朱 劍，魏曉峰，方 星，馮非凡

(通用技術(shù)集團工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031)

在礦井建設(shè)、生產(chǎn)過程中通常存在著余廢熱資源，如空壓機余熱、礦井回風(fēng)余熱等，有效利用此類資源可減少一次能源消耗，提高能源利用效率[1]。花草灘煤礦位于甘肅省張掖市山丹縣東部，其建筑物供暖、井筒防凍及浴室供熱負(fù)荷由3臺10 t/h燃煤鏈條爐排蒸汽鍋爐供熱。目前，鍋爐已運行近10 a，出現(xiàn)出力不足、銹蝕、損壞等現(xiàn)象。為貫徹“高效運營、綠色環(huán)保”的礦井建設(shè)發(fā)展理念，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際和政策要求[2，3]，淘汰現(xiàn)有燃煤鍋爐，新增熱源并改造現(xiàn)有供熱系統(tǒng)，以解決煤礦用熱問題。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，煤礦周邊無區(qū)域集中熱源可資利用，且當(dāng)?shù)厝細(xì)馀c燃油供應(yīng)不足。通過調(diào)查分析煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源，本研究提出了一種基于空氣能、空壓機余熱及回風(fēng)余熱利用的供熱方案。該方案利用煤礦優(yōu)質(zhì)余熱資源供熱，投資運行費用低，對減少一次能源消耗及碳排放具有積極意義，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著。

1 煤礦熱負(fù)荷

煤礦熱負(fù)荷分為建筑物供暖、浴室供暖及井筒防凍三部分。其中，建筑物供暖由室內(nèi)散熱器系統(tǒng)供應(yīng)，熱媒為熱水，運行溫度65/50 ℃，供暖總熱負(fù)荷8232.2 kW；浴室供熱分為浴室加熱和洗衣、烘干供熱，加熱熱媒為0.3～0.4 MPa飽和蒸汽，浴室供熱熱負(fù)荷2431.6 kW；井筒防凍采用工業(yè)熱風(fēng)器，分別布置在井口兩側(cè)的空氣加熱室內(nèi)，確保井口進風(fēng)溫度達(dá)到2 ℃以上，井筒防凍熱負(fù)荷3724.0 kW。熱負(fù)荷匯總見表1。

表1 熱負(fù)荷匯總

2 煤礦余熱資源分析

針對煤礦工藝特征，發(fā)掘其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源。同時，找出煤礦所在地自然環(huán)境中可利用的余熱資源。

2.1 煤礦回風(fēng)余熱

煤礦回風(fēng)溫度受室外氣溫影響較小，冬季相對穩(wěn)定，是一種可資利用的低溫?zé)嵩?。煤礦回風(fēng)熱能提取的回風(fēng)風(fēng)量大，如果增加換熱設(shè)備不當(dāng)很可能會增加阻力，造成煤礦通風(fēng)機電機負(fù)荷加大，浪費電能，甚至?xí)绊懨旱V通風(fēng)質(zhì)量[7]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，花草灘煤礦回風(fēng)風(fēng)量、溫度和濕度全年較為穩(wěn)定，且隨著井下開拓的延深，進風(fēng)量、回風(fēng)量同步增加，可采用煤礦回風(fēng)熱能提取裝置直接換熱提取回風(fēng)余熱。冬季時煤礦回風(fēng)風(fēng)量為5953 m3/min，回風(fēng)溫度22 ℃，相對濕度69%；根據(jù)回風(fēng)余熱提取方式不同，提取熱量后的回風(fēng)溫度為2～12 ℃，可從煤礦回風(fēng)余熱中提取的熱量4800～2600 kW?；ú轂┟旱V通風(fēng)方式為副井進風(fēng)，主井回風(fēng)，主副井距離150 m。進、回風(fēng)井的距離和周邊場地均具備布置回風(fēng)余熱設(shè)施的條件。因此，回風(fēng)余熱是該項目優(yōu)質(zhì)的余熱資源。

