煤礦余熱綜合利用系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用實踐

秦紅正

(中煤科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

近年來我國大氣環(huán)境形勢嚴(yán)峻，區(qū)域性大氣污染問題突出，直接影響經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和人民群眾身體健康，國家有關(guān)部門連續(xù)發(fā)布了多項大氣污染治理規(guī)劃及相關(guān)管理規(guī)范，對工業(yè)和民用燃煤污染進(jìn)行嚴(yán)格管控，如對供熱燃煤鍋爐噸位提出嚴(yán)格的限制要求：城市建成區(qū)禁止建設(shè)20蒸t/h以下鍋爐，其他區(qū)域禁止建設(shè)10蒸t/h以下的燃煤鍋爐。隨著地方政府大氣污染減排壓力增加，各地又相繼出臺了更加嚴(yán)格的燃煤鍋爐污染管理要求。山西省自2018年7月1日起全省范圍內(nèi)執(zhí)行大氣污染特別排放限值；陜西省要求2019年年底前，重點區(qū)域全部淘汰35蒸t/h以下燃煤鍋爐。隨著國家對大氣污染治理要求越來越嚴(yán)，燃煤鍋爐將逐漸被淘汰。

由于煤礦企業(yè)地面建構(gòu)物及井筒采暖需要，一般煤礦場地內(nèi)均建有燃煤鍋爐。對于這部分供熱鍋爐，隨著更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的推行，其污染物排放難以達(dá)標(biāo)；同時煤礦企業(yè)長期以來都采用粗放的管理模式，其場地內(nèi)余熱得不到有效利用，只能直接排放，導(dǎo)致項目能耗一直居高不下。為解決這一問題，國內(nèi)外提出了風(fēng)井回風(fēng)、煤礦地面空壓機(jī)通風(fēng)機(jī)等電機(jī)余熱、礦井水及瓦斯電廠等余熱回收技術(shù)，但都沒有形成一定的系統(tǒng)，本文針對現(xiàn)場問題，提出因地制宜、多維一體的綜合煤礦余熱回收系統(tǒng)，并應(yīng)用于現(xiàn)場。

1 煤礦余熱回收現(xiàn)有技術(shù)與發(fā)展水平

1.1 風(fēng)井乏風(fēng)余熱利用

礦井乏風(fēng)余熱資源豐富，流量大，溫度穩(wěn)定，含濕量較大，焓值較高。21世紀(jì)初，我國開始積極探索“采用熱泵技術(shù)利用煤礦回風(fēng)余熱的研究與應(yīng)用”，其中第一代“采用淋水式取熱+水源熱泵”的礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)路線，該技術(shù)要求回風(fēng)溫度不低于12 ℃，取熱量有限，水氣帶走了大量余熱，其熱能利用率20%；第二代“采用取熱與分體熱泵”的礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)路線，該技術(shù)將熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器放置于回風(fēng)井上方，通過蒸發(fā)器直接吸收熱量，將介質(zhì)加熱，然后通過銅管供給熱泵，該技術(shù)乏風(fēng)取熱溫度一般在4 ℃，取熱量有限，熱能利用率約65%。

目前“第三代直蒸和直冷式乏風(fēng)熱泵(稱之為 “深焓取熱技術(shù)”)”與“高溫及大溫差供熱”的礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)路線更具劃時代意義，該技術(shù)是在第二代的基礎(chǔ)上解決了乏風(fēng)取至零下蒸發(fā)器表面結(jié)霜結(jié)冰的問題，大大提高了乏風(fēng)余熱的利用率，其熱能利用率達(dá)100%。

直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理示于圖1。乏風(fēng)取熱箱設(shè)置在乏風(fēng)取熱室側(cè)面墻壁，其內(nèi)介質(zhì)與通過翅片的乏風(fēng)進(jìn)行換熱，吸收乏風(fēng)中的余熱并供給乏風(fēng)熱泵；熱泵用電能將此部分低品位熱源轉(zhuǎn)換為高品位熱源；根據(jù)末端需求，設(shè)定不同出水溫度，滿足各種工況需求。

圖1 直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理示意

1.1.1 直冷式乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)主要特點

(1)冬季礦井乏風(fēng)溫度高、濕度大，通過直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)可提取乏風(fēng)中的大量顯熱、液化潛熱和固化熱，熱泵機(jī)組能效比可達(dá)4.5；

