王 飛

(潞安環(huán)能股份公司 五陽煤礦，山西 長治 046205)

五陽煤礦南豐工區(qū)進(jìn)風(fēng)井冬季送風(fēng)加熱采用蒸汽供暖，熱負(fù)荷約6 500 kW。工區(qū)目前供暖熱源為兩臺(tái)8 t/h的燃?xì)庹羝仩t，采用間斷節(jié)氣供熱方式，鍋爐房年耗氣量約120萬m3，費(fèi)用達(dá)485.8萬元，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。另一方面，南豐工區(qū)現(xiàn)有許多工業(yè)余熱、廢熱資源未被回收利用而直接排放，造成能源的極大浪費(fèi)。

1 工業(yè)區(qū)進(jìn)風(fēng)井冬季供暖熱負(fù)荷及場(chǎng)地內(nèi)熱源分析

1.1 井口防凍所需熱負(fù)荷

南豐工區(qū)進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量約為15 000 m3/min。根據(jù)《煤炭工業(yè)采暖通風(fēng)及供熱設(shè)計(jì)規(guī)范》MT/T5013-96及《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，經(jīng)過計(jì)算進(jìn)井口冬季防凍供熱負(fù)荷：按照最低溫度-18 ℃考慮，則井口冬季防凍所需的熱負(fù)荷最高為6 500 kW。

1.2 可利用的余熱量核算

南豐工區(qū)目前投運(yùn)的瓦斯發(fā)電機(jī)組共14臺(tái)，坡下有4臺(tái)，坡上有10臺(tái)，都位于坡上。

1) 瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫缸套水余熱。高溫缸套水是發(fā)電機(jī)組的防凍液，成分是乙二醇水溶液。單臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組的高溫缸套水流量設(shè)定為40 m3/h，14臺(tái)的總流量為560 m3/h，按照冬季進(jìn)出機(jī)組水溫70 ℃/60 ℃考慮，溫差為10 ℃，熱回收率80%，則所有的高溫缸套水余熱量為4 402 kW。

2) 瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱。單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的出口煙氣溫度定為400 ℃，每臺(tái)機(jī)組煙氣流量2 000 N·m3/h，煙氣比熱容約是1.38 kJ/(N·m3·℃)。計(jì)劃機(jī)組出口位置新建煙氣換熱器將煙溫從400 ℃降到120 ℃，熱回收率按照80%計(jì)算。瓦斯發(fā)電站的14臺(tái)發(fā)電機(jī)組全開時(shí)，可回收的熱量為2 405 kW。

3) 礦井水余熱。目前礦井水產(chǎn)水量7 000～8 000 m3/d，余熱利用按7 000 m3/d(250 m3/h)計(jì)算，冬季水溫按9 ℃計(jì)算。礦井水按照余熱利用后回水溫度5 ℃計(jì)算，可回收4 ℃溫差的熱量，換熱效率按照80%考慮，約929 kW。

加載率暫時(shí)按90%計(jì)算，回收率按照70%計(jì)算，單臺(tái)余熱回收設(shè)備可利用的熱量為157.5 kW。

5) 瓦斯抽放泵站余熱。瓦斯抽放站循環(huán)水總流量為40 m3/h，冬季出水水溫為35 ℃，進(jìn)水水溫為25 ℃，通過冷卻塔向外散熱。換熱效率按照80%考慮，則可利用的余熱量為372 kW。

經(jīng)過以上計(jì)算，可供利用的總余熱量8 265 kW。

1.3 余熱核算結(jié)果

通過對(duì)以上4處熱源進(jìn)行分析，總余熱量約為8 265 kW，而該工業(yè)區(qū)進(jìn)風(fēng)井熱負(fù)荷約為6 500 kW。經(jīng)過對(duì)比，該工業(yè)區(qū)余熱資源完全可以替代該進(jìn)風(fēng)井井筒冬季保溫需求。

2 余熱利用技術(shù)分析

余熱利用技術(shù)主要針對(duì)南豐工區(qū)各處余熱點(diǎn)的熱量進(jìn)行處理和回收，采暖季高溫缸套水通過板式換熱器制取熱水給井口空氣加熱器的冷風(fēng)預(yù)熱。主要包括以下幾大系統(tǒng)：瓦斯發(fā)電機(jī)組尾氣余熱系統(tǒng)、高溫缸套水余熱系統(tǒng)、礦井水余熱利用系統(tǒng)、空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)和瓦斯抽放站循環(huán)水余熱系統(tǒng)。

2.1 瓦斯機(jī)組尾氣余熱利用系統(tǒng)

