礦井供熱熱源選擇及可再生能源利用對(duì)比分析

白延斌

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230000)

根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》(2018年版)表明，2017年全球能源需求增長(zhǎng)2.2%，煤炭消費(fèi)量自2013年以來(lái)首次出現(xiàn)反彈[1]。中國(guó)能源消費(fèi)量增長(zhǎng)了3.1%，連續(xù)第17年居能源增量之首。隨著國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃(2015—2020年)》等政策性文件的頒布實(shí)施，眾多煤礦企業(yè)面臨現(xiàn)有熱源淘汰與替換任務(wù)。由于大部分礦井企業(yè)在建設(shè)期初建設(shè)的熱源為燃煤鍋爐供熱，該熱源主要負(fù)擔(dān)工礦廠區(qū)四季洗浴用熱及冬季井口防凍用熱與供暖用熱需求，且噸位4t/h、6t/h、10t/h及20t/h規(guī)模層次不同，但都是以小規(guī)模建設(shè)為主。以往20t/h規(guī)模鍋爐房與現(xiàn)有環(huán)保政策不符，屬于明確禁止運(yùn)行及限期淘汰范圍內(nèi)。近期京津冀地區(qū)、安徽地區(qū)、陜西及內(nèi)蒙古等地區(qū)先后出臺(tái)相應(yīng)的大氣污染防治條例及各種治霾行動(dòng)方案等文件，無(wú)一例外的要求限期整改現(xiàn)有鍋爐供熱，提出使用可再生能源及新能源替代方案。因此礦井供熱面臨新熱源的建設(shè)選擇問(wèn)題，目前適合礦井的熱源有燃?xì)忮仩t供熱方案、燃煤鍋爐供熱方案、蓄熱電鍋爐供熱方案、太陽(yáng)能供熱方案、空壓機(jī)余熱供熱方案及礦井乏風(fēng)余熱利用供熱等，本文將分別分析探討其建設(shè)內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)熱源的選擇

1.1 燃?xì)忮仩t供熱

天然氣鍋爐的使用與燃煤鍋爐相比其有害物質(zhì)排放二氧化碳減少58%，二氧化硫減少99.99%；氮氧化合物減少81%；顆粒物減少95%；爐渣及廢水減少100%。使用燃?xì)饽茉词菍?shí)現(xiàn)環(huán)保政策最有效措施之一。使用天然氣蒸汽鍋爐與相同噸位燃煤鍋爐還可以取得良好的環(huán)境效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。

使用燃?xì)忮仩t替代現(xiàn)有熱源首要問(wèn)題是解決燃?xì)鈿庠垂?yīng)問(wèn)題。目前通常一是由專業(yè)液化天然氣公司建立LNG液化氣站，二是由地方燃?xì)夤緸榈V井敷設(shè)專用燃?xì)夤艿?。在氣源可以保證的情況下，供氣企業(yè)通常傾向免費(fèi)為業(yè)主安裝天然氣鍋爐設(shè)施，后期計(jì)量收費(fèi)。因此天然氣熱源的建設(shè)通常是按照零費(fèi)用建設(shè)考慮。按照當(dāng)量1t/h蒸汽供熱量考慮，天然氣熱值按照8600kcal計(jì)算，每噸蒸汽消耗燃?xì)饬堪凑?0Nm3計(jì)，天然氣價(jià)格采用3.5元/Nm3，通過(guò)計(jì)算表明天然氣熱源供熱供應(yīng)當(dāng)量1t蒸汽消耗熱源費(fèi)用為280元/t。

1.2 燃煤鍋爐供熱

根據(jù)國(guó)家及地方相關(guān)政府文件精神，到2017年，除必要保留的以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時(shí)20蒸噸以下的燃煤鍋爐。分散燃煤小鍋爐熱效率低，平均運(yùn)行熱效率僅50%左右，不滿足節(jié)能減排、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求且燃煤小鍋爐沒(méi)有配套建設(shè)高效除塵脫硫脫銷系統(tǒng)，達(dá)不到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重污染空氣環(huán)境，燃煤鍋爐在使用過(guò)程中排放大量的煙塵、二氧化硫等污染物質(zhì)，是形成大氣中PM2.5的重要成分，也是霧霾天氣的重要誘因。

