楊東蕻

（晉能控股煤業(yè)集團北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036000）

為了減少礦山燃煤鍋爐對環(huán)境的影響，計劃淘汰燃煤鍋爐，采用清潔能源供熱技術服務于礦山日常生產(chǎn)活動迫在眉睫[1-3]。北辛窯煤業(yè)有限公司積極響應國家對于環(huán)境保護新要求，采用清潔能源改造技術，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“燃煤粉”技術，有效實現(xiàn)了礦山工業(yè)廣場井筒避寒和建筑保暖[4-6]。

1 項目概況

北辛窯煤業(yè)位于山西省忻州市寧武縣，設計生產(chǎn)能力4 Mt/a，服務年限54 a。礦井工業(yè)廣場設有三臺20 t/h 煤粉鍋爐，對工業(yè)廣場辦公樓、工業(yè)建筑、井口防凍、生活熱水等進行供熱。礦井井筒（含主、副斜井、進風立井三個進風點）進風量共計15 265 m3/min，回風量平均為15 623 m3/min，礦井水平均排量10 000 m3/d。空壓機房內使用2 臺空壓機，制氮機房內使用4 臺空壓機，洗浴、生活用熱水300～500 m3/d。根據(jù)煤礦余熱資源及配電負荷剩余情況，采用直冷式深焓取熱乏風熱泵技術聯(lián)合涌水源熱泵技術進行工業(yè)場地井筒防凍供熱，采用空壓機余熱回收技術進行工業(yè)場地洗浴供熱，工業(yè)場地建筑采暖部分由天然氣鍋爐進行補充。

2 礦井熱負荷需求計算

1）井筒防凍熱負荷

礦井工業(yè)廣場進井筒分別為主斜井、副斜井和進風立井。冬季極端最低平均溫度為-28 ℃，入井混合溫度為2 ℃，井筒防凍熱負荷計算如式（1）。

式中：Q為熱負荷，kW；a為富裕系數(shù)，取1.1；Gr為礦井進風量，m3/s ；V為空氣密度，取1.13 kg/m3；C為空氣比熱容，kJ/（kg·℃），取1.01；t為冬季室外最低平均溫度，取t=-28 ℃。

主斜井進風量為3200 m3/min，副斜井進風量為5081 m3/min，進風立井進風量為6984 m3/min。經(jīng)計算可得：主斜井井筒防凍熱負荷2 007.4 kW，副斜井井筒防凍3 190.1 kW，進風立井井筒防凍4 383.9 kW。

2）生活熱水熱負荷

全礦生活用水最大量為500 m3/d，場區(qū)自來水平均溫度按12 ℃計算，生活熱水按45 ℃計算，生活用熱水熱負荷計算如公式（2）。

式中：C為水的比熱，4.2 kJ/（kg·℃）；M為每日用水總量，kg；△T為水溫差，℃。

可得Q=69.3 GJ。熱量為802.1 kW。工業(yè)廣場熱負荷匯總表見表1。

表1 工業(yè)廣場熱負荷匯總表

3 礦井可利用低溫熱源分析

1）洗浴廢水低溫熱源

職工澡堂最大用水量為500 m3/d。在浴池集中排放廢水過程，洗浴廢水排水溫度按35 ℃考慮，通過換熱器后溫度為15 ℃。洗浴廢水可提供的熱量Q1=C×M×△T=486.1 kW，洗浴廢水再通過熱泵機組，排放溫度為4 ℃，洗浴廢水可提供的熱量為Q2=C×M×△T=267.4 kW，熱泵機組可提供熱負荷為Q3=343.8 kW。洗浴廢水低溫熱源提供總熱量為Q廢水=Q1+Q2+Q3=829.9 kW。

2）礦井回風低溫熱源

回風井的總回風量為15 623 m3/min，冬季回風溫度相對恒定為7～8 ℃，相對濕度為80%，采用雙級提熱技術，一級提熱后溫度按2 ℃，二級提熱后溫度按-4 ℃。一級換熱可提取的熱量為：

二級換熱可提取的熱量為：

式中：Lh為風井回風量，260.4 m3/s；ρ為回風空氣密度，1.13 kg/m3；H為回風熱回收前焓值，風溫8 ℃，相對濕度80%，焓值為23.4 kJ/kg；H1為回風一級熱回收后焓值，風溫2 ℃，相對濕度100%，焓值14.5 kJ/kg；H2為回風二級熱回收后焓值，風溫-4 ℃，焓值3.3 kJ/kg。

代入數(shù)值計算可得：一級換熱可提取的熱量Q1=2 618.8 kW，二級換熱可提取的熱量Q2=3 295.6 kW。采用乏風源熱泵機組回收礦井回風二級換熱量，熱泵機組能效比按2.7 計算，則熱泵系統(tǒng)可提供熱負荷為5 234.2 kW。

