煤礦風井余熱供熱系統(tǒng)應(yīng)用

趙軼君

（大同煤礦集團白洞煤業(yè)有限責任公司，山西 大同 037029）

0 引言

我國能源消耗多數(shù)是依靠礦物燃燒而得到的，尤其是煤炭燃燒。在燃燒過程中，會產(chǎn)生大量的二氧化碳和二氧化硫，給環(huán)境帶來較大影響。經(jīng)過調(diào)查顯示，礦井通風中，壓風機具體運行過程中均存在較大的熱能，應(yīng)用礦井回風熱源泵技術(shù)以及壓風機余熱回收技術(shù)，能夠?qū)鹘y(tǒng)煤礦供熱模式進行改變，對節(jié)能減排工作也具有重要意義［1-3］。以某礦區(qū)為例，分析該礦區(qū)當中存在的余熱能源，同時研究如何借助余熱供熱系統(tǒng)實現(xiàn)供熱，具有一定現(xiàn)實意義。

1 煤礦風井余熱資源利用

1.1 排水余熱回收技術(shù)

對礦井排水余熱進行回收，主要是排水過程中出現(xiàn)的余熱進行回收，以防止礦井水當中出現(xiàn)有害成分，對熱泵機的正常使用帶來影響。對此，在進行余熱回收之前，一定要對礦井水進行科學處理，目前比較常見的回收方式主要有：在熱泵機組以及礦井集水池的旁邊安裝相應(yīng)過濾器，或者安裝旋流除砂器，對礦井中存在的塵土進行凈化處理，在對礦井水進行具體凈化過程中，利用礦井水流經(jīng)熱回收系統(tǒng)的同時，對礦井水作出相應(yīng)處理，通過這種方式，能夠有效減少礦井水熱量損失。對礦井水進行具體過濾過程中，主要可以分成初級過濾和高級過濾，這就能夠減少經(jīng)過熱泵機組的塵土，不但能夠保護熱泵機組，還能在一定程度上提升轉(zhuǎn)換效率［4-6］。

1.2 空壓機余熱利用技術(shù)

空壓機余熱利用技術(shù)，主要是對熱能作出適當?shù)霓D(zhuǎn)換。例如，當空壓機具體運轉(zhuǎn)的過程中，可能會出現(xiàn)較多熱量資源，此后對這些資源進行適當回收和轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換到水中，借助水吸收大量熱能，此時水溫則會有所上升。與此同時，空壓機溫度逐漸降低，這種情況下不但可以實現(xiàn)熱量回收目的，同時還能夠確?？諌簷C安全運行［7-8］?？諌簷C余熱技術(shù)的應(yīng)用，可以充分利用壓縮機熱能，同時提供75℃的熱水，比較適合用于礦區(qū)建筑取暖或者職工洗浴，且能夠?qū)諌簷C原有系統(tǒng)進行停用，從而實現(xiàn)大幅度節(jié)能。

2 煤礦風井余熱資源概況

2.1 風井場地總耗熱量計算

以某煤礦為例，存在7 000 m2地面建筑采暖，采暖需要將室內(nèi)溫度控制在18～24℃之間。每一年大約有300位工作人員需要洗浴熱水制備，要求洗浴水溫在45℃以上。在冬季對風井進行防凍加熱處理，確保進風量控制在2 200～2 500 m3/min之間，同時要求冬季進風溫度保持在2℃以上。對相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算之后得出，建筑采暖最大負荷為648 kW，而洗浴熱水制備的最大負荷為195 kW，在井口位置需進行防凍加熱處理，其負荷量為1 725 kW。表1為供熱負荷表。

表1 供熱負荷表

2.2 礦井余熱資源

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，這一煤礦風井場地可以進一步開發(fā)和利用，其存在較為豐富的余熱資源。對風井場地當中的壓風機余熱量進行計算，計算公式為

式中：Qy—壓風機余熱量，kW；N—壓風機單機裝機容量，取180 kW；n—運行臺數(shù)，本風井中共使用2臺；ρ—平均加載率，取75%；K—熱回收率，取65%。通過上述公式可得Qy=175.5 kW。

對礦井回風余熱量進行計算，結(jié)合相關(guān)調(diào)查顯示，這一煤礦的回風量大約6 500～85 000 m3/min，按照15℃的溫度進行計算，相對濕度為60%，技術(shù)人員進行綜合取熱裝置后，將排風溫度控制在2℃，其中相對濕度為95%，對余熱量進行計算，其具體公式為

式中：Qf—礦井的回風余熱量，kW；L—設(shè)計回風量，取6 500 m3/min；ρ—回風密度，取1.22 kg/m3；Hi—回風進入綜合取熱器焓值，取31 kJ/kg；H0—回風經(jīng)綜合取熱器后所得的焓值，將其設(shè)置為12.5 kJ/kg；60—屬于單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。計算可得Qf為2 445 kW。

經(jīng)過上述計算之后得出，該風井當中的余熱資源為壓風機的余熱量175.5 kW和礦井回風余熱量為2 445 kW。對這一煤礦進行分析，其余熱總量大約為2 620.5 kW，分析后發(fā)現(xiàn)其可以滿足風井場地的供熱負荷需求。

