煤礦余熱資源綜合利用技術應用實踐

張利軍

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

2018年6月，山西省下發(fā)《關于印發(fā)山西省大氣污染防治行動計劃的通知》，明確提出10月1日前，所有在用燃煤鍋爐排放大氣污染物達到特別排放限值標準，基本淘汰35 蒸t/h及以下燃煤鍋爐(含煤粉鍋爐)[1]。根據(jù)新的環(huán)保要求，新元煤礦冀家垴風井場地燃煤熱風爐和鍋爐需要進行脫硫脫硝改造才能達到特別排放限值標準要求，改造工程需要大額投資，而且隨著環(huán)保壓力的進一步加大，排放指標進一步降低[2]，將來可能有進一步投資的可能性。因此，冀家垴風井場地考慮進行清潔能源改造。

目前煤礦替代燃煤鍋爐供熱清潔能源形式主要有燃氣鍋爐、電鍋爐和余熱回收利用[3]。選用燃氣鍋爐供熱，天然氣的供應量不穩(wěn)定，特別是冬季采暖季節(jié)，頻繁出現(xiàn)供不應求的情況，而且運行費用居高不下；采用電鍋爐供熱，涉及負荷大，需進行電力增容，工業(yè)用電電價偏高，大幅提升了系統(tǒng)運行費用?；谏鲜隹紤]，該礦擬采用余熱資源綜合利用方式解決供熱問題。

煤礦的余熱資源主要包含乏風余熱、礦井水(冷卻水)余熱、空壓機余熱和瓦斯發(fā)電廠余熱4種資源。在上述4種余熱資源的利用中，空壓機余熱資源和瓦斯發(fā)電廠余熱資源可以視為免費余熱，僅循環(huán)水泵做功消耗電費，同時還可以解決機組的冷卻問題，是煤礦余熱資源利用的首選；其次為礦井水(冷卻水)余熱資源，相比乏風余熱，其投資相對較低，相比空氣源熱泵機組[4]，其機組運行COP高，耗電量小，相比天然氣鍋爐和電鍋爐，其運行經(jīng)濟效果顯著；再次為乏風余熱資源，乏風余熱是煤礦必定有的余熱資源，且其排風溫度穩(wěn)定，余熱量大，是不可多得的節(jié)能環(huán)保資源。在冀家垴風井場地，上述4種資源同時存在，結合冀家垴風井場地的壓風機、瓦斯抽放泵、楊德電廠瓦斯發(fā)電機組余熱資源條件，本項目考慮首先采用壓風機與瓦斯發(fā)電機組余熱，其次采用瓦斯抽放泵余熱來滿足冀家垴風井場的供熱需求，替代燃煤熱風爐與燃煤鍋爐供熱，以徹底解決燃煤熱風爐與燃煤鍋爐供熱存在的環(huán)保問題[4]。

1 供熱負荷及余熱資源分析

1.1 供熱負荷

1.1.1 進風井場口防凍

冀家垴風井場地進風井進風量為20 000 m3/min，冬季極端最低溫度平均值為-23 ℃，通過計算可知，冀家垴的井口保溫防凍負荷為10 460 kW，考慮1.05的管網(wǎng)損失系數(shù)[5]，冀家垴實際井口保溫防凍負荷為10 983 kW。

1.1.2 建筑采暖負荷

根據(jù)煤礦現(xiàn)場資料整理，得出了建筑采暖負荷情況，其中建筑采暖面積約為30 000 m2，單位面積采暖指標取100 W/m2，則采暖總負荷為3 000 kW。考慮1.05管網(wǎng)損失系數(shù)，冀家垴的實際建筑采暖負荷為3 150 kW。

1.1.3 供熱總負荷(見表1)

表1 冀家垴井場地供熱總負荷

1.2 余熱資源分析

1.2.1 壓風機余熱資源

冀家垴風井場有壓風機7臺，功率250 kW，6用1備，水冷方式，采用SMEET高效余熱回收機組從壓風機油系統(tǒng)取熱，壓風機余熱量可按以下方式計算[6]：

Qy=Nnkφ

(1)

式(1)中：Qy——壓風機余熱量，kW；

N——壓風機單機裝機容量，250 kW；

n——運行臺數(shù)(6臺)；

K——熱回收率(70%)；

φ——壓風機平均加載率(90%)。

代入公式(1)得：Qy=250×6×0.7×90%=945 kW。

1.2.2 瓦斯發(fā)電機組余熱資源

冀家垴楊德電廠目前有26 臺瓦斯發(fā)電機組，單臺發(fā)電功率500 kW，額定工況下煙氣量2 787 kg/h，煙氣溫度550 ℃，平均使用20臺。

(1)瓦斯發(fā)電機組煙氣余熱量。煙道出口煙氣流量為2 787 kg/h，煙氣溫度550 ℃，經(jīng)余熱鍋爐換熱后煙氣溫度為150 ℃，煙氣由550 ℃降為150 ℃時，每小時釋放的熱量為[7]：

Q=ρL(h1-h2)

(2)

式(2)中：L——煙氣流量，m3/h；

ρ——煙氣密度，kg/m3；

h1——煙道出口煙氣溫度550 ℃時煙氣焓值，kJ/kg；

h2——取熱后150 ℃時煙氣焓值，kJ/kg。

代入公式(2)得：Q=447 kW

余熱鍋爐換熱效率為80%，20臺機組每小時可回收熱量：

Q=20×447×80%=7152(kW)

(2)瓦斯發(fā)電機組高溫缸套水余熱。高溫缸套水出水溫度約70 ～80 ℃，回水約60～70 ℃，循環(huán)水量約30 t/h，按利用溫差5 ℃進行計算，則20臺可以回收的余熱量計算式為[8]：

Q=20cρVΔt

(3)

式(3)中：Q——熱量，W；

c——水的比熱容，4.186 8 kJ/(℃·kg