張家峁煤礦礦井水余熱利用分析與方案設(shè)計

孟海強(qiáng)，王 慧

(陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西神木 719300)

0 引言

陜煤集團(tuán)張家峁煤礦位于陜西省神木市北部，由陜煤韓城礦業(yè)公司和神木縣國有資產(chǎn)運(yùn)營公司共同出資組建的大型國有股份制企業(yè)。礦井井田面積51．98 km2，地質(zhì)儲量 8．65 億 t，采掘均采用國際、國內(nèi)先進(jìn)設(shè)備，機(jī)械化程度達(dá)到100%。設(shè)計生產(chǎn)能力600萬t/a，2009年5月礦井試生產(chǎn)成功，2012礦井生產(chǎn)能力核定為1 000萬t/a。目前連續(xù)多年均突破了1 000萬t原煤生產(chǎn)。該礦井屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井，水害威脅嚴(yán)重。目前，該礦正常涌水量約500 m3/h。礦井涌水量大是“害”，但合理利用就能變成“寶”。近年來，隨著國家不斷加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理力度，加快解決燃煤污染問題，通過余熱利用，大幅減少、逐步取締燃煤鍋爐已是大勢所趨。

1 改造背景

張家峁煤礦礦區(qū)工業(yè)場地已經(jīng)建成一座鍋爐房，內(nèi)有1臺35 t/h和2臺20 t/h煤粉鍋爐，主要承擔(dān)采暖和提供熱水的任務(wù)。

張家峁煤礦廠區(qū)內(nèi)熱水用水點(diǎn)包括1號公寓樓、2號公寓樓、新浴室、老浴室、食堂、招待所等。在非采暖期，仍然需間斷運(yùn)行1臺20 t/h鍋爐產(chǎn)蒸汽加熱熱水，再由鍋爐房熱水供水泵集中供應(yīng)各用水點(diǎn)熱水箱或直接使用。在采暖期內(nèi)，該套鍋爐連續(xù)運(yùn)行，除供應(yīng)熱水外，還與其他鍋爐產(chǎn)蒸汽一起供應(yīng)廠區(qū)采暖使用。

目前，尤其是非采暖期內(nèi)運(yùn)行模式中主要存在以下缺點(diǎn):①非采暖期鍋爐處在不連續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行模式，鍋爐運(yùn)行效率低下;②不連續(xù)運(yùn)行環(huán)保材料單耗偏高，且必須滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求;③鍋爐系統(tǒng)工段多(包括配電、鍋爐、化水、環(huán)保、輔機(jī)等)，尤其是在非采暖期單位熱水量運(yùn)行、管理成本偏高。

通過對張家峁煤礦的礦井水熱源進(jìn)行分析、清潔改造，實現(xiàn)供應(yīng)熱水取代非采暖期間斷運(yùn)行的鍋爐，達(dá)到降低運(yùn)行、管理成本，并能達(dá)到清潔供熱的目的。同時該套清潔供熱系統(tǒng)也能夠在采暖期部分時間段為系統(tǒng)提供熱水，降低采暖期鍋爐運(yùn)行成本。

2 清潔供熱思路及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2．1 設(shè)計總體依據(jù)

以張家峁現(xiàn)有供熱系統(tǒng)及目前運(yùn)行成本統(tǒng)計為基礎(chǔ)，依據(jù)對現(xiàn)場管網(wǎng)流程的了解、各時段用水量統(tǒng)計分析及廠區(qū)可利用熱源條件，設(shè)定參數(shù)滿足改造后系統(tǒng)高效運(yùn)行要求。以對系統(tǒng)改動最小為原則，改造過程中盡量不影響系統(tǒng)正常使用;尊重系統(tǒng)運(yùn)行實際情況及國家有關(guān)規(guī)范;遵守清潔供熱技術(shù)功能要求。

2．2 達(dá)到的功能目標(biāo)

熱水供應(yīng)系統(tǒng)通過清潔改造，應(yīng)達(dá)到:①在非采暖季節(jié)能夠停運(yùn)現(xiàn)有間斷運(yùn)行的煤粉鍋爐，全部運(yùn)用清潔能源供應(yīng)熱水方式;②綜合運(yùn)用熱泵、太陽能清潔供熱技術(shù)，做到非采暖期內(nèi)煤零消耗(基本保證每年7～8個月)，消除環(huán)保壓力;③降低運(yùn)行能耗及管理成本;④系統(tǒng)運(yùn)行可靠，改造后系統(tǒng)模式與現(xiàn)有模式能夠通過閥門容易切換，不影響原有系統(tǒng)可靠性及安全性;⑤具有與現(xiàn)有 DCS系統(tǒng)對接功能。