該工區(qū)瓦斯發(fā)電機(jī)組共14臺(tái)，一期4臺(tái)地勢(shì)稍低，10臺(tái)在地勢(shì)稍高的坡上。單臺(tái)功率均約420 kW，煙氣量2 000 N·m3/h，煙氣溫度400 ℃。坡下的4臺(tái)機(jī)組尾部出口煙氣匯合后新上1臺(tái)煙氣換熱器；坡上南側(cè)的5臺(tái)機(jī)組出口高溫?zé)煔鈪R合成一處，北側(cè)的5臺(tái)機(jī)組出口煙氣匯合成一處，各上1套煙氣換熱器，這樣瓦斯發(fā)電站房總共需要3套煙氣換熱器系統(tǒng)。尾部高溫?zé)煔鈴耐咚拱l(fā)電機(jī)組出來，經(jīng)過煙氣換熱器與軟化水交換熱量，高溫?zé)煔鈸Q熱后由400 ℃降至約120 ℃，降溫后通過引風(fēng)機(jī)和煙囪排放。軟化水先注入余熱水箱，通過水泵與高溫尾氣在煙氣換熱器中充分換熱，溫升為10 ℃，最終可產(chǎn)出高達(dá)90 ℃的熱水。所有3臺(tái)煙氣換熱器產(chǎn)出的熱水匯合進(jìn)入余熱水箱，溫度達(dá)到85～90 ℃，經(jīng)余熱水泵工作匯合后的熱水分成兩部分。一部分通過板式換熱器給二次側(cè)的高溫缸套水補(bǔ)熱，這樣可將缸套余熱水的溫度由63 ℃提高到約69 ℃。尾氣處理設(shè)備全部放置在瓦斯發(fā)電站房后的露天水平段，軟化水制取設(shè)備可放置在旁邊的泵房，板式換熱器、余熱水箱、水泵等放置在新設(shè)的換熱站房中。

2.2 高溫缸套水余熱利用系統(tǒng)

1) 井口加熱室原來共有10臺(tái)蒸汽熱風(fēng)機(jī)(空氣加熱器)，礦區(qū)鍋爐房產(chǎn)出的飽和蒸汽在熱風(fēng)機(jī)中與冷空氣進(jìn)行換熱，制取熱風(fēng)后匯入井口，單臺(tái)風(fēng)量為50 000 m3/h。對(duì)全部熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，換熱段變成兩級(jí)，第一級(jí)熱源為熱水，第二級(jí)為蒸汽(仍然由鍋爐房供應(yīng))，室外冷風(fēng)先后與熱水和蒸汽進(jìn)行換熱升溫后進(jìn)入井口。

2) 瓦斯發(fā)動(dòng)機(jī)高溫缸套水防凍液出水溫度約70 ℃，回水約60 ℃，溫差一般在10 ℃。坡下的4臺(tái)機(jī)組的缸套水原采用冷卻塔進(jìn)行水冷散熱，坡上的10臺(tái)機(jī)組原采用風(fēng)冷散熱模塊，由于距離較遠(yuǎn)，先將單臺(tái)機(jī)組的缸套水通過板換與循環(huán)水進(jìn)行換熱。高溫缸套水換熱后溫度由70 ℃降為60 ℃回到發(fā)電機(jī)組中，二次側(cè)熱水由50 ℃升為63 ℃，升溫后的熱水通過水箱匯集，匯合后的熱水量約350 m3/h，管徑為DN300。

為了進(jìn)一步提高進(jìn)入空氣加熱器的水溫，二次側(cè)的循環(huán)水從水箱出來后再與煙氣換熱器的熱水換熱，溫度升到約69 ℃，之后通過循環(huán)水泵進(jìn)入空氣加熱室10臺(tái)熱風(fēng)機(jī)的第一級(jí)換熱段，將室外冷風(fēng)從-10 ℃升溫到約17 ℃，熱水換熱降溫到50 ℃再回到匯集水箱中，一個(gè)循環(huán)完成，非采暖季缸套水通過瓦斯發(fā)電機(jī)組自帶的冷卻塔或者風(fēng)冷散熱器降溫，之后回到電機(jī)循環(huán)工作，不再給空氣加熱器工作。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)遙感技術(shù)目前已經(jīng)在我國地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)中得到了初步應(yīng)用。通過無人機(jī)遙感技術(shù)給地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)帶來了極大的便利，具有良好的發(fā)展前景。無人機(jī)遙感技術(shù)由簡單的傳感裝置，任務(wù)載荷系統(tǒng)以及無人機(jī)主機(jī)三部分構(gòu)成。通過這三部分的工作可以實(shí)現(xiàn)最快速度的高精準(zhǔn)度測(cè)繪工作，應(yīng)急救援工作以及地質(zhì)災(zāi)害全面評(píng)估工作。無人機(jī)遙感技術(shù)有著巨大的開創(chuàng)潛力，希望通過本文可以對(duì)相關(guān)人士有所幫助，開創(chuàng)出更加新穎具有實(shí)際意義的無人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

