某礦區(qū)浴室廢水熱源利用工程探討

崔 高 峰

(中鐵十七局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030032)

1 任務(wù)由來(lái)及工程概況

隨著人類生活品質(zhì)的提高，洗浴熱水供應(yīng)所需的能耗也逐年增加，傳統(tǒng)能源(如燃煤鍋爐)的利用不僅消耗了大量的一次能源，而且其排放物污染大氣環(huán)境，國(guó)家環(huán)保政策等要求取締小型燃煤鍋爐，迫切需要解決礦區(qū)洗浴熱水的熱源問(wèn)題[1-3]。

本項(xiàng)目位于山西省某寒冷地區(qū)采煤礦區(qū)，較為偏遠(yuǎn)，無(wú)市政熱源且工廠周圍無(wú)工業(yè)余熱可利用，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，擬采用污水源熱泵機(jī)組提取礦區(qū)浴室洗浴廢水中的低溫?zé)崮茏鳛橄丛∮盟臒嵩?。由其他專業(yè)提供資料：該礦區(qū)實(shí)行三班制，每班洗浴人數(shù)80人，淋浴器用水定額為540 L/(人·h)，洗臉盆用水定額為80 L/(人·h)，浴池用水定額為700 L/m2[4],浴室內(nèi)設(shè)置4 m2的浴池2個(gè),洗浴時(shí)間為1 h，則每班用水量為55.2 m3；淋浴系統(tǒng)設(shè)有熱水給水箱，采用單管系統(tǒng)，給水由地下水供應(yīng)，水溫取10 ℃，熱水使用水溫為40 ℃，洗浴廢水排水水溫取33 ℃[5]，取熱后洗浴廢水的排放溫度為10 ℃。

2 污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 污水源熱泵系統(tǒng)的原理

根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，制冷劑在污水源熱泵機(jī)組中循環(huán)，低溫高壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥后成為低溫低壓的液態(tài)制冷劑，進(jìn)入蒸發(fā)器吸收洗浴廢水的熱量Q1后，成為蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)(輸入電量為Q2)壓縮后，成為高溫高壓的制冷劑進(jìn)入冷凝器進(jìn)行放熱后成為低溫高壓的液態(tài)制冷劑，完成一個(gè)循環(huán)。自來(lái)水經(jīng)過(guò)冷凝器吸收制冷劑放出的熱量(Q1+Q2)后溫度升高至40 ℃，儲(chǔ)存至保溫水箱供職工洗浴使用。洗浴后的廢水具有較高的排水溫度且溫度相對(duì)恒定，該廢水經(jīng)過(guò)機(jī)組的蒸發(fā)器給制冷劑提供熱量溫度降低后，排放至礦區(qū)污水管網(wǎng)。

2.2 熱平衡分析

給排水專業(yè)提供的相關(guān)資料可計(jì)算出：

1)洗浴廢水中蘊(yùn)含的熱量：Q1=C×m×ΔT=4.187×55.2×103×23=5.3×106kJ/h。其中，m為洗浴廢水流量，kg/d；C為水的比熱容，C=4.187 kJ/(kg·℃)；ΔT為洗浴廢水進(jìn)出污水源熱泵機(jī)組機(jī)房的溫差。2)根據(jù)文獻(xiàn)提供資料顯示[6]，該溫度范圍內(nèi)，污水源熱泵機(jī)組的年平均COP值取4.8，則洗浴廢水中賦存的可利用的熱量Q2=Q1×COP/(COP-1)=5.3×106×4.8/(4.8-1)=6.7×106kJ/h。3)定時(shí)供應(yīng)的洗浴用水小時(shí)耗熱量為Q3=C×m×ΔT=4.187×55.2×103×30=7.0×106kJ/h；由以上分析可知：可利用的熱量Q2小于洗浴熱源所需熱量Q3，需采用其他熱源補(bǔ)充加熱，該礦區(qū)利用空壓機(jī)的冷卻水作為補(bǔ)充熱源，由工藝專業(yè)提取冷卻水可提供100 kW的熱量, 空壓機(jī)余熱加熱自來(lái)水至40 ℃，直接作為淋浴熱水使用。根據(jù)以上分析可得由污水源熱泵機(jī)組提供的熱量為1 845 kW。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備選取及管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由以上分析以及建筑場(chǎng)地等綜合因素考慮，該項(xiàng)目采用4臺(tái)HL-765M型污水源熱泵機(jī)組，污水源熱泵機(jī)組的性能參數(shù)詳見(jiàn)表1，考慮機(jī)組需要經(jīng)常性清洗等因素，設(shè)計(jì)備用一臺(tái)機(jī)組。該機(jī)組具有以下特點(diǎn)：1)機(jī)組的壓縮機(jī)采用渦旋式，效率高，噪聲小；蒸發(fā)器采用滿液式蒸發(fā)器，提高了機(jī)組的效率，機(jī)組的額定能效比為5.03，遠(yuǎn)大于技術(shù)措施要求的3.0；2)機(jī)組內(nèi)的污水管道采用鎳白銅材質(zhì)，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用并聯(lián)式連接方式，即4臺(tái)機(jī)組共用污水泵等設(shè)備及管道；由于系統(tǒng)廢水主要來(lái)源于井下職工的洗浴，因此廢水內(nèi)煤炭顆粒等的雜質(zhì)比較多，系統(tǒng)設(shè)置了除砂器，在除砂器前端污水儲(chǔ)水箱的后端設(shè)置毛發(fā)聚集器。經(jīng)過(guò)過(guò)濾等流程，廢水還具有結(jié)垢性及腐蝕性，但相對(duì)于原生污水其性質(zhì)已減弱，故考慮采用直接式污水源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)污水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理之后直接進(jìn)入污水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，同間接式污水源熱泵系統(tǒng)相比，節(jié)省了換熱器，提高了機(jī)組的能效。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要監(jiān)測(cè)除砂器以及毛發(fā)聚集器、污水泵等的運(yùn)行狀態(tài)以此保證污水源熱泵機(jī)組污水側(cè)的正常運(yùn)行。考慮機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性以及污水的不連續(xù)性，系統(tǒng)中增設(shè)了污水水池，設(shè)計(jì)采用地下污水水池，其有效容積為70 m3。系統(tǒng)中的污水泵采用了4臺(tái)抗堵性較高的WP80-38/2管道型立式污水泵，其性能參數(shù)見(jiàn)表2?？紤]檢修方便等因素，將除砂器、毛發(fā)過(guò)濾器、污水泵等設(shè)備置于地下1層污水池周邊的專用泵房?jī)?nèi)。同時(shí)在地上污水源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置一套清洗裝置清洗污水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，避免蒸發(fā)器表面結(jié)垢以及附著異物，降低傳熱效率。考慮系統(tǒng)的排水管的承壓能力、腐蝕性以及表面粗糙度，設(shè)計(jì)采用U-PVC給水管作為污水泵房后的污水管道，機(jī)房?jī)?nèi)的其余管道采用鋼塑復(fù)合管，既增加了管道的強(qiáng)度，又提高了管道的耐腐蝕性，通過(guò)計(jì)算，合理選用管道的管徑。