2.2 礦井水余熱

目前，礦井水正常排水量約100 m3/h，排水溫度20 ℃左右，考慮到礦井水處理過程散熱損失，取冬季可利用溫差為10 ℃，則礦井水余熱量約1100 kW。為了達(dá)到煤礦廢水零排放，礦方將采用先進技術(shù)手段在井下對礦井水進行處理及綜合利用，逐步減少礦井水上井量，最終達(dá)到礦井水全部井下利用。因此，不考慮礦井水余熱資源利用。

2.3 空壓機余熱

煤礦空壓機房設(shè)置4臺風(fēng)冷式螺桿空壓機(3用1備)，單臺電功率為250 kW。根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況，煤礦最少2臺空壓機24 h運行，第3臺根據(jù)井下生產(chǎn)情況進行調(diào)整?？諌簷C在運行時，約有80%的電能轉(zhuǎn)化為熱量，通過風(fēng)冷或者水冷的方式排放到空氣中，該部分熱量中有82%可被回收利用，計算可得：空壓機運行24 h可制備的熱水量(即每天熱水產(chǎn)量)為226 m3，滿足煤礦每日150 m3洗浴用水量需求。目前，空壓機余熱利用技術(shù)成熟、設(shè)備市場化水平較高，并已廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)的洗浴、供暖等領(lǐng)域[8-11]。因此優(yōu)先利用該余熱資源。

2.4 空氣能

空氣能，是指空氣中所蘊含的低品位熱能。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌兓?。所以，要利用低品位熱?空氣能時，需要采用空氣源熱泵技術(shù)，從空氣中吸收熱量并傳到高溫物體或環(huán)境。目前，我國空氣源熱泵技術(shù)已廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)建筑物供暖和熱水供應(yīng)[4-6]。花草灘煤礦地處嚴(yán)寒地區(qū)，熱泵選型是保證空氣能有效利用和供暖效果的關(guān)鍵。雙極型空氣源熱泵能在嚴(yán)寒條件下有效利用空氣能供暖，同時可避免普通型空氣源熱泵在同類條件下運行時存在的吸氣比容大、吸氣壓力降低、壓比增大、排氣溫度過高，導(dǎo)致能效比(EER)急速下降的問題。該型熱泵由低溫級和高溫級兩個獨立的冷媒系統(tǒng)耦合組成，低溫級通過其冷媒優(yōu)良的低溫環(huán)境蒸發(fā)性能，從環(huán)境中吸取低品位熱能轉(zhuǎn)移至高溫級。高溫級運用其冷媒高冷凝溫度低系統(tǒng)壓力的物理性質(zhì)，通過冷凝蒸發(fā)器的耦合使壓縮機維持在合適的壓比，可穩(wěn)定制取供暖熱水，使系統(tǒng)能效比保持在較高水平，保證供暖效果。因此，優(yōu)先考慮使用空氣能。

2.5 太陽能

項目所處地區(qū)太陽能年輻射量屬一類地區(qū)，太陽能資源豐富。經(jīng)計算，該地區(qū)太陽能集熱器產(chǎn)生1 m3熱水需要的建筑面積約為15 m2。由于該項目實施主要位于工業(yè)場地內(nèi)，可利用的地面場地有限，且建構(gòu)筑物多為車間、行政辦公等已有建筑物，屋頂改造難度大。綜合考慮熱負(fù)荷情況，當(dāng)其他能源不能滿足供熱改造需求時，再考慮利用太陽能。

3 供熱改造方案

依據(jù)煤礦用熱負(fù)荷、余熱資源分布特點及供熱方案設(shè)計原則，確定了一種基于煤礦余熱資源利用的供熱系統(tǒng)：建筑物供暖由空氣源熱泵系統(tǒng)供應(yīng)，浴室洗浴由空壓機余熱利用系統(tǒng)供應(yīng)，井筒防凍由低溫?zé)峁芑仫L(fēng)余熱利用系統(tǒng)供應(yīng)。