因此礦區(qū)內(nèi)各礦井在現(xiàn)有鍋爐拆除情況下，若繼續(xù)使用低成本燃煤鍋爐方式供熱，則必須建設(shè)兩臺(tái)蒸發(fā)量至少為25t/h的蒸汽鍋爐，以滿足礦井供熱需求及目前相關(guān)規(guī)定。當(dāng)然對(duì)于部分地區(qū)執(zhí)行較國(guó)家更為嚴(yán)格的規(guī)定禁止新建35t/h的鍋爐則需要進(jìn)一步增加鍋爐建設(shè)容量。在滿足現(xiàn)行國(guó)家要求及規(guī)范的基礎(chǔ)上新建燃煤鍋爐供熱必須配套建設(shè)脫硫脫硝措施。典型鍋爐供熱流程如圖1所示。通常設(shè)計(jì)鍋爐的煙氣除塵采用布袋除塵器，除塵效率>99%，煙塵的排放濃度不超過(guò)30mg/m3。鍋爐選擇氧化鎂濕法脫硫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)脫硫效率85%以上，確保煙氣SO2的排放濃度不超過(guò)200mg/m3。設(shè)計(jì)脫硝效率80%以上，確保NOx的排放濃度不超過(guò)200mg/m3。建設(shè)配套2×25t/h鍋爐房，建設(shè)費(fèi)用約為3500萬(wàn)有左右，運(yùn)行消耗燃料費(fèi)用按照煤的熱值5500kcal計(jì)算，鍋爐效率按照80%計(jì)，當(dāng)量蒸汽耗煤量為125kg/h，煤價(jià)按照600元/t考慮，計(jì)算得知燃煤鍋爐熱源供熱供應(yīng)當(dāng)量1t蒸汽消耗熱源費(fèi)用為75元/t。若考慮建設(shè)費(fèi)用成本攤銷，按照15年折舊攤銷考慮，供應(yīng)當(dāng)量1t蒸汽攤銷費(fèi)用為5元/t。則考慮建設(shè)費(fèi)用攤銷后蒸汽消耗熱源費(fèi)用為80元/t。

1.3 蓄熱電鍋爐熱源

對(duì)于礦區(qū)等用熱集中且負(fù)荷較大的場(chǎng)所使用純電加熱鍋爐是規(guī)范所不容許的，只有在符合國(guó)家電力政策的前提下，利用峰谷電價(jià)采用熔鹽儲(chǔ)能電鍋爐來(lái)保障熱源供應(yīng)。目前的相變儲(chǔ)能電鍋爐系統(tǒng)中使用的熔鹽儲(chǔ)能在工業(yè)低谷電費(fèi)極低時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能箱中，在全天24h能夠穩(wěn)定供應(yīng)熱能及電能轉(zhuǎn)化和能量?jī)?chǔ)存，可滿足全天礦區(qū)熱力供應(yīng)。

熔鹽蓄熱供汽系統(tǒng)由熔鹽儲(chǔ)罐、熔鹽泵、電加熱器、管道混合器、換熱器、除氧器和各種水泵以及管道閥門(mén)等組成。系統(tǒng)工作原理如圖2所示，系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖2 熔鹽蓄熱原理圖

蓄熱電鍋爐采用熔鹽蓄熱的優(yōu)勢(shì)有：①系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)施方便。10kV高壓無(wú)需變壓，直接接入固體蓄熱本體；②清潔低碳環(huán)保，10kV高壓大型蓄熱式電鍋爐，在使用過(guò)程中無(wú)任何廢水、廢氣、廢渣產(chǎn)生，沒(méi)有二氧化碳排放，是低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代綠色環(huán)保供暖的首選設(shè)備；③平衡優(yōu)化電網(wǎng)：10KV高壓大型蓄熱式電鍋爐，利用電網(wǎng)低谷電儲(chǔ)熱，平衡電網(wǎng)消峰填谷的作用顯著。低谷電價(jià)越低，運(yùn)行成本越低；④電能通過(guò)發(fā)熱介質(zhì)，轉(zhuǎn)換為熱能，儲(chǔ)存于850℃高溫蓄熱介質(zhì)中，瞬時(shí)耐高溫達(dá)1200℃，極佳的絕緣性能具有更高的可靠性和安全性。