2.3 礦井水余熱利用系統(tǒng)

礦井水通過2臺(tái)水源熱泵提取熱量，制取的熱水先集中進(jìn)入緩沖水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵打到板式換熱器給高溫缸套水的供暖水回水補(bǔ)熱。水源熱泵機(jī)組從一側(cè)礦井水中吸取熱量，通過少量的高位電能輸入，使另一側(cè)的熱水溫度升高，供風(fēng)冷換熱器回水補(bǔ)熱升溫，實(shí)現(xiàn)了低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)化。

礦井水側(cè)的進(jìn)出口溫度為9 ℃/5 ℃，主管徑DN200。水源熱泵冷凝器側(cè)的進(jìn)出口溫度為58 ℃/65 ℃，主管徑DN150。水源熱泵制取的熱水通過緩沖水箱和水泵進(jìn)入板式換熱器，將空氣加熱室風(fēng)冷換熱器的回水從50 ℃升溫到52.5 ℃，循環(huán)水降溫成58 ℃回到水源熱泵冷凝器側(cè)，一個(gè)循環(huán)完成。

2.4 空壓機(jī)余熱系統(tǒng)

南豐工區(qū)共有4臺(tái)空壓機(jī)，由于其中1臺(tái)長期備用，故給3臺(tái)空壓機(jī)安裝換熱器。將空壓機(jī)油氣分離器出油口對(duì)接到換熱器進(jìn)油口上，將換熱器出油口對(duì)接到空壓機(jī)溫控閥處，經(jīng)過降溫?fù)Q熱制取熱水。3臺(tái)設(shè)備制取的熱水先集中進(jìn)入?yún)R集水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵打到井口加熱室的室內(nèi)暖氣片系統(tǒng)，降溫后回到匯集水箱。

2.5 瓦斯抽放站循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)

南豐工區(qū)瓦斯抽放站循環(huán)冷卻水40 m3/h，出水40 ℃進(jìn)冷卻塔冷卻后進(jìn)入冷卻水池，潛水泵抽取水池冷卻水進(jìn)抽放泵再次循環(huán)冷卻。余熱利用設(shè)計(jì)在水池新增2臺(tái)潛水泵，通過橡膠管連接將水池?zé)崴┙o坡下瓦斯發(fā)電圍墻外換熱設(shè)備，一次側(cè)采暖系統(tǒng)補(bǔ)水或回水作為冷卻水循環(huán)水，二次側(cè)使用抽放泵站水池水，通過板換設(shè)備將抽放泵站熱量提取匯集到余熱站房水箱。

3 余熱系統(tǒng)建設(shè)及調(diào)試運(yùn)行中存在主要問題及解決辦法

原設(shè)計(jì)中對(duì)空氣加熱室內(nèi)的暖風(fēng)機(jī)蒸汽板換全部拆除，并對(duì)暖風(fēng)機(jī)風(fēng)道進(jìn)行改造，將熱水換熱器安裝至蒸汽換熱器前段，對(duì)整個(gè)換熱系統(tǒng)進(jìn)行重新安裝，預(yù)計(jì)施工工期需要一個(gè)月。

經(jīng)過對(duì)原暖風(fēng)機(jī)內(nèi)的換熱機(jī)組進(jìn)行調(diào)研，經(jīng)過論證，把原有的蒸汽4組換熱器，拆除兩組，保留原有蒸汽系統(tǒng)的1/2換熱能力，將余熱利用換熱器安裝至風(fēng)機(jī)至原有蒸汽換熱器之間。這樣節(jié)約原有拆除蒸汽換熱系統(tǒng)的1/2工期，安裝工期100%。同時(shí)不破壞原有風(fēng)道及蒸汽供暖系統(tǒng)在。優(yōu)化施工方案后，原燃?xì)忮仩t蒸汽供暖系統(tǒng)的正常運(yùn)行不受影響。同時(shí)又縮短了風(fēng)道改造的工期，使得風(fēng)機(jī)內(nèi)部換熱系統(tǒng)改造時(shí)間縮短了2/3,縮短此處工期20 d，加快了整個(gè)工程的施工進(jìn)度。