2．3 目前熱水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

為了增加系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及分析可靠性，對系統(tǒng)鍋爐房補(bǔ)水、新浴室熱水供水、新浴室冷水補(bǔ)水、老浴室熱水供水、老浴室冷水補(bǔ)水、浴室回水安裝了水表，并連續(xù)6天對用水情況進(jìn)行水量計量。

統(tǒng)計期間天氣及總體運(yùn)行數(shù)據(jù):統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 天氣溫度及熱水供應(yīng)量

時段水量不平衡統(tǒng)計:①新浴室平均每天75．1 m3，最高每天 75．3 m3，2 h 時段最高 19．2 m3、14．4 m3;②老浴室平均每天 55．85 m3，最高每天 56．8 m3，2 h 時段最高 14．7 m3、14．9 m3;③浴室合計平均每天 127．75 m3，最高每天 130．75 m3，2 h 時段最高 25．5 m3、24．55 m3;④其他(間接計量)平均每天322．8 m3，最高每天 371．65 m3，2 h 時段最高 75.3 m3、47．9 m3;⑤總供水平均每天 450．55 m3，最高每天496．4 m3，如圖 1 所示。

圖1 浴室總的熱水供應(yīng)量

3 清潔供熱方案

3．1 供水指標(biāo)

目前情況:供熱水溫度—初始冷水水溫15℃、供熱水溫度70℃;供熱水量—浴室供熱水量130 t/d、生活用水量370 t/d，合計耗熱水量500 t/d。

設(shè)計指標(biāo):為了提高清潔供熱系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行效率，清潔改造后按照50℃(最高55℃)熱水供應(yīng)溫度設(shè)計及運(yùn)行，可滿足正常熱水使用要求?，F(xiàn)70℃熱水折合供水溫度為50℃時設(shè)計水量，則浴室熱水量204 t/d、生活用水量581 t/d，合計水量785 t/d。

3．2 供熱量設(shè)計

非采暖期內(nèi)，按照熱水供水量785 t/d，其鍋爐房熱水箱冷水補(bǔ)水溫度15℃、供熱水溫度50℃，全天合計供熱量:785×4．18×(50－15)÷1 000=115 GJ。

平均每小時供熱量:115÷24=4．79 GJ/h，平均每小時熱量折合1 331 kW。

3．3 熱源選擇

為了使系統(tǒng)能夠常年連續(xù)運(yùn)行，結(jié)合張家峁煤礦廠區(qū)實際情況，各清潔供熱熱源見表2。

表2 熱源一覽表

根據(jù)以上比較可得，采用水源熱泵搭配適當(dāng)?shù)奶柲芗療嵯到y(tǒng)，能夠穩(wěn)定、低成本地運(yùn)行。

3．4 水源熱泵

根據(jù)張家峁煤礦實際情況，礦井正常有170 t/h(折合每天4 080 t)涌水量通過井下水泵輸送至礦井水處理站，生活污水正常有41 t/h(折合每天1 000 t)進(jìn)入生活污水處理站進(jìn)行處理，處理后水質(zhì)較清潔，可以達(dá)標(biāo)排放，非采暖期內(nèi)其可利用溫度約15℃以上，可通過水源熱泵提取該部分水體中的熱量，提供清潔熱水供應(yīng)張家峁廠區(qū)內(nèi)各區(qū)域使用。

凈化后水按照通過回收其熱量，使溫度降至7℃(回收8℃溫差熱量)計算，每天可提取水體熱量為:(4 080+1 000)×4．18×(15－7)÷1 000=167．2 GJ＞115 GJ。

可提熱量遠(yuǎn)大于熱水總需熱量115 GJ，完全滿足生活、洗浴用熱水，使非采暖期內(nèi)無需運(yùn)行燃煤鍋爐。

為了提高熱泵運(yùn)行效率，滿足正常熱水使用要求，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，專業(yè)定制。水源熱泵參數(shù)見表3。

表3 水源熱泵參數(shù)

3．5 太陽能集熱系統(tǒng)

為了進(jìn)一步減少能源消耗，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有條件，可在1號、2號公寓樓頂分別布置200 m2(合計400 m2)的太陽能集熱器，集熱作為供熱系統(tǒng)補(bǔ)充，達(dá)到更節(jié)能、環(huán)保的目的。真空管規(guī)格Ф58 mm×1 800 mm，進(jìn)水溫度15℃、出水溫度50℃，每棟公寓樓可產(chǎn)熱水量9．4 t/d。

