周新朋

摘 要：本文結(jié)合某乏風(fēng)余熱利用改造工程，通過對供熱現(xiàn)狀、余熱資源分析、負(fù)荷分析、余熱利用設(shè)備選型等方面進(jìn)行綜合分析，對礦井乏風(fēng)余熱利用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討，提供了乏風(fēng)余熱利用技術(shù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以及良好的節(jié)能環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：礦井乏風(fēng);余熱利用;直冷式取熱乏風(fēng)熱泵;一次能源

1 前言

煤礦礦井乏風(fēng)風(fēng)量大，出風(fēng)溫度穩(wěn)定，相對濕度高，礦井乏風(fēng)屬于較穩(wěn)定的低溫余熱資源，可用于礦井風(fēng)井場地低品位用熱需求，如供暖和井口保溫等，且這類負(fù)荷通常較小。

隨著國家和地方環(huán)保政策的要求越來越高，礦區(qū)既有燃煤鍋爐，尤其是10t/h以下的燃煤鍋爐逐步淘汰，這就給乏風(fēng)余熱利用技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。本文結(jié)合某乏風(fēng)余熱利用改造工程，對礦井乏風(fēng)余熱利用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，以便對改技術(shù)的應(yīng)用給出可供參考的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2 供熱現(xiàn)狀

本工程風(fēng)井場地供熱負(fù)荷主要為場地建筑采暖通風(fēng)和井筒防凍加熱負(fù)荷，現(xiàn)狀采用燃煤蒸汽鍋爐供熱方式，鍋爐房規(guī)模為2×10t/h蒸汽鍋爐，受環(huán)保政策要求，需拆除既有燃煤鍋爐，對現(xiàn)有供熱系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 余熱資源分析

風(fēng)井場地乏風(fēng)量130m3/s，礦井乏風(fēng)出風(fēng)溫度10℃，相對濕度60%，比焓21.703kJ/kg，屬于低焓乏風(fēng)，但利用乏風(fēng)量連續(xù)穩(wěn)定的特點(diǎn)，礦井乏風(fēng)屬于礦區(qū)特有的較穩(wěn)定的低溫余熱資源。

4 負(fù)荷分析

4.1 供熱負(fù)荷

風(fēng)井場地總的供熱負(fù)荷為6102kW，其中供暖負(fù)荷1838kW，井筒保溫負(fù)荷4264kW。

4.2 年供熱量

本工程所在地供暖期為144天，采暖室外計(jì)算溫度為-15℃，供暖期室外平均溫度-3.9℃，起始供暖室外溫度5℃，供暖室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃，井口加熱混合空氣溫度2℃。

供暖最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2419.2小時(shí)，年供熱量16007GJ;井口加熱最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為1612.8小時(shí)，年供熱量24757.1GJ。供暖和井口加熱系統(tǒng)的年供熱量合計(jì)40764.1GJ。

5 余熱利用設(shè)備選型

5.1 直冷式取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)

本工程采用乏風(fēng)熱泵機(jī)組提取乏風(fēng)余熱，供井口加熱和供暖系統(tǒng)用熱，乏風(fēng)熱泵機(jī)組采用“直冷式取熱乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)”供熱技術(shù)，采用深焓取熱方式，取熱過程涵蓋干冷區(qū)、濕冷區(qū)、霜冷區(qū)和冰冷區(qū)。乏風(fēng)取熱過程在焓濕圖上的過程線如圖1所示，圖中1—2過程為干冷區(qū)、2—3過程為濕冷及霜冷區(qū)，3—4過程冰冷區(qū)。

空氣加熱室內(nèi)的空氣狀態(tài)變化過程如圖2所示，圖中tw至tr過程為冷空氣在空氣加熱機(jī)組內(nèi)的加熱過程，tr至to和tw至to是空氣加熱機(jī)組送出的熱風(fēng)和冷風(fēng)的混合過程，混合后的空氣溫度不低于2℃。

5.2乏風(fēng)余熱量計(jì)算

（1）乏風(fēng)余熱參數(shù)

礦井回風(fēng)取熱前狀態(tài)參數(shù)：溫度10℃，相對濕度60%，焓值21.703kJ/kg;