3）礦井水低溫熱源

礦井水平均排水量為10 000 m3/d，排水溫度為9～10 ℃，通過熱泵后溫度為4 ℃，礦井水可提供的熱量為：Q=C×M×△T=2 430.6 kW。采用礦井水源熱泵機組回收礦井水余熱，熱泵機組能效比按3.2計算，則系統(tǒng)可提供熱負荷為3 535.4 kW。

4）空壓機、制氮機低溫熱源

余熱利用裝置充分利用了空壓機高溫油氣中的熱能。在壓縮空氣站內設4 臺WL-280H 型余熱利用裝置，與空壓機1 對1 配置，則空壓機可提供熱負荷為：280×2×0.7=392 kW。在制氮機房內設4臺WL-250H 型余熱利用裝置，與空壓機1 對1 配置，則空壓機可提供熱負荷為：250×4×0.7=700 kW。

低溫熱源匯總見表2。工業(yè)廣場采暖季最大熱負荷為38 729 kW，現(xiàn)有低溫熱源有礦井水余熱、礦井回風余熱、洗浴廢水余熱、空壓機和制氮機余熱，可充分利用所有低溫熱源，可提供的最大熱負荷為13 310.3 kW。礦井工業(yè)廣場非采暖季只有生活熱水熱負荷802.1 kW，為了最大限度節(jié)省運行費用，非采暖季使用空壓機余熱和制氮機余熱可提供的熱負荷為1092 kW，滿足熱負荷需求，運行費用大大降低。

表2 低溫熱源匯總表

4 工業(yè)廣場清潔能源供熱技術供熱改造

4.1 熱源與熱負荷

1）洗浴廢水余熱利用系統(tǒng)

洗浴廢水余熱全部用來加熱生活熱水，采暖季運行，洗浴廢水余熱可提供熱負荷為829.9 kW，生活熱水所需熱負荷為802.1 kW，滿足使用要求。

2）礦井水+礦井回風+空壓機+制氮機余熱利用系統(tǒng)

空壓機余熱可提供熱負荷為392 kW，制氮機余熱供熱量為700 kW，礦井水余熱利用熱泵系統(tǒng)可提供熱量為3 535.4 kW，礦井回風一級換熱量為2 618.8 kW，礦井回風二級換熱泵系統(tǒng)可提供熱量為5 234.2 kW，礦井回風距離進風立井很近，一級換熱量2 618.8 kW 全部用來預熱進風立井進風，而進風立井總熱負荷為4 383.9 kW，需要補充熱量為1 765.1 kW，因此空壓機+制氮機+礦井水+礦井回風熱泵系統(tǒng)剩余熱量為8 096.5 kW，用于解決回風井附近建筑物采暖。

3）燃氣鍋爐系統(tǒng)

建筑采暖及主、副斜井井筒防凍熱負荷為33 543 kW，“空壓機+制氮機+礦井水+礦井回風熱泵系統(tǒng)”，采暖供熱缺口25 446.5 kW，采用燃氣鍋爐系統(tǒng)。同時燃氣鍋爐向熱泵機房板式換熱器引一趟分支管路，作為熱泵系統(tǒng)備用熱源。熱源與熱負荷對應關系見表3。

表3 熱源與熱負荷對應關系

4.2 經(jīng)濟性分析

本項目通過空壓機、制氮機余熱利用系統(tǒng)、礦井水余熱利用系統(tǒng)、洗浴廢水余熱利用系統(tǒng)、礦井回風余熱利用系統(tǒng)和燃氣鍋爐技術，解決北辛窯煤礦工業(yè)廣場建筑采暖、井筒防凍、生活熱水問題，實現(xiàn)綠色能源回收利用、節(jié)能減排的目標。

（1）環(huán)保效益。項目實施后將實現(xiàn)廢熱回收，變廢為寶，符合國家循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排等產(chǎn)業(yè)政策和山西省委省政府轉型發(fā)展的總體要求。每年節(jié)約煤炭783.5 t，減排二氧化碳2 037.2 t，減排二氧化硫15.7 t，減排氮氧化物7.8 t。

（2）經(jīng)濟效益。項目實施后年運行費用為3 029.05 萬元，較煤粉鍋爐運行費用低。

（3）社會效益。項目實施后將實現(xiàn)污染物零排放的目標，為山西省碧水藍天的奮斗目標做出貢獻。

5 結語

本項目通過空壓機、制氮機余熱利用系統(tǒng)、礦井水余熱利用系統(tǒng)、洗浴廢水余熱利用系統(tǒng)、礦井回風余熱利用系統(tǒng)和燃氣鍋爐技術，解決北辛窯煤礦工業(yè)廣場建筑采暖、井筒防凍、生活熱水問題，實現(xiàn)綠色能源回收利用、節(jié)能減排的目標，切實解決實際問題，環(huán)保效益突出、經(jīng)濟效益可觀、社會效益顯著。