趙軼君

（大同煤礦集團(tuán)白洞煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037029）

0 引言

我國(guó)能源消耗多數(shù)是依靠礦物燃燒而得到的，尤其是煤炭燃燒。在燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和二氧化硫，給環(huán)境帶來(lái)較大影響。經(jīng)過(guò)調(diào)查顯示，礦井通風(fēng)中，壓風(fēng)機(jī)具體運(yùn)行過(guò)程中均存在較大的熱能，應(yīng)用礦井回風(fēng)熱源泵技術(shù)以及壓風(fēng)機(jī)余熱回收技術(shù)，能夠?qū)鹘y(tǒng)煤礦供熱模式進(jìn)行改變，對(duì)節(jié)能減排工作也具有重要意義［1-3］。以某礦區(qū)為例，分析該礦區(qū)當(dāng)中存在的余熱能源，同時(shí)研究如何借助余熱供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤礦風(fēng)井余熱資源利用

1.1 排水余熱回收技術(shù)

對(duì)礦井排水余熱進(jìn)行回收，主要是排水過(guò)程中出現(xiàn)的余熱進(jìn)行回收，以防止礦井水當(dāng)中出現(xiàn)有害成分，對(duì)熱泵機(jī)的正常使用帶來(lái)影響。對(duì)此，在進(jìn)行余熱回收之前，一定要對(duì)礦井水進(jìn)行科學(xué)處理，目前比較常見(jiàn)的回收方式主要有：在熱泵機(jī)組以及礦井集水池的旁邊安裝相應(yīng)過(guò)濾器，或者安裝旋流除砂器，對(duì)礦井中存在的塵土進(jìn)行凈化處理，在對(duì)礦井水進(jìn)行具體凈化過(guò)程中，利用礦井水流經(jīng)熱回收系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)礦井水作出相應(yīng)處理，通過(guò)這種方式，能夠有效減少礦井水熱量損失。對(duì)礦井水進(jìn)行具體過(guò)濾過(guò)程中，主要可以分成初級(jí)過(guò)濾和高級(jí)過(guò)濾，這就能夠減少經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組的塵土，不但能夠保護(hù)熱泵機(jī)組，還能在一定程度上提升轉(zhuǎn)換效率［4-6］。

1.2 空壓機(jī)余熱利用技術(shù)

空壓機(jī)余熱利用技術(shù)，主要是對(duì)熱能作出適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。例如，當(dāng)空壓機(jī)具體運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)較多熱量資源，此后對(duì)這些資源進(jìn)行適當(dāng)回收和轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換到水中，借助水吸收大量熱能，此時(shí)水溫則會(huì)有所上升。與此同時(shí)，空壓機(jī)溫度逐漸降低，這種情況下不但可以實(shí)現(xiàn)熱量回收目的，同時(shí)還能夠確保空壓機(jī)安全運(yùn)行［7-8］。空壓機(jī)余熱技術(shù)的應(yīng)用，可以充分利用壓縮機(jī)熱能，同時(shí)提供75℃的熱水，比較適合用于礦區(qū)建筑取暖或者職工洗浴，且能夠?qū)諌簷C(jī)原有系統(tǒng)進(jìn)行停用，從而實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能。

2 煤礦風(fēng)井余熱資源概況

2.1 風(fēng)井場(chǎng)地總耗熱量計(jì)算

以某煤礦為例，存在7 000 m2地面建筑采暖，采暖需要將室內(nèi)溫度控制在18～24℃之間。每一年大約有300位工作人員需要洗浴熱水制備，要求洗浴水溫在45℃以上。在冬季對(duì)風(fēng)井進(jìn)行防凍加熱處理，確保進(jìn)風(fēng)量控制在2 200～2 500 m3/min之間，同時(shí)要求冬季進(jìn)風(fēng)溫度保持在2℃以上。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算之后得出，建筑采暖最大負(fù)荷為648 kW，而洗浴熱水制備的最大負(fù)荷為195 kW，在井口位置需進(jìn)行防凍加熱處理，其負(fù)荷量為1 725 kW。表1為供熱負(fù)荷表。