1)空氣源熱泵系統(tǒng)。空氣源熱泵系統(tǒng)由雙級高溫?zé)岜脵C組[12]、水泵、補水定壓裝置及水箱等組成。其中，雙級高溫?zé)岜脵C組通過兩個獨立冷媒系統(tǒng)耦合運行，能在極低溫度空氣中提取低品位熱能，以確保供暖系統(tǒng)在當(dāng)?shù)貒?yán)寒氣候條件下正常運行?？紤]到煤礦工業(yè)場地與公司駐地距離3 km，且各區(qū)域內(nèi)供暖建筑物分布疏密不均，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)采用分布式布置，將區(qū)域內(nèi)距離相近的供暖建筑物作為一個供暖區(qū)域，共劃分為7個系統(tǒng)區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置空氣源熱泵設(shè)備和輔助設(shè)備機房一座，并利用就近的室外供暖管網(wǎng)。系統(tǒng)熱負(fù)荷及熱泵機組配置詳見表2。

表2 系統(tǒng)熱負(fù)荷及熱泵機組配置

2)空壓機余熱利用系統(tǒng)。空壓機余熱利用系統(tǒng)主要設(shè)備包括空壓機熱回收機組、水-水換熱器、循環(huán)水泵、管路等，通過換熱器提取空壓機中的部分壓縮熱，制得60/50 ℃熱水，通過間接連接換熱系統(tǒng)將洗浴用水加熱至45 ℃，洗衣烘干用蒸汽供應(yīng)改造為電加熱方式。

3)回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)。目前，國內(nèi)煤礦回風(fēng)余熱利用方式主要有：噴淋式換熱+熱泵、氣-液間壁式換熱+熱泵、低溫?zé)峁堋＂賴娏苁綋Q熱+熱泵方式通過取熱水和回風(fēng)直接接觸提取熱能，系統(tǒng)由噴淋間、循環(huán)泵、儲水及補水系統(tǒng)組成，設(shè)備設(shè)施多、運維工作量大，受制于回水溫度影響，其取熱溫差小，能耗、水耗較大。②氣-液間壁式換熱+熱泵方式通過閉式循環(huán)水系統(tǒng)換熱，在添加乙二醇后可實現(xiàn)較大溫差取熱，能耗和水耗與噴淋式換熱+熱泵方式相當(dāng)。③低溫?zé)峁芊绞嚼蔑L(fēng)-風(fēng)間壁方式通過熱管將回風(fēng)加熱進風(fēng)，可實現(xiàn)大溫差取熱，系統(tǒng)設(shè)備少，運維工作量小，能耗和水耗均小于其他二種方式，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)運行基本無影響。當(dāng)?shù)馗稍锶彼?、冬季?yán)寒，結(jié)合三種回風(fēng)余熱利用方式特點，確定采用低溫?zé)峁芊绞剑摲绞较到y(tǒng)簡單、運行成本低、檢修維護方便，負(fù)荷適應(yīng)性強，且不存在結(jié)冰風(fēng)險，場地條件滿足設(shè)備和風(fēng)管布置需求。低溫?zé)峁芑仫L(fēng)余熱利用系統(tǒng)主要包括低溫?zé)峁軗Q熱機組和風(fēng)阻平衡誘導(dǎo)風(fēng)機，后者可平衡換熱器增加的風(fēng)阻并提高換熱效果[13-15]。系統(tǒng)采用間壁換熱方式，利用熱管工質(zhì)的氣化吸熱過程提取煤礦回風(fēng)中的低溫?zé)崮埽ㄟ^熱管工質(zhì)冷凝放熱過程加熱煤礦進風(fēng)，實現(xiàn)煤礦回風(fēng)和進風(fēng)的熱量交換，滿足井口防凍的進風(fēng)要求。煤礦余熱資源利用供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煤礦余熱資源利用供熱系統(tǒng)示意