(2)直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)通過介質(zhì)水供熱，70 ℃出水解決建筑采暖供熱，50 ℃出水解決職工洗浴熱水供熱；45 ℃出水解決井口保溫防凍供熱；供熱距離大，不受供熱半徑影響；

(3)直冷式乏風(fēng)熱泵技術(shù)，根據(jù)負(fù)荷需要，可將乏風(fēng)取熱后溫度最低降至-15 ℃排放，其供熱量大，能夠取代鍋爐解決礦區(qū)的冬季供熱。

1.1.2 “直蒸式大型分體乏風(fēng)熱泵”、“直冷式大型分體乏風(fēng)熱泵”機(jī)組的獨特技術(shù)優(yōu)勢

(1)獨特的模塊化多功能乏風(fēng)取熱機(jī)組，換熱效率高，取熱焓差大；具有耐沖刷、抗腐蝕功能；

(2)采用特殊工藝制作的高科技超親水翅片表層，大大降低了取熱機(jī)組表層積塵積粘性物質(zhì)的特性；

(3)采用針對煤礦原生態(tài)乏風(fēng)取熱機(jī)組表層積塵積粘性物質(zhì)特性專門開發(fā)的清洗劑，由取熱機(jī)組前后壓差控制，通過取熱機(jī)組的自動清洗裝置周期性清洗乏風(fēng)取熱機(jī)組，可保持取熱機(jī)組長期如新；

(4)回風(fēng)主風(fēng)機(jī)切換時，可通過調(diào)節(jié)取熱機(jī)組風(fēng)閥，確保通過每個取熱機(jī)組風(fēng)量均勻；

(5)模塊化乏風(fēng)取熱機(jī)組設(shè)計，取熱焓差可選，系列齊全；

(6)乏風(fēng)取熱機(jī)組模塊化設(shè)計，安裝方便，排水快速，維護(hù)簡便；

(7)常閉型自動旁通風(fēng)門設(shè)計，既解決煤礦事故返風(fēng)運行時換熱器阻力影響問題，也解決熱泵供熱系統(tǒng)不使用時回風(fēng)主機(jī)功耗浪費問題；

(8)大型分體熱泵熱力系統(tǒng)采用“主動給液”與“油/氣分離”技術(shù)，徹底解決了熱泵熱力系統(tǒng)的配液與回油兩大技術(shù)難題，既提升了熱泵系統(tǒng)運行能效，又確保了熱泵系統(tǒng)長期高效可靠運行；

(9)熱泵供熱溫度可達(dá)70 ℃，溫差可達(dá)20 ℃，既可降低水泵功耗，又可與建筑傳統(tǒng)供暖末端設(shè)備系統(tǒng)直接銜接，毋需改造；

(10)該系統(tǒng)具有高效、可靠、可實現(xiàn)無人值守的特點，完全可取代傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)鍋爐供熱方式；既可為煤礦實現(xiàn)節(jié)能減排，又能為煤礦實現(xiàn)減員增效。

1.2 瓦斯電廠余熱回收

瓦斯發(fā)電機(jī)組在運行時，只有約35%的能量轉(zhuǎn)化為電能，約 30%～35%隨高溫?zé)煔馀懦觯?0%～25%被發(fā)動機(jī)冷卻水帶走，通過機(jī)身散熱等其他損失約占10%左右，充分利用這些未被轉(zhuǎn)化為電能的余熱，可用來制取熱水以滿足用戶的生產(chǎn)生活需求。

瓦斯發(fā)電機(jī)組的排煙溫度達(dá)550 ℃以上，可以通過煙氣余熱回收機(jī)組回收利用，用于供熱；同時瓦斯余熱發(fā)電機(jī)組的缸套水溫度較高，通常達(dá)到80 ℃以上，回收利用以后可以直接用于進(jìn)風(fēng)井防凍與建筑采暖等。見圖2。

圖2 瓦斯電廠余熱利用技術(shù)示意

1.3 礦井水余熱利用

水源熱泵工作原理與乏風(fēng)熱泵基本相同，都是通過低位能源向高位能源轉(zhuǎn)移，從而減少能耗。熱泵同樣由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥四大件組成，只是冬季供熱時蒸發(fā)器側(cè)的熱源由礦井水余熱提供，其工作原理如圖3所示。