3．6 系統(tǒng)主要設(shè)備

清潔供熱水系統(tǒng)主要設(shè)備材料明細(xì)見表4。

3．7 供熱系統(tǒng)流程

熱泵系統(tǒng):鍋爐房水箱熱水通過熱水泵輸送至水源熱泵冷凝器升溫后回至熱水箱。礦井水經(jīng)處理后輸送至消防水池的水，通過消防水池循環(huán)泵將水輸送至熱泵蒸發(fā)器，降溫后返回至消防水池。生活水經(jīng)處理后輸送至消毒水池的水，通過清潔水消毒池循環(huán)泵將水輸送至熱泵蒸發(fā)器，降溫后返回至消毒水池。

表4 主要設(shè)備材料明細(xì)表

太陽能供熱系統(tǒng):自來水補(bǔ)入緩沖水箱，經(jīng)給水泵輸送至太陽能集熱器，經(jīng)溫度控制升溫至50℃輸送至相應(yīng)的熱水箱。

熱水供水系統(tǒng):仍然通過現(xiàn)有的熱水給水泵輸送至原來熱水管網(wǎng)，運(yùn)行模式不變。

系統(tǒng)流程圖:清潔供熱系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 清潔供熱系統(tǒng)流程圖

3．8 平面布置圖

主設(shè)備房布置于鍋爐房側(cè)，內(nèi)置主設(shè)備、清潔熱水循環(huán)泵、控制系統(tǒng)等;消防水池循環(huán)泵、消毒水池循環(huán)泵及控制柜布置于各水池側(cè)，如圖3所示。

圖3 設(shè)備平面布置圖

4 成本及效益

4．1 運(yùn)行成本

滿足目前生活、洗浴用熱水情況下，系統(tǒng)運(yùn)行耗能設(shè)備有水源熱泵、清潔熱水循環(huán)泵、熱源水循環(huán)泵及太陽能集熱器給水泵。

水源熱泵耗電功率:2×208=416 kW

清潔熱水循環(huán)泵耗電功率:2×12．4=24．8 kW

熱源水循環(huán)泵耗電功率:2×16=32 kW(消防水池或消毒水池)

太陽能集熱器供水泵:2×1．1=2．2 kW

合計耗電功率:416+24．8+32+2．2=475 kW

每月耗電量:475×720=342 000度/月，每月運(yùn)行電費(fèi):342 000 ×0．5=171 000 元/月。

4．2 經(jīng)濟(jì)效益分析

直接經(jīng)濟(jì)效益:根據(jù)張家峁礦井非采暖期運(yùn)行成本，成本包括電力消耗、煤消耗、環(huán)保設(shè)施耗材、維護(hù)檢修材料配件費(fèi)用等，每月消耗成本452 788元/月，改造后運(yùn)行成本為能耗成本171 000元/月、運(yùn)維成本約25 000元/月，改造后合計運(yùn)行成本196 000元/月可滿足生活、洗浴用熱水需求。按照礦區(qū)平均3 000人用熱水，改造前人均每天熱水成本為452 788÷30÷3 000=5．03元/人·天，按照礦區(qū)平均3 000人用熱水，改造后人均每天熱水成本:196 000÷30÷3 000=2．18元/人·天;每月節(jié)約成本 452 788－196 000=256 788元/月;按照該系統(tǒng)年運(yùn)行8個月(非采暖期6個月、采暖期2個月)計算，年節(jié)約成本8×256 788=2 054 304元/年。

節(jié)能環(huán)保效益:通過清潔供熱技術(shù)改造，可有效降低燃煤消耗量，還具有環(huán)保效益。改造后耗電折算標(biāo)煤量3．8 t，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，改造前僅煤粉每天消耗量10 t/d，每天節(jié)約煤量6．2 t，一年非采暖期8個月節(jié)約標(biāo)煤量240×6．2=1 488 t/a。節(jié)煤量符合申請財政獎勵資金合同能源管理項目，其中條件要求是工業(yè)項目年節(jié)能量在500 t標(biāo)煤以上。符合陜西省工業(yè)節(jié)能專項資金項目申報條件，可以申請投資項目10%的補(bǔ)貼。

5 結(jié)語

張家峁礦井水余熱利用方案技術(shù)先進(jìn)，工藝成熟，投資少，見效快，其回收的熱能可以解決張家峁煤礦非采暖期熱水供應(yīng)問題，并具有顯著的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等綜合效益。同時節(jié)煤量也符合申請合同能源管理項目財政獎勵資金，可以通過合同能源管理模式實施該項目。