工艺方案的成本、成本耗费水平、对环境的影响程度等技术经济指标进行认真评价，最终选择出先进适用、安全可靠、经济合理的技术方案，满足业主需求。