圖3 礦井水水源熱泵技術(shù)原理示意

在我國東部及西部部分地區(qū)的大水礦井，涌水量一般在500 m3/h以上，礦井水水溫常年基本恒定，冬季溫度不低于14 ℃，是水源熱泵利用的較好熱源。

若按礦井水涌水量500 m3/h、水溫14 ℃考慮，水源熱泵系統(tǒng)的制熱量按照提取礦井水6 ℃溫差的熱能計算，供水溫度設(shè)計為45 ℃，則可提取的熱負(fù)荷為3 500 kW；若熱泵熱力系統(tǒng)的完善度按55%考慮，則涌水源熱泵可形成的供熱能力為4 665.5 kW(相當(dāng)于6.7 t/h鍋爐)；此外，通過在熱泵中加設(shè)四通閥，可實現(xiàn)涌水源熱泵的雙工況運行，即既可以在冬季進(jìn)行供熱，也可以在夏季進(jìn)行制冷。

1.4 煤礦余熱綜合利用系統(tǒng)

我國幅員遼闊，煤礦眾多，其條件各不相同，可用的熱源也有很大差異。應(yīng)根據(jù)各煤礦實際情況，調(diào)查研究可利用的熱源種類，并根據(jù)熱負(fù)荷情況，對可用熱源進(jìn)行排序，根據(jù)其經(jīng)濟(jì)和社會效益建立煤礦余熱綜合利用管理系統(tǒng)。

2 山西盂縣某煤礦余熱綜合利用管理系統(tǒng)介紹

2.1 熱源工況分析

X煤礦位于山西盂縣，工業(yè)場地內(nèi)布置有2臺4蒸t/h和2蒸t/h燃煤蒸汽鍋爐，總蒸發(fā)量為10蒸t/h，主要滿足建筑采暖、15號煤進(jìn)風(fēng)立井井口防凍供熱。選煤廠現(xiàn)有鍋爐房一座，內(nèi)安裝有2臺6蒸t/h燃?xì)庹羝仩t，主要滿足選煤廠和進(jìn)風(fēng)斜井、主斜井和副斜井供熱需求。

根據(jù)《山西省大氣污染防治2018年行動計劃》，10個設(shè)區(qū)市建成區(qū)范圍內(nèi)10蒸t/h及以下燃煤鍋爐要全部清零，X煤礦燃煤鍋爐噸位均不符合目前環(huán)保政策要求，需要淘汰。該礦根據(jù)煤礦條件建立了余熱綜合利用系統(tǒng)。

2.2 熱負(fù)荷計算

X煤礦熱負(fù)荷為現(xiàn)有鍋爐供熱范圍內(nèi)的井筒供熱、建筑采暖、洗浴熱水及選煤廠供熱等，煤礦設(shè)計熱負(fù)荷見表1，總設(shè)計熱負(fù)荷為12 333 kW。

表1 X煤礦設(shè)計熱負(fù)荷統(tǒng)計

注：管網(wǎng)損失系數(shù)取1.05。

2.3 余熱資源分析

X煤礦礦井涌水量僅為20 m3/h，水量較小，沒有利用空間，其余熱不予考慮；該煤礦鍋爐房西側(cè)約200 m處建有一座瓦斯發(fā)電廠，安裝16臺發(fā)電機(jī)組，電廠余熱可利用；項目乏風(fēng)余熱可回收。

2.3.1 瓦斯電廠余熱

X煤礦場地鍋爐房西側(cè)約200 m處建有一座瓦斯發(fā)電廠，安裝有8臺裝機(jī)容量500 kW和8臺裝機(jī)容量1 000 kW的發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量15 MW。對瓦斯電廠16臺瓦斯發(fā)電機(jī)組分別進(jìn)行煙氣和缸套水余熱回收。按可靠運行、8 MW瓦斯發(fā)電功率進(jìn)行余熱量計算，缸套水可以回收的余熱量為2 600 kW，煙氣余熱回收為5 400 kW，共可回收余熱量為8 MW。