表1 供熱負(fù)荷表

2.2 礦井余熱資源

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，這一煤礦風(fēng)井場(chǎng)地可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用，其存在較為豐富的余熱資源。對(duì)風(fēng)井場(chǎng)地當(dāng)中的壓風(fēng)機(jī)余熱量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：Qy—壓風(fēng)機(jī)余熱量，kW；N—壓風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量，取180 kW；n—運(yùn)行臺(tái)數(shù)，本風(fēng)井中共使用2臺(tái)；ρ—平均加載率，取75%；K—熱回收率，取65%。通過(guò)上述公式可得Qy=175.5 kW。

對(duì)礦井回風(fēng)余熱量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合相關(guān)調(diào)查顯示，這一煤礦的回風(fēng)量大約6 500～85 000 m3/min，按照15℃的溫度進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)濕度為60%，技術(shù)人員進(jìn)行綜合取熱裝置后，將排風(fēng)溫度控制在2℃，其中相對(duì)濕度為95%，對(duì)余熱量進(jìn)行計(jì)算，其具體公式為

式中：Qf—礦井的回風(fēng)余熱量，kW；L—設(shè)計(jì)回風(fēng)量，取6 500 m3/min；ρ—回風(fēng)密度，取1.22 kg/m3；Hi—回風(fēng)進(jìn)入綜合取熱器焓值，取31 kJ/kg；H0—回風(fēng)經(jīng)綜合取熱器后所得的焓值，將其設(shè)置為12.5 kJ/kg；60—屬于單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。計(jì)算可得Qf為2 445 kW。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算之后得出，該風(fēng)井當(dāng)中的余熱資源為壓風(fēng)機(jī)的余熱量175.5 kW和礦井回風(fēng)余熱量為2 445 kW。對(duì)這一煤礦進(jìn)行分析，其余熱總量大約為2 620.5 kW，分析后發(fā)現(xiàn)其可以滿足風(fēng)井場(chǎng)地的供熱負(fù)荷需求。

3 煤礦風(fēng)井場(chǎng)地余熱利用策略

結(jié)合風(fēng)井場(chǎng)地壓風(fēng)機(jī)余熱資源，對(duì)熱量規(guī)模和連續(xù)性、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行分析，要求這些指標(biāo)可以充分滿足這一場(chǎng)地洗浴熱水對(duì)供熱的需要，因此將其作為洗浴熱水系統(tǒng)的供熱熱源。而對(duì)于壓風(fēng)機(jī)余熱而言，上述計(jì)算得出為214 kW，使用3臺(tái)余熱回收設(shè)備，其平均回收熱量大約為107 kW，兩用一備，要求其和壓風(fēng)機(jī)相互對(duì)應(yīng)，并且要求其能夠聯(lián)鎖運(yùn)行，借助單獨(dú)的室外管系統(tǒng)。

此外，還需要使用2臺(tái)回風(fēng)熱泵，本風(fēng)井使用的是型號(hào)為SRSL-1210的回風(fēng)熱泵。制熱量控制在1 220 kW，將熱水供回水水溫控制在50℃/45℃，在采暖季節(jié)需要使用2臺(tái)主機(jī)運(yùn)行，而室外則安裝2臺(tái)主機(jī)具體運(yùn)行，其中一套是用于建筑采暖，另一套則應(yīng)用于井口加熱，在采暖季節(jié)以外的季節(jié)，停用設(shè)備。

為了確保井筒的溫度始終滿足生產(chǎn)需要，方便對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行管理，有效節(jié)約資源，對(duì)進(jìn)風(fēng)井空氣進(jìn)行加熱，主要是借助某煤礦當(dāng)中的專用防凍型空氣加熱設(shè)備，一共使用6臺(tái)，其制熱量需要控制在303 kW，而風(fēng)量控制在15 000 m3/h，總體供熱量控制為1 818 kW。