其缺點(diǎn)為：①需取得供電部門(mén)政策支持，落實(shí)谷電電價(jià)。若峰谷電價(jià)差不明顯，系統(tǒng)運(yùn)行能耗高，無(wú)低谷電價(jià)時(shí)是傳統(tǒng)供熱能耗的3～4倍，存在低谷電價(jià)為峰價(jià)的1/3左右時(shí)，運(yùn)行能耗與傳統(tǒng)供熱能耗相當(dāng)；②需要現(xiàn)場(chǎng)具備多余電負(fù)荷容量，否則需要改造現(xiàn)有電網(wǎng)投資增加；③設(shè)備投資額較大，同樣替代兩臺(tái)6t/h鍋爐，該系統(tǒng)需要3000萬(wàn)投資額；④當(dāng)介質(zhì)溫度低于150℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致熔鹽液體凝固導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)報(bào)廢，所以熔鹽罐需要常年保溫，保溫所需的耗能量也較大。。

由于電供熱鍋爐熱源沒(méi)有噸位限制要求，因此可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)荷靈活配置，但其建設(shè)成本較大，2臺(tái)6t/h鍋爐成本達(dá)到3000萬(wàn)，隨著鍋爐規(guī)模的增加建設(shè)成本成倍增加?？紤]其主要靠谷電蓄熱，因此計(jì)算其電源使用成本按照谷價(jià)0.3元/(kW·h)計(jì)算。計(jì)算得知蓄熱鍋爐熱源供熱供應(yīng)當(dāng)量1t蒸汽消耗熱源費(fèi)用為215元/t。若考慮建設(shè)費(fèi)用成本攤銷，按照15年折舊攤銷考慮，供應(yīng)當(dāng)量1t蒸汽攤銷費(fèi)用為19元/t。則考慮建設(shè)費(fèi)用攤銷后蒸汽消耗熱源費(fèi)用為234元/t。

2 可再生能源供熱

2.1 太陽(yáng)能供熱熱源

太陽(yáng)能利用目前主要有兩個(gè)方面應(yīng)用：一是利用太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵或者電加熱器制備洗浴水；二是太陽(yáng)能輔助燃?xì)獗趻鞝t使用地板輻射采暖系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱器的基本工作原理：陽(yáng)光透過(guò)透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽(yáng)輻射能為吸收體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并傳向流體通道中的工質(zhì)。這樣，從集熱器底部入口的冷工質(zhì)，在流體通道中被太陽(yáng)能所加熱，溫度逐漸升高，加熱后的熱工質(zhì)，帶著有用的熱能從集熱器的上端出口，蓄入貯水箱中待用，即為有用能量收益。與此同時(shí)，由于吸熱體溫度升高，通過(guò)透明蓋板和外殼向環(huán)境散失熱量，構(gòu)成平板太陽(yáng)集熱器的各種熱損失。

太陽(yáng)能供熱優(yōu)點(diǎn)：①高效節(jié)能，最大效率的利用太陽(yáng)能量可節(jié)約能源成本40%～60%以上，運(yùn)行成本大大降低；②綠色環(huán)保，采用了太陽(yáng)能潔凈綠色能源，避免了礦物質(zhì)燃料對(duì)環(huán)境的污染，為用戶提供干凈舒適的生活空間；③智能控制，系統(tǒng)采用了智能化控制技術(shù)，自行控制，最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可設(shè)置全天候供應(yīng)熱水，使用非常方便；④能源互補(bǔ)，陰雨天氣使用空氣源熱泵或者其他熱源通過(guò)太陽(yáng)能換熱器自動(dòng)切換，無(wú)需人工調(diào)節(jié)。

太陽(yáng)能供熱缺點(diǎn)：①太陽(yáng)輻射受氣候和時(shí)間的支配，太陽(yáng)能不能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源；②必須與輔助熱源配套使用，氣候變化或陰雨天等沒(méi)有日照時(shí)，太陽(yáng)能不能成為獨(dú)立的能源；③建筑物表面或旁邊有足夠大的面積擺放集熱器。