工程系統(tǒng)調(diào)試過程中，對(duì)比原燃?xì)忮仩t供暖風(fēng)機(jī)溫度低20 ℃。原有暖風(fēng)機(jī)的給風(fēng)量與額定風(fēng)量存在差距，致使熱風(fēng)給風(fēng)量與井筒整體進(jìn)風(fēng)量占比較低。而原設(shè)計(jì)井筒進(jìn)風(fēng)量15 000 m3/min。按風(fēng)機(jī)額定50 000 m3/h(833.3 m3/min)，暖風(fēng)補(bǔ)給量為8 000 m3/min，冷風(fēng)補(bǔ)給量7 000 m3/min，暖風(fēng)占比53%。按風(fēng)機(jī)額定50 000 m3/h(833.3 m3/min)，實(shí)測(cè)9臺(tái)風(fēng)機(jī)給風(fēng)量約560 m3/min，1 臺(tái)進(jìn)風(fēng)量約300 m3/min。實(shí)測(cè)暖風(fēng)補(bǔ)給量約5 340 m3/min。實(shí)測(cè)約13 000～14 000 m3/min。暖風(fēng)占比38.14%～41%。

對(duì)調(diào)試中存在的問題進(jìn)行優(yōu)化解決。為了解決暖風(fēng)占比偏低的問題，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研利用南豐工區(qū)閑置4臺(tái)額定風(fēng)量80 000 m3/h的暖風(fēng)機(jī)，通過修建供風(fēng)風(fēng)道、增加暖風(fēng)機(jī)用于供暖，經(jīng)過實(shí)測(cè)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)給風(fēng)量約為850 m3/min，新增暖風(fēng)量約3 400 m3。集合原有10臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)風(fēng)量5 340 m3/min，使得暖風(fēng)供風(fēng)量達(dá)到8 000～8 700 m3/min，暖風(fēng)占比達(dá)到57%～62%(按井筒進(jìn)風(fēng)量13 000～14 000 m3/min核算)。有效提升井筒供熱保溫效果。

4 余熱系統(tǒng)在井筒保溫中供暖效果

經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)及調(diào)試運(yùn)行中存在的問題優(yōu)化，在運(yùn)行過程中對(duì)供暖效果進(jìn)行多次監(jiān)測(cè)。得出如下結(jié)論：

1) 主系統(tǒng)換熱溫降在室外溫度-3 ℃～0 ℃之間時(shí)，溫降約為5℃。在不啟用水源熱泵、瓦斯套缸水余熱、煙氣余熱，取熱效率為60%～70%時(shí)，開啟11臺(tái)風(fēng)機(jī)(3臺(tái)新增風(fēng)機(jī)、8臺(tái)原風(fēng)機(jī))，暖風(fēng)給風(fēng)量約6 500～7 100 m3/min。出風(fēng)溫度為30 ℃～33 ℃，冷空氣增溫約33 ℃，混合進(jìn)風(fēng)溫度約15 ℃～17 ℃。

2) 在室外溫度-11 ℃時(shí)，在未開啟水源熱泵補(bǔ)熱的情況下，開啟風(fēng)機(jī)11臺(tái)，主系統(tǒng)溫降7 ℃，井口混合進(jìn)風(fēng)溫度約10 ℃。

3) 根據(jù)以上數(shù)據(jù)測(cè)算，在室外溫度-16 ℃時(shí)，混合進(jìn)風(fēng)溫度約2.6 ℃。

4) 在啟動(dòng)水源熱泵補(bǔ)熱及有效利用瓦斯發(fā)電站的余熱，基本滿足極端天氣-18 ℃時(shí)井筒保溫要求。

5) 基本可以替代現(xiàn)有南豐燃?xì)忮仩t，年節(jié)約天然氣約120萬m3。節(jié)約燃?xì)獬杀炯s400萬元，節(jié)能能耗1 463 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排氮氧化物及煙塵。通過分享節(jié)能收益的模式，較以往采用燃?xì)忮仩t供暖可節(jié)約成本約100余萬元。隱含經(jīng)濟(jì)效益約300余萬元(為了節(jié)約天然氣，以往采用夜間燒爐保溫，白天不燒的模式供暖，而余熱利用則是24 h供暖。)

5 結(jié) 語

隨著國家節(jié)能減排的政策發(fā)展，合理地開發(fā)利用煤礦企業(yè)現(xiàn)有或潛在的余熱資源。將余熱應(yīng)用于冬季井筒保溫，一方面節(jié)約了常規(guī)供暖模式天然氣、電能等能源。另一方面降低了企業(yè)的冬季供暖成本，同時(shí)又做到了降耗減排的效果。對(duì)工礦企業(yè)的節(jié)能減排、降本增效具有重大的意義。