4 效益分析

4.1 投資運行費用

該項目以電熱水鍋爐供暖、供熱方案作為對比。根據(jù)前述分析，煤礦供暖期最大熱負(fù)荷14107.8 kW，需安裝3臺4.9 MW電熱水鍋爐，供暖期3臺運行，非供暖期1臺運行。鍋爐檢修在非供暖期進行。利用現(xiàn)有鍋爐房熱交換設(shè)備、循環(huán)水泵、補水定壓設(shè)備、水處理等設(shè)備及供回水管路，改造現(xiàn)有鍋爐房供配電系統(tǒng)，同時對現(xiàn)有井筒防凍供熱設(shè)備及室外管網(wǎng)、現(xiàn)有浴室供熱管網(wǎng)進行改造。該方案工程直接投資額為650萬元。其中，建筑物供暖系統(tǒng)改造直接投資額420萬元；浴室供熱系統(tǒng)改造直接投資額20萬元；井筒防凍系統(tǒng)改造直接投資額210萬元。根據(jù)花草灘煤礦平均電價0.522元/(kW?h)，電鍋爐系統(tǒng)熱效率取0.95，供暖系統(tǒng)一天運行20 h，一年運行172 d，可以計算出年運行費用為2390.96萬元。

采用煤礦余熱資源供熱系統(tǒng)方案時，工程直接投資額為5997.23萬元，各分項投資詳見表3?？諝庠礋岜枚竟┡骄鶡嵝嗜?.9，供暖期運行。空壓機余熱加熱系統(tǒng)主要耗電設(shè)備為循環(huán)水泵，全年運行。低溫?zé)峁芑仫L(fēng)余熱利用系統(tǒng)主要耗電設(shè)備為10臺軸流風(fēng)機，按供暖季全部開啟考慮。經(jīng)計算，以上總運行費用為775.26萬元。

表3 供熱方案經(jīng)濟比較

綜上所述，煤礦余熱供熱方案雖然初期投資較高，但其運行費用遠(yuǎn)低于電熱水鍋爐供熱方案。3.3 a后，煤礦余熱供熱方案的經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)勢將得到凸顯，每年節(jié)約運行費用1615.7萬元。兩種方案初投資、運行費用計算見表3。

4.2 環(huán)境效益

若采用電熱水鍋爐方案，年耗電量約4580.39萬kW?h。當(dāng)采用煤礦余熱資源供熱方案時，年耗電量1485.17萬kW?h，年節(jié)約電量3095.22萬kW?h，折標(biāo)煤30383.66 t。按照國家發(fā)改委研究院推薦的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，每節(jié)約1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排2.4567 t CO2，0.0165 t SO2，0.0156 t NOx，煙塵減排0.0096 t，經(jīng)折算，系統(tǒng)年減排量如下：74643.56 t CO2，501.33 t SO2，473.99 t NOx，煙塵 291.68 t。

5 結(jié) 論

通過分析花草灘煤礦余熱資源和熱負(fù)荷，提出了一種煤礦余熱資源供熱系統(tǒng)方案，確定煤礦建筑物供暖采用空氣源熱泵方式，浴室供熱采用空壓機余熱利用系統(tǒng)，井筒防凍采用煤礦回風(fēng)余熱熱管加熱系統(tǒng)，能夠解決花草灘煤礦取消燃煤鍋爐后建筑物、浴室及井筒的供暖、供熱問題，與采用電熱水鍋爐方案對比，其系統(tǒng)運行費用可節(jié)約1615.7萬元/a，且減排優(yōu)勢明顯，遠(yuǎn)期經(jīng)濟、環(huán)保效益十分顯著。該方案結(jié)合煤礦所在地能源供應(yīng)情況，因地制宜利用煤礦優(yōu)質(zhì)余熱資源供暖、供熱，在保證煤礦安全生產(chǎn)的同時，可促進煤炭企業(yè)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低投資運行成本，響應(yīng)國家節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟的政策要求，對建設(shè)低碳煤礦具有積極意義。