基于清潔能源技術(shù)的礦井供暖改造方案優(yōu)化研究

閆曉東

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司， 山西 呂梁 033100)

國務(wù)院印發(fā)的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中指出，全面治理小型燃煤鍋爐，在集中供熱管網(wǎng)不易覆蓋的地區(qū)可以使用天然氣等清潔能源和制熱性能系數(shù)較高的熱泵機(jī)組[1], 并制定了一系列政策措施，大力推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，積極實(shí)施節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，極大地推動(dòng)了清潔能源工程的發(fā)展，如“煤改電”、“煤改氣”等[2-3]. 山西作為煤炭大省，至2020年底，全省煤礦900余處[4]，而絕大多數(shù)礦井地面生產(chǎn)、生活以及礦井井下冬季的供暖系統(tǒng)采用燃煤鍋爐，不僅消耗大量燃煤，而且產(chǎn)生煙塵、CO2和SO2等污染物，造成環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，且與現(xiàn)行環(huán)境保護(hù)政策不相符。因此，采用清潔能源技術(shù)對礦井供暖系統(tǒng)進(jìn)行改造就顯得十分重要。

1 礦井供暖系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 礦井概況

店坪煤礦位于山西省呂梁方山地區(qū)，核定產(chǎn)能2.6 Mt/a，礦井資源儲量2 800萬t，剩余可采年限約10年。對礦井歷年的冬季氣溫統(tǒng)計(jì)見表1，冬季平均溫度在-8 ℃～-10 ℃.

1.2 原供暖方式及供暖負(fù)荷

礦井原供暖系統(tǒng)采用2臺SZL10-1.25-AII型蒸汽鍋爐供暖，主要供暖區(qū)域和建筑物：澡堂洗浴、家屬區(qū)、宿舍樓、食堂、污水站、機(jī)修車間、供應(yīng)樓、舊辦公樓、家屬樓、主井口、副井口等。

表1 礦區(qū)歷年冬季氣溫統(tǒng)計(jì)表

礦井地面供暖面積33 373 m2， 負(fù)荷85 W/m2，參照室內(nèi)供暖系統(tǒng)非節(jié)能建筑計(jì)算得, 冬季熱負(fù)荷約2 837 kW； 工業(yè)區(qū)供暖面積總計(jì)8 000 m2， 負(fù)荷70 W/m2,參照室內(nèi)供暖系統(tǒng)非節(jié)能建筑計(jì)算得，冬季熱負(fù)荷約560 kW；合計(jì)該礦供暖總的熱負(fù)荷3 397 kW. 礦井有4個(gè)洗浴水池，每個(gè)水池30 m3洗浴熱水，淋浴水箱20 m3；井口防凍總風(fēng)量167 m3/s，在主、副井井口安裝工業(yè)暖風(fēng)機(jī)組，使環(huán)境溫度保持到最低標(biāo)準(zhǔn)2～4 ℃后輸送到井筒內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，礦井所需熱負(fù)荷見表2.

表2 工業(yè)廣場冷熱負(fù)荷匯總表

1.3 原供暖系統(tǒng)存在的主要問題

1) 污染物排放量大。經(jīng)測算，原燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)，每年產(chǎn)生二氧化硫12 t、氮氧化物22 t、煙塵3 t.

2) 原煤及電量消耗費(fèi)用較大。平均每年消耗原煤7 000 t，費(fèi)用490萬元；用電量平均每年155.5萬kWh，費(fèi)用87.08萬元。

3) 維保及各類配件消耗費(fèi)用居高不下。每年供暖系統(tǒng)維修保養(yǎng)費(fèi)用635萬元，配件、材料、藥劑消耗費(fèi)用413.25萬元。

2 礦井可利用的清潔能源技術(shù)

2.1 礦井回風(fēng)熱量計(jì)算及應(yīng)用原理

1) 回風(fēng)熱源量計(jì)算。

礦井采用立井回風(fēng)，回風(fēng)溫度基本不受室外氣溫影響，根據(jù)公式Q=(h1-h2)·ρ·V[5]，其中，h1為回風(fēng)溫度，取12 ℃，相對濕度為95%時(shí)的焓，32.98 kJ/kg，h2為出風(fēng)溫度，取5 ℃，相對濕度為100%時(shí)的焓，18.59 kJ/kg；ρ為回風(fēng)平均空氣密度，1.281 kg/ m3；V為回風(fēng)量，取180 m3/s. 計(jì)算得，礦井立井回風(fēng)熱量4 198 kW.

2) 礦井回風(fēng)熱源利用原理[6].

在礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)中，礦井回風(fēng)熱交換器實(shí)現(xiàn)將礦井回風(fēng)中所蘊(yùn)含的大量熱能通過噴淋換熱方式轉(zhuǎn)移到循環(huán)水里面，循環(huán)水作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?。制熱工況時(shí)，熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量，循環(huán)水溫度有所降低；經(jīng)過熱泵系統(tǒng)后的循環(huán)水再重新送入礦井回風(fēng)熱交換器進(jìn)行熱交換，循環(huán)往復(fù)。系統(tǒng)原理圖見圖1.

圖1 礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)原理圖

2.2 污水源熱泵技術(shù)

1) 污水站中水熱量計(jì)算。

店坪礦污水處理廠處理水量3 000 m3/d，根據(jù)公式W=ρ·Qr·Δts，W為回收熱功率,kW；ρ為污水的密度,取1 g/cm3；Qr為每小時(shí)污水流量；Δts為計(jì)算溫差，℃. 每天按照18 h計(jì)算熱負(fù)荷(設(shè)備每天滿負(fù)荷運(yùn)行18 h), 冬季處理后的中水溫度按照12 ℃計(jì)算(污水水溫越高，能效比相對越高)，熱量提取后的溫度為5 ℃. 利用污水源熱泵技術(shù)可以把店坪礦所排污水的熱量回收利用，預(yù)計(jì)可回收熱功率經(jīng)計(jì)算為1 300 kW.

2) 污水源熱泵機(jī)組基本原理。

污水源熱泵機(jī)組是一種使用從污水中抽取的水為熱源，制取生活用熱水的設(shè)備。它包括壓縮機(jī)、使用側(cè)換熱器、熱源側(cè)換熱器、膨脹閥等部件，具有制冷和制熱功能[7]. 污水源熱泵的運(yùn)行原理見圖2.

2.3 變頻電磁采暖爐技術(shù)

該技術(shù)利用電磁感應(yīng)加熱原理，將電能轉(zhuǎn)換為熱量，在控制器內(nèi)由整流電路將50 Hz的交流電壓變成直流電壓，然后再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換為22 kHz的高頻交流電壓。高頻交流電壓流過纏繞在非金屬材料管外的高頻導(dǎo)線，高速變化的磁場內(nèi)部產(chǎn)生的磁力線切割非金屬材料管內(nèi)部的金屬容器時(shí)產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使水迅速加熱為熱水，達(dá)到快速加熱水的效果。變頻電磁采暖爐的工作原理見圖3.

圖2 污水源熱泵的運(yùn)行原理圖

圖3 變頻電磁采暖爐的工作原理圖

2.4 工業(yè)空氣加熱技術(shù)

工業(yè)空氣加熱機(jī)組是根據(jù)礦井為防止進(jìn)風(fēng)井井筒冬季結(jié)冰，必須向井下供應(yīng)暖風(fēng)的需要，研制的一種高效率、高智能的空氣加熱設(shè)備,用于礦山井口空氣加熱。工業(yè)空氣加熱機(jī)組由鼓風(fēng)機(jī)、加熱器、控制電路3大部分組成，主要工作原理：通電后，鼓風(fēng)機(jī)把空氣吹送到加熱器里，令空氣從螺旋狀的電熱絲內(nèi)、外側(cè)均勻通過，電熱絲通電后產(chǎn)生的熱量與通過的冷空氣進(jìn)行熱交換，從而使出風(fēng)口風(fēng)溫升高。進(jìn)風(fēng)口環(huán)境溫度K型熱電偶及時(shí)將探測到的環(huán)境溫度反饋到溫控儀，儀表根據(jù)設(shè)定溫度監(jiān)測工作實(shí)際溫度，并將有關(guān)信息傳遞回固態(tài)繼電器控制加熱器是否工作。同時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)電熱風(fēng)機(jī)功率，由此實(shí)現(xiàn)工作溫度、功率的調(diào)控。

3 礦井供暖系統(tǒng)改造整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井需熱場所建筑類型、位置以及供暖環(huán)境需求等因素，進(jìn)行供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1) 澡堂洗浴熱水供應(yīng)。

將礦井乏風(fēng)作為熱源，利用乏風(fēng)熱泵第2、3、4號3臺HE-B600型熱泵機(jī)組，為礦井提供洗浴熱水。

2) 礦井供暖。

根據(jù)礦井生產(chǎn)、生活供暖要求的不同，將礦井的生活和生產(chǎn)供暖分離，生活供暖采用污水源熱泵和雙源空氣能機(jī)組，配合電鍋爐；工業(yè)供暖采用壓風(fēng)機(jī)余熱回收機(jī)組和電暖風(fēng)機(jī)配合。