由于太陽(yáng)能的局限性及不穩(wěn)定性，在礦區(qū)做不到完全替代現(xiàn)有熱源的程度，其主要用來(lái)補(bǔ)充熱源或者制備礦區(qū)洗浴水。目前市場(chǎng)中太陽(yáng)能供應(yīng)洗浴熱水建設(shè)成本為供應(yīng)當(dāng)量1t熱水7000元左右。

2.2 空壓機(jī)余熱熱源

礦井在開(kāi)采中都配置有空壓機(jī)系統(tǒng)，滿足采用空氣需求。螺桿空氣壓縮機(jī)在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，壓縮空氣和壓縮機(jī)腔內(nèi)的潤(rùn)滑油混合成油氣，一起排入油氣分離器。這部分油氣的熱量相當(dāng)于空壓機(jī)輸入功率的100%，它的溫度通常在80℃(冬季)～100℃(夏秋季)。螺桿空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)，就是通過(guò)外置余熱回收設(shè)備，把空壓機(jī)潤(rùn)滑油的冷卻熱，回收用于加熱洗浴熱水或采暖循環(huán)水?？諌簷C(jī)潤(rùn)滑油的冷卻熱，占到空壓機(jī)輸入電功的70%～75%。運(yùn)行原理如圖4所示。

圖4 空壓機(jī)余熱利用供熱系統(tǒng)原理圖

空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：①安全、衛(wèi)生、方便；②提高空壓機(jī)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)；③全自動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)需人為操作，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)熱水溫度、熱水箱水位的情況做出判斷，自行決定換熱方式；④運(yùn)行費(fèi)用低。系統(tǒng)僅有循環(huán)水泵能耗無(wú)其他任何耗能設(shè)備。

其缺點(diǎn)為：①礦區(qū)洗浴等負(fù)荷往往具有間斷性、不穩(wěn)定性，而空壓機(jī)一般是連續(xù)運(yùn)行的，所以回收空壓機(jī)余熱供洗浴的系統(tǒng)，必須配置一定容量的熱水箱，方便在洗浴低谷時(shí)段蓄存熱水；②空壓機(jī)與余熱回收系統(tǒng)，必須一對(duì)一配置，這造成備用空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)閑置；③余熱回收系統(tǒng)與空壓機(jī)的運(yùn)行工況密切相關(guān)，空壓機(jī)非滿載運(yùn)行加熱時(shí)間需要延長(zhǎng)，影響持續(xù)供熱。

同樣由于受到空壓機(jī)配置功率的限制，空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)供熱通常用于礦區(qū)洗浴用水制備，做不到完全替代現(xiàn)有熱源。但空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)節(jié)能效果較好，因此與其余供熱熱源系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)施，降低熱源規(guī)模，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。由于其利用空壓機(jī)余熱系統(tǒng)因此其一次能源直接消耗費(fèi)用為零?？諌簷C(jī)余熱利用系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容為空壓機(jī)油路改造及換熱器與輔助水循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)，建設(shè)內(nèi)容簡(jiǎn)單，期間費(fèi)用根據(jù)空壓機(jī)功率大約在30～50萬(wàn)/臺(tái)范圍內(nèi)。其運(yùn)行費(fèi)用主要為循環(huán)水泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗，目前根據(jù)筆者調(diào)研掌握的運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)為0.3～0.4元/t熱水。

2.3 乏風(fēng)余熱利用供熱熱源

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦產(chǎn)企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障，對(duì)礦井采掘工作面進(jìn)行通風(fēng)就會(huì)有大量回風(fēng)產(chǎn)生?？諝饨?jīng)過(guò)地下巷道時(shí)與巷道圍巖發(fā)生熱濕交換，再加上空氣自壓縮放熱、井下設(shè)備、涌水等熱源散熱等都排入回風(fēng)中，使得回風(fēng)中蘊(yùn)含著大量可利用的熱量。當(dāng)?shù)V井空氣流經(jīng)采掘工作面及井下工作硐室以后其空氣中往往含有瓦斯及其它有害氣體使其成分與進(jìn)入礦井的新鮮空氣不同，將其回風(fēng)風(fēng)流成為礦井乏風(fēng)[2-4]。乏風(fēng)是一種潛力巨大且清潔的余熱資源，溫度全年維持在25℃左右，可結(jié)合熱泵技術(shù)充分利用其顯熱。熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置，以消耗少量電能為代價(jià)，能將大量不能直接利用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿难b置。目前乏風(fēng)利用有二種不同方式[5-7]。