為保證系統(tǒng)的可靠、智能化及節(jié)能運(yùn)行，系統(tǒng)多處安裝自動(dòng)化裝置，如：

1)廢水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器后的溫度大于10 ℃時(shí)，不能將廢水排放至室外污水管網(wǎng)，需要控制管網(wǎng)系統(tǒng)的電動(dòng)閥門(mén)將廢水返回至廢水箱內(nèi)；當(dāng)廢水水溫不大于10 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)開(kāi)啟排水管路的電動(dòng)閥，系統(tǒng)排水；2)在蒸發(fā)器進(jìn)出管道上設(shè)置壓差自動(dòng)報(bào)警裝置，壓差過(guò)大時(shí)，需要清洗蒸發(fā)器內(nèi)部等。為防止熱量損失，污水池至蒸發(fā)器的管道以及冷凝器出水的管道、熱水水箱、污水水箱均設(shè)置保溫系統(tǒng)。

表1 污水源熱泵機(jī)組參數(shù)

表2 污水泵參數(shù)

3 節(jié)能及環(huán)保分析

污水源熱泵機(jī)組提取了洗浴廢水中的低溫?zé)崃?，減少了一次性能源的消耗，從而在根本上減少了氮氧化物、硫化物、CO2以及粉塵等的排放。

3.1 節(jié)省一次性能源的計(jì)算

本工程經(jīng)過(guò)計(jì)算小時(shí)耗熱量Q3=7.0×106kJ，為合理分析機(jī)組的節(jié)能量，將其與燃煤鍋爐日耗煤進(jìn)行對(duì)比。采用燃煤鍋爐時(shí)，每班消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤M1=Q3/(qe×η1)=7.0×106/(29 307×0.6)=398 kg，其中，qe為標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量，其值按照規(guī)范選取，取29 307 kJ/kg;η1為燃煤鍋爐綜合效率，取60%[4]；采用污水源熱泵機(jī)組時(shí)，每班消耗的電量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤M2=Q3/(qe×η2×COP)=7.0×106/(29 307×0.3×4.8)=166 kg，其中，η2為電力輸入效率，取值0.3[7]。根據(jù)以上可得每班節(jié)煤量為232 kg,年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為251 t。

3.2 減少氮氧化物等的排放量計(jì)算

文獻(xiàn)[7]給出標(biāo)準(zhǔn)煤的污染物排放定額，詳見(jiàn)表3；減排量m=M×ri，其中，ri為每噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所產(chǎn)生的第i種污染物的質(zhì)量；根據(jù)以上分析可得該項(xiàng)目的年減排量，見(jiàn)表3。

表3 污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及該工程的年減排量

4 結(jié)語(yǔ)

本工程利用洗浴廢水中蘊(yùn)含的低溫?zé)崮茏鳛橄丛崴闹饕獰嵩?，采用高效的污水源熱泵系統(tǒng)，通過(guò)經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，可年節(jié)省標(biāo)煤251 t，年減少氧化氮物排放1.0 t，CO2排放690.3 t。

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