3) 生活供暖。

生活區(qū)供暖利用污水源熱泵和DX03-50P型雙源空氣能熱泵機(jī)組(雙源指雙熱源，即空氣和礦井的回風(fēng))。

4) 辦公區(qū)的供暖。

在高山污水站建立的污水源熱泵機(jī)房，選用YLSRMJA-450型污水源熱泵機(jī)組2臺，負(fù)責(zé)礦井辦公區(qū)域的供暖工作。設(shè)備供電電壓380 V，單臺功率169 kW，制熱量為452.5 kW，制熱能效5.23 cop,壓力損失≤60 kPa. 配置的污水源熱泵高溫機(jī)組兩臺制熱量共905 kW，滿足供暖需求。

5) 生活區(qū)域的供暖。

在礦井主扇回風(fēng)筒上方加設(shè)回風(fēng)熱源吸收裝置，使設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)冬季使用礦井回風(fēng)，夏季使用外界溫度較高的空氣，并且能夠自動(dòng)進(jìn)行熱源切換。配合5臺200 kW變頻智能電磁鍋爐負(fù)責(zé)生活區(qū)供暖；新建100 m3的水箱，全面負(fù)責(zé)生活區(qū)供暖，分別利用雙源空氣能熱泵機(jī)組(設(shè)定溫度55 ℃)和電鍋爐(設(shè)定溫度65 ℃)，將水溫加熱接近至65 ℃，最終達(dá)到良好的供暖效果。

6) 工業(yè)供暖。

選用MAM860型壓風(fēng)機(jī)余熱回收機(jī)組配合一臺200 kW電鍋爐進(jìn)行供暖，設(shè)備利用吸收壓風(fēng)機(jī)油溫，通過熱量轉(zhuǎn)換器直接將工業(yè)區(qū)供暖回水管路接入進(jìn)水設(shè)備進(jìn)行加熱。此外，在各部原煤皮帶的落煤點(diǎn)等較為容易結(jié)冰處，安裝電暖風(fēng)機(jī)組，保證冬季原煤系統(tǒng)的防凍。

7) 主井防凍方案。

選用1臺500 kW工業(yè)空氣加熱機(jī)組和600 kW直熱式空氣源熱泵機(jī)組。

8) 副井防凍方案。

副井防凍采用4臺加熱機(jī)組型號為QRWRK-500，單臺功率500 kW，供電電壓660 V.

礦井供暖系統(tǒng)整體方案及關(guān)鍵設(shè)備選型見表3.

表3 礦井供暖系統(tǒng)整體方案及關(guān)鍵設(shè)備選型表

4 應(yīng)用效果分析

礦井供暖系統(tǒng)改造后，對取暖主要場所的環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，見圖4，澡堂溫度22～24 ℃，宿舍樓溫度21～25 ℃，辦公樓溫度18～20 ℃，原煤一部溫度14～15 ℃，主井口和副井口溫度為2～4 ℃. 從冬季一個(gè)月的運(yùn)行情況來看，改造后的供暖系統(tǒng)運(yùn)行基本平穩(wěn)，關(guān)鍵場所的溫度能夠滿足生產(chǎn)、生活需求，且場所溫度較為穩(wěn)定。

圖4 礦井主要供暖場所溫度變化圖

5 結(jié) 論

基于清潔能源技術(shù)，采用理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用的方法，結(jié)合店坪礦現(xiàn)場實(shí)際因地制宜，對各個(gè)建筑燃煤鍋爐系統(tǒng)采用不同方案進(jìn)行供暖改造。

1) 綜合分析了礦井可利用的清潔能源技術(shù)，包括礦井回風(fēng)熱量、污水源熱量、變頻電磁采暖和工業(yè)空氣加熱。

2) 采用變頻電磁鍋爐負(fù)責(zé)家屬區(qū)、宿舍樓、食堂、污水站、機(jī)修車間、筒倉、皮帶走廊冬季取暖；礦井回風(fēng)熱源負(fù)責(zé)澡堂、生產(chǎn)樓、綜合樓洗衣房以及洗浴用熱水；采用空氣加熱機(jī)組負(fù)責(zé)主、副井口取暖。通過供暖系統(tǒng)監(jiān)測可知，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，關(guān)鍵場所溫度能夠滿足需求，且場所溫度較為穩(wěn)定。

3) 效益分析可知，每年可以減少向大氣中排放二氧化硫12 t、氮氧化物22 t、煙塵3 t，帶來的環(huán)境效益不可估量。