3 煤礦風井場地余熱利用策略

結(jié)合風井場地壓風機余熱資源，對熱量規(guī)模和連續(xù)性、穩(wěn)定性等指標進行分析，要求這些指標可以充分滿足這一場地洗浴熱水對供熱的需要，因此將其作為洗浴熱水系統(tǒng)的供熱熱源。而對于壓風機余熱而言，上述計算得出為214 kW，使用3臺余熱回收設(shè)備，其平均回收熱量大約為107 kW，兩用一備，要求其和壓風機相互對應(yīng)，并且要求其能夠聯(lián)鎖運行，借助單獨的室外管系統(tǒng)。

此外，還需要使用2臺回風熱泵，本風井使用的是型號為SRSL-1210的回風熱泵。制熱量控制在1 220 kW，將熱水供回水水溫控制在50℃/45℃，在采暖季節(jié)需要使用2臺主機運行，而室外則安裝2臺主機具體運行，其中一套是用于建筑采暖，另一套則應(yīng)用于井口加熱，在采暖季節(jié)以外的季節(jié)，停用設(shè)備。

為了確保井筒的溫度始終滿足生產(chǎn)需要，方便對其進行運行管理，有效節(jié)約資源，對進風井空氣進行加熱，主要是借助某煤礦當中的專用防凍型空氣加熱設(shè)備，一共使用6臺，其制熱量需要控制在303 kW，而風量控制在15 000 m3/h，總體供熱量控制為1 818 kW。

4 系統(tǒng)投資和系統(tǒng)效益

4.1 系統(tǒng)投資估算

結(jié)合供熱系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，同時分析使用的主要設(shè)備情況，經(jīng)過相應(yīng)計算后得出最終投資為524萬元，使用設(shè)備主要有風機余熱回收機組3套、一次熱水循環(huán)泵2臺、二次熱水循環(huán)泵2臺、板式換熱器2臺、保溫蓄熱水箱1個等。同時還需要使用回風熱泵壓縮冷凝機組2臺、回風取熱箱8臺、熱水循環(huán)泵2臺等。

4.2 系統(tǒng)效益

能耗：洗浴使用的熱水制備系統(tǒng)，假設(shè)全年365 d，24 h運行，經(jīng)過計算后得到每臺需要耗能1.5 kW，那么全年耗能為：1.5×2×365×24/10 000=2.63萬kW·h。

建筑采暖和措施井防凍加熱系統(tǒng)：冬季一共需要使用2臺熱泵，并且需要使用1臺熱水循環(huán)泵以及6臺加熱機組。在冬季，采暖季一共有120 d，假設(shè)每天需要24 h運行，所花費的電量則為（169×2×0.4+45+3×6）×120×24/10 000=57.08萬kW·h。經(jīng)過總體計算所得，這一煤礦的風井場地中，余熱供熱系統(tǒng)的全面能耗高達59.71萬kW·h。

4.3 投資與運行費用

本系統(tǒng)使用所耗費的能源費用為：結(jié)合當?shù)仉妰r0.68元/kW·h計算，該煤礦風井場余熱供熱系統(tǒng)全年供熱電能消耗費用為59.71×0.68=40.6萬元。此外，系統(tǒng)運行過程中，還需要花費一定的設(shè)備管理和維護維修費用，該系統(tǒng)運行過程中一共配置了3人，平均年工資按照5萬元進行計算，管理費用約為15萬元，該系統(tǒng)每年總投資約為524.44萬元。以往工程中，根據(jù)總投資的2%進行計算，得出系統(tǒng)每年運行保養(yǎng)費用為524.44×0.02=10.5萬元。對于余熱供熱系統(tǒng)而言，經(jīng)過計算后得出全年總運行費用為66.1萬元。如果使用傳統(tǒng)蒸汽鍋爐進行供熱，在供熱過程中需要配備一臺6 t/h的蒸汽鍋爐，其整體負荷約為60 kW，其中的燃煤蒸汽鍋爐每年的綜合熱效率大約為50%，每年費用約為142萬元。

通過對上述各項費用進行計算得出，應(yīng)用傳統(tǒng)鍋爐，總投資大約為300萬元，如果應(yīng)用余熱回收系統(tǒng)，總投資大約為524.44萬元，對上述內(nèi)容進行計算，得出這一項目施工完成之后，和傳統(tǒng)鍋爐相比可以節(jié)省成本約為（142-66.1=74.1）74.1萬元。余熱回收系統(tǒng)和燃煤蒸汽鍋爐供熱方式對比，新增總投資約為（524.44-300=224.44）224.44萬元，其靜態(tài)投資回收期為：224.44/75.9=2.95 a，可見本項目實施具備良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

綜上所述，采用傳統(tǒng)供熱方式，耗費大量能源的基礎(chǔ)上，對環(huán)境帶來一定影響，與此同時還會花費大量資金，給企業(yè)帶來較大經(jīng)濟負擔。煤礦風井在運行過程中產(chǎn)生大量余熱，經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)，這些余熱完全可以滿足供熱需求，因此對煤礦風井余熱供熱系統(tǒng)進行應(yīng)用，能夠有效節(jié)約能源，并且節(jié)省大量供熱資金，減少成本投入，為企業(yè)帶來較大經(jīng)濟效益。