1)噴淋取熱。噴淋取熱分為開(kāi)式與閉式，開(kāi)式系統(tǒng)利用噴淋換熱裝置高效回收乏風(fēng)氣流中的顯熱，乏風(fēng)氣流與換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞，將乏風(fēng)攜帶的顯熱熱量交換給換熱介質(zhì)，換熱介質(zhì)作為水源熱泵供熱系統(tǒng)中的低溫?zé)嵩?。閉式系統(tǒng)主要為閉式換熱器取熱，通過(guò)乏風(fēng)與閉式換熱器內(nèi)部循環(huán)溶液換熱，循環(huán)溶液作為水源熱泵供熱系統(tǒng)中的低溫?zé)嵩础?/p>

2)直蒸取熱。將熱泵機(jī)組蒸發(fā)器做成模塊式直接布置在擴(kuò)散塔出風(fēng)口取熱，熱泵機(jī)組就近布置。

2.3.1 噴淋取熱

噴淋熱回收系統(tǒng)主要由回風(fēng)換熱裝置、熱泵機(jī)組，動(dòng)力裝置、集水池、除污裝置及附件組成，如圖5所示。在礦井噴淋熱回收技術(shù)中，由換熱器和改建后的擴(kuò)散塔共同組成的換熱裝置。其核心裝置是回風(fēng)換熱裝置，回風(fēng)通過(guò)加壓風(fēng)機(jī)壓入擴(kuò)散塔內(nèi)，擴(kuò)散塔側(cè)面加設(shè)回風(fēng)導(dǎo)流器，從而使礦井回風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退?、均勻的穩(wěn)定氣流，在熱交換區(qū)氣流與高度霧化的水滴充分接觸，從而完成氣水之間的熱濕交換[7，8]。冬季工況下循環(huán)水吸取回風(fēng)中的余熱，然后將礦井回風(fēng)全部導(dǎo)入回風(fēng)換熱器內(nèi)，最后通過(guò)擋水板排至室外。進(jìn)行熱濕交換后的噴淋水進(jìn)入?yún)R水池，然后通過(guò)除污裝置進(jìn)入熱泵機(jī)組，之后再由循環(huán)泵輸送至換熱器進(jìn)行換熱。通過(guò)將噴淋熱回收系統(tǒng)與水源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，回收礦井回風(fēng)中蘊(yùn)含的低溫?zé)崮?，這種礦井噴淋熱回收技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展起來(lái)的新型乏風(fēng)熱回收技術(shù)。

圖5 噴淋取熱原理圖

乏風(fēng)噴淋換熱優(yōu)點(diǎn)包括：①高效節(jié)能，系統(tǒng)能效能夠達(dá)到4.0，用乏風(fēng)噴淋換熱制取的熱水和溫水一年四季溫度相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，另外由于水體溫度較恒定，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題；②綠色環(huán)保，熱泵系統(tǒng)使用的能源為電能和大量環(huán)境低溫?zé)崮?，從根本上杜絕了煙氣及廢棄物的排放；③一機(jī)多用，一套設(shè)備不僅能提供生活熱水，又能供熱制冷，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備及工程量；④除塵降噪，對(duì)回風(fēng)中的粉塵及污染物也有去除作用，而且在一定程度上還可以降低回風(fēng)因?yàn)轱L(fēng)機(jī)運(yùn)行震動(dòng)等引起的噪音，回風(fēng)換熱器增加阻力80Pa以下，通風(fēng)阻力小，對(duì)風(fēng)機(jī)影響極小，降低風(fēng)井排風(fēng)的噪音可達(dá)30dB(A)；⑤自動(dòng)控制，系統(tǒng)的自動(dòng)控制采用集散控制系統(tǒng)，利用上位監(jiān)控系統(tǒng)集中對(duì)熱泵機(jī)房、井口機(jī)房等分散系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制，多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)，調(diào)節(jié)特性好，并能保證每臺(tái)壓縮機(jī)在最高效率點(diǎn)工作。能源監(jiān)控先進(jìn)，用戶可用隨時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，便于節(jié)能調(diào)整。