礦井回風(fēng)取熱后狀態(tài)參數(shù)：溫度-3℃，相對濕度95%，焓值3.649 kJ/kg;

礦井乏風(fēng)風(fēng)量：130m3/s，則礦井回風(fēng)可利用熱量為2910kW。

（2）乏風(fēng)余熱供熱能力分析

據(jù)（1）可知，風(fēng)井乏風(fēng)可利用乏風(fēng)余熱為2910kW?？紤]乏風(fēng)在取熱過程中，乏風(fēng)溫暖降低至露點(diǎn)溫度（4.606℃）以下后，開始結(jié)露結(jié)霜，當(dāng)降低至0～-3℃時(shí)，在取熱箱的乏風(fēng)側(cè)換熱器表明開始結(jié)冰，換熱器表面結(jié)霜和結(jié)冰增大換熱熱阻，影響去熱效果。

經(jīng)計(jì)算，霜冷區(qū)和冰冷區(qū)的除霜和融冰過程耗熱量約300kW，則礦井乏風(fēng)可利用的凈余熱量2610kW。

乏風(fēng)熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行COP約2.8，熱泵機(jī)組的最大供熱能力4060kW。

由于乏風(fēng)熱泵機(jī)組供熱參數(shù)為50/40℃，只能用于井口保溫防凍使用。

根據(jù)前面的負(fù)荷分析，風(fēng)井場地總熱負(fù)荷為6102kW，其中井筒保溫?zé)嶝?fù)荷4264kW，供暖通風(fēng)熱負(fù)荷1838kW，僅靠乏風(fēng)余熱量無法滿足場地?zé)嶝?fù)荷需求，供熱缺口2042kW，因此尚需設(shè)置輔助熱源，本技術(shù)方案采用乏風(fēng)熱泵機(jī)組+電熱水鍋爐的供熱方案。

其中，電熱水鍋爐承擔(dān)全部供暖通風(fēng)熱負(fù)荷和小部分的井口保溫加熱負(fù)荷，由于兩者供熱參數(shù)不同，需增設(shè)板式換熱器，滿足井口保溫?zé)崴畢?shù)要求。

5.3 裝機(jī)規(guī)模

（1）裝機(jī)規(guī)模

供熱方案裝機(jī)規(guī)模如下（水泵、化水、管道等不詳列）。

冷式礦井乏風(fēng)熱泵（井口加熱）：制熱量：1350kW，冷媒R22? P=1.0MPa最大電耗：490kW，380V/50Hz，五線制 冷凝側(cè)溫度：50/40℃，3臺。

電熱水鍋爐（供暖及井口加熱）：制熱量1350kW? ?P=1.0MPa 最大電耗：1350kW，380V/3P/50Hz 供回水溫度：70/55℃，2臺。

板式換熱器：熱負(fù)荷800kW? P=1.0MPa，高溫側(cè)70/55℃，低溫側(cè)50/40℃，2臺。

（2）裝機(jī)供熱能力驗(yàn)算

乏風(fēng)熱泵機(jī)組的供熱能力：1350×3=4050kW;

電熱水鍋爐供熱能力：1350×2=2700kW;

裝機(jī)總供熱能力：6750kW，滿足風(fēng)井場地供熱負(fù)荷需求。

其中，井口保溫供熱能力：1350×3+800=4850kW，滿足井筒防凍保溫的供熱負(fù)荷需求;供暖通風(fēng)系統(tǒng)的供熱能力：1350+550=1900kW，滿足供暖通風(fēng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求。

綜上，本技術(shù)方案所選裝機(jī)規(guī)?？蓾M足風(fēng)井場地的供熱需求。

5.4結(jié)論

（1）采用乏風(fēng)熱泵技術(shù)，充分利用礦井余熱資源，最大程度降低一次能源消耗，同燃煤鍋爐相比，年節(jié)約120萬t標(biāo)煤，年減少煙塵排放量1200萬t，年減少NOX排放912萬t。

（2）本文給出乏風(fēng)余熱利用技術(shù)的設(shè)計(jì)分析過程，為該技術(shù)在同類工程中的應(yīng)用提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

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