4 系統(tǒng)投資和系統(tǒng)效益

4.1 系統(tǒng)投資估算

結(jié)合供熱系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)分析使用的主要設(shè)備情況，經(jīng)過(guò)相應(yīng)計(jì)算后得出最終投資為524萬(wàn)元，使用設(shè)備主要有風(fēng)機(jī)余熱回收機(jī)組3套、一次熱水循環(huán)泵2臺(tái)、二次熱水循環(huán)泵2臺(tái)、板式換熱器2臺(tái)、保溫蓄熱水箱1個(gè)等。同時(shí)還需要使用回風(fēng)熱泵壓縮冷凝機(jī)組2臺(tái)、回風(fēng)取熱箱8臺(tái)、熱水循環(huán)泵2臺(tái)等。

4.2 系統(tǒng)效益

能耗：洗浴使用的熱水制備系統(tǒng)，假設(shè)全年365 d，24 h運(yùn)行，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到每臺(tái)需要耗能1.5 kW，那么全年耗能為：1.5×2×365×24/10 000=2.63萬(wàn)kW·h。

建筑采暖和措施井防凍加熱系統(tǒng)：冬季一共需要使用2臺(tái)熱泵，并且需要使用1臺(tái)熱水循環(huán)泵以及6臺(tái)加熱機(jī)組。在冬季，采暖季一共有120 d，假設(shè)每天需要24 h運(yùn)行，所花費(fèi)的電量則為（169×2×0.4+45+3×6）×120×24/10 000=57.08萬(wàn)kW·h。經(jīng)過(guò)總體計(jì)算所得，這一煤礦的風(fēng)井場(chǎng)地中，余熱供熱系統(tǒng)的全面能耗高達(dá)59.71萬(wàn)kW·h。

4.3 投資與運(yùn)行費(fèi)用

本系統(tǒng)使用所耗費(fèi)的能源費(fèi)用為：結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.68元/kW·h計(jì)算，該煤礦風(fēng)井場(chǎng)余熱供熱系統(tǒng)全年供熱電能消耗費(fèi)用為59.71×0.68=40.6萬(wàn)元。此外，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，還需要花費(fèi)一定的設(shè)備管理和維護(hù)維修費(fèi)用，該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中一共配置了3人，平均年工資按照5萬(wàn)元進(jìn)行計(jì)算，管理費(fèi)用約為15萬(wàn)元，該系統(tǒng)每年總投資約為524.44萬(wàn)元。以往工程中，根據(jù)總投資的2%進(jìn)行計(jì)算，得出系統(tǒng)每年運(yùn)行保養(yǎng)費(fèi)用為524.44×0.02=10.5萬(wàn)元。對(duì)于余熱供熱系統(tǒng)而言，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出全年總運(yùn)行費(fèi)用為66.1萬(wàn)元。如果使用傳統(tǒng)蒸汽鍋爐進(jìn)行供熱，在供熱過(guò)程中需要配備一臺(tái)6 t/h的蒸汽鍋爐，其整體負(fù)荷約為60 kW，其中的燃煤蒸汽鍋爐每年的綜合熱效率大約為50%，每年費(fèi)用約為142萬(wàn)元。

通過(guò)對(duì)上述各項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算得出，應(yīng)用傳統(tǒng)鍋爐，總投資大約為300萬(wàn)元，如果應(yīng)用余熱回收系統(tǒng)，總投資大約為524.44萬(wàn)元，對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，得出這一項(xiàng)目施工完成之后，和傳統(tǒng)鍋爐相比可以節(jié)省成本約為（142-66.1=74.1）74.1萬(wàn)元。余熱回收系統(tǒng)和燃煤蒸汽鍋爐供熱方式對(duì)比，新增總投資約為（524.44-300=224.44）224.44萬(wàn)元，其靜態(tài)投資回收期為：224.44/75.9=2.95 a，可見(jiàn)本項(xiàng)目實(shí)施具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用傳統(tǒng)供熱方式，耗費(fèi)大量能源的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境帶來(lái)一定影響，與此同時(shí)還會(huì)花費(fèi)大量資金，給企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。煤礦風(fēng)井在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量余熱，經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，這些余熱完全可以滿足供熱需求，因此對(duì)煤礦風(fēng)井余熱供熱系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，能夠有效節(jié)約能源，并且節(jié)省大量供熱資金，減少成本投入，為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)效益。