缺點(diǎn)包括：①輸送能耗較傳統(tǒng)高，該系統(tǒng)需要配置一套噴淋換熱泵，一套循環(huán)取熱泵，一套循環(huán)供熱泵；三套循環(huán)泵系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)多一套循環(huán)取熱泵系統(tǒng)循環(huán)能耗高；②水質(zhì)要求高，噴淋換熱設(shè)備通過(guò)噴嘴噴淋與乏風(fēng)直接接觸換熱，若系統(tǒng)軟化水處理系統(tǒng)運(yùn)行不正常會(huì)產(chǎn)生噴嘴阻塞問(wèn)題，影響換熱效率，增加檢修工作量；③單熱源，該熱泵系統(tǒng)只考慮解決供熱問(wèn)題，若同時(shí)考慮解決地面用冷，需要選用雙工況機(jī)組及配置冷卻塔，與現(xiàn)有的熱害制冷站沒(méi)有協(xié)同考慮一體化建設(shè)，地面兩套機(jī)械制冷/制熱機(jī)組，重復(fù)投資；④積水清淤問(wèn)題，乏風(fēng)中含有大量顆粒粉塵污染物，通過(guò)噴淋換熱設(shè)備沉積在下部設(shè)置水池，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)積淤與水質(zhì)情況，定期人工清淤，及水面粉塵顆粒物；⑤熱水溫度低改造內(nèi)容多：系統(tǒng)無(wú)法提供60℃以上的高溫水，水溫在50～55℃運(yùn)行時(shí)為最佳工況，需要改造現(xiàn)有供熱管網(wǎng)及末端用熱設(shè)備，才能達(dá)到最佳效果。需要在現(xiàn)有擴(kuò)散塔擴(kuò)建噴淋換熱設(shè)備，室外管網(wǎng)需與空氣加熱設(shè)備需要進(jìn)行校核改造。

2.3.2 直蒸取熱

真蒸式取熱，即將熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器做成現(xiàn)成模塊直接布置于礦井回風(fēng)擴(kuò)散塔出風(fēng)口處，回收熱量。通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)冷媒直接循環(huán)來(lái)制取熱水。相比于噴淋式取熱節(jié)約了一套取熱泵布置，增加了冷媒管路布置，同時(shí)增加了壓縮機(jī)耗功，其原理如圖6所示。

圖6 直蒸取熱原理圖

乏風(fēng)直蒸取熱優(yōu)點(diǎn)包括[9，10]：①高效節(jié)能：1kW·h 電的投入，可以產(chǎn)生相當(dāng)于4kW·h 電的熱量，與直接電熱方法相比節(jié)約電量75%，與傳統(tǒng)的燃煤、燃油鍋爐相比，節(jié)約50%～65% 的能耗，降低了運(yùn)行成本，乏風(fēng)溫度波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，熱泵機(jī)組運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，也保證了空氣源熱泵系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性，不需要建設(shè)噴淋換熱設(shè)備；②綠色環(huán)保：熱泵系統(tǒng)使用的能源為電能和大量環(huán)境低溫?zé)崮埽瑥母旧隙沤^了煙氣及廢棄物的排放，供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染，供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪聲及霉菌污染，不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵；③輸送能耗低，相比與噴淋換熱只需要循環(huán)供熱泵系統(tǒng)，取消兩套循環(huán)泵系統(tǒng)；④適用范圍廣，在乏風(fēng)溫度較低時(shí)，通常8℃以下也可以提取熱量；⑤自動(dòng)控制，系統(tǒng)的自動(dòng)控制采用集散控制系統(tǒng)，利用上位監(jiān)控系統(tǒng)集中對(duì)熱泵機(jī)房、井口機(jī)房等分散系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制；⑥多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)，調(diào)節(jié)特性好，并能保證每臺(tái)壓縮機(jī)在最高效率點(diǎn)工作。能源監(jiān)控先進(jìn)，用戶可用隨時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，便于節(jié)能調(diào)整。