2.3.2 乏風(fēng)余熱

該礦回風(fēng)風(fēng)量14 600 m3/min，夏季平均氣溫17.5 ℃，冬季平均氣溫7 ℃，瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.24%～0.26%。

經(jīng)計算，乏風(fēng)由7 ℃取至1.5 ℃，取熱量為2 357 kW，乏風(fēng)熱泵COP=3.3，熱泵功率909 kW，熱泵總供熱能力3 150 kW。

X煤礦瓦斯電廠與乏風(fēng)共可回收余熱為11.15 MW(折合飽和蒸汽量為16 t/h)。

2.4 余熱設(shè)計方案

盡可能利用現(xiàn)有已建成構(gòu)筑物和管網(wǎng)，避免減少重復(fù)建設(shè)投資，根據(jù)余熱量確定項目全部采用余熱利用系統(tǒng)供熱，替代現(xiàn)有燃煤鍋爐供熱和燃?xì)忮仩t供熱，保留現(xiàn)有燃?xì)忮仩t房作為備用熱源。辦公區(qū)供熱量較小，考慮采用空氣源熱泵供熱，具體設(shè)計方案如下：① 利用風(fēng)井乏風(fēng)余熱對進(jìn)風(fēng)井口防凍供熱和瓦斯泵站供熱，利用直冷式乏風(fēng)熱泵回收風(fēng)井乏風(fēng)余熱，供回水溫度：45/35 ℃；② 對進(jìn)風(fēng)井斜井、主井、副井、建筑采暖末端是暖氣片部分及選煤廠采用瓦斯發(fā)電煙氣余熱供暖，供回水溫度：90/75 ℃；③ 對建筑采暖地暖部分和洗浴供熱，采用瓦斯電廠缸套水余熱滿足，供回水溫度70/60 ℃；④ 辦公區(qū)建筑采暖采用超低環(huán)溫空氣源高溫?zé)岜脵C(jī)組供熱，供回水溫度70/60 ℃。見表2。

表2 項目余熱供熱方案

2.5 環(huán)保效益及經(jīng)濟(jì)效益

X煤礦原燃煤鍋爐總蒸發(fā)量為10蒸t/h，燃?xì)忮仩t為12蒸t/h，通過乏風(fēng)余熱和附近瓦斯電廠余熱完全替代了原燃煤鍋爐和瓦斯鍋爐，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約4 000 t，節(jié)約瓦斯約240萬m3，減排CO214 624 t(產(chǎn)物系數(shù)2.6 t/t煤，1.76 kg/m3瓦斯)、減排SO2約52 t(產(chǎn)物系數(shù)12.96 kg/t煤)，減少NOx約44 t(產(chǎn)物系數(shù)9.08 kg/t煤，34 kg/萬m3瓦斯)。

項目供熱系統(tǒng)運行成本主要為電費，工業(yè)場地采暖季電耗為242.26萬kW·h，非采暖季制備洗浴熱水，電耗15 415.4萬kW·h，辦公室區(qū)采暖季空氣源熱泵電耗63萬kW·h。系統(tǒng)全年總耗電量320.66萬kW·h。折合成本見表3。

表3 運行成本

注：*電價0.65元/(kW·h)計。

經(jīng)濟(jì)效益：現(xiàn)有燃煤鍋爐運行費用包括脫硫脫硝、電費、人工、燃煤費、鍋爐檢修費等，每年約600萬元(含辦公區(qū)鍋爐)。燃?xì)忮仩t費用：租賃費80萬元/a，燃?xì)? 059.35萬元，共1 159.35萬元。2臺鍋爐年運行費用約1 759萬元。對煤礦乏風(fēng)余熱和瓦斯電廠余熱進(jìn)行了回收利用，減少了能源的浪費，社會效益良好。改造后項目供熱運行費用僅為現(xiàn)在的17%，投資回收期僅為2.5 a，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

3 結(jié) 論

煤礦余熱資源豐富，通過目前先進(jìn)的熱泵技術(shù)可以回收低熱—高熱資源，X煤礦對場地內(nèi)各種余熱進(jìn)行了綜合考慮，建立起了一套余熱能源回收系統(tǒng)，更加精細(xì)地管理了項目余熱資源，替代了燃煤鍋爐，解決了煤礦節(jié)能減排問題，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著，具有良好的推廣前景。