缺點(diǎn)包括：①風(fēng)阻較高，直接蒸發(fā)取熱需要將蒸發(fā)器直接布置于擴(kuò)散塔上部，系統(tǒng)通風(fēng)阻力需要增加150～200Pa；②設(shè)備體積大，直接蒸發(fā)取熱需要熱泵機(jī)組與乏風(fēng)取熱器距離不能過(guò)大，需要熱泵機(jī)房與擴(kuò)散塔聯(lián)建，土建工程量較大；③單熱源，該系統(tǒng)只能供熱，無(wú)法供冷。且冬季溫度較低時(shí)易出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題，供熱可靠度降低；④清洗問(wèn)題，蒸發(fā)器為翅片環(huán)繞式銅管換熱器，礦井乏風(fēng)粉塵等污染物容易堵塞換熱器，需要定期清洗；⑤熱水溫度低改造內(nèi)容多，系統(tǒng)無(wú)法提供60℃以上的高溫水，水溫在50～55℃運(yùn)行時(shí)為最佳工況，需要改造現(xiàn)有供熱管網(wǎng)及末端用熱設(shè)備，才能達(dá)到最佳效果，需要在現(xiàn)有擴(kuò)散塔擴(kuò)建噴淋換熱設(shè)備，室外管網(wǎng)需與空氣加熱設(shè)備需要進(jìn)行校核改造；⑥檢修難度大，銅管換熱器露損后需要現(xiàn)場(chǎng)焊接或整體更換模塊；⑦投資高，相對(duì)噴淋換熱初投資較高。

3 直接燃料能耗分析

通過(guò)對(duì)上述各種不同熱源分析，由于不同熱源供熱溫度不相同，為便于統(tǒng)計(jì)分析，將不同熱源供熱量統(tǒng)一假設(shè)為700kW。熱源的主要的能耗為其直接燃燒燃料能耗，由于不同熱源循環(huán)系統(tǒng)能耗不同，對(duì)不同熱源的循環(huán)系統(tǒng)能耗不計(jì)，通過(guò)對(duì)比不同熱源直接燃料能耗列于表1。表中蓄熱電鍋效率按照98%計(jì)算，其余按照90%計(jì)算，折算價(jià)格按照市場(chǎng)價(jià)綜合考慮，最后計(jì)算給出直接能耗的折算的費(fèi)用成本，分別給出折合供應(yīng)每噸蒸汽所消耗的直接成本及供應(yīng)每立方米熱水所消耗的直接成本。從表1中可以看出太陽(yáng)能與空壓機(jī)余熱直接耗能為零，燃?xì)忮仩t直接耗能最高，蓄熱電鍋爐與熱泵供熱次之，燃煤鍋爐直接耗能最少。

表1 不同熱源直接耗能成本對(duì)比分計(jì)算

4 結(jié) 論

1)礦區(qū)熱源替代方案中僅考慮直接燒料成本，太陽(yáng)能與空壓機(jī)余熱不燃燒燃料直接燒料成本為零，優(yōu)先選用這兩種方式為補(bǔ)充熱源。燃煤鍋爐供熱成本最低，天然氣鍋爐供熱燒料成本最高。

2)燃煤鍋爐建設(shè)面臨政策性淘汰風(fēng)險(xiǎn)，且其基礎(chǔ)噸位建設(shè)較大，往往大于礦區(qū)總用熱需求，建設(shè)成本較高，不宜作為新設(shè)熱源。燃?xì)忮仩t建設(shè)成本最低，但其氣源穩(wěn)定性與價(jià)格不問(wèn)穩(wěn)定性依然長(zhǎng)期存在，在確保氣源穩(wěn)定的提前下可以綜合對(duì)比后選取。

3)乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)節(jié)能高效，礦區(qū)有乏風(fēng)可用的提前下應(yīng)優(yōu)先選用乏風(fēng)余熱利用熱泵系統(tǒng)。其折合當(dāng)量1t蒸汽熱量成本為124元，供應(yīng)1m3熱水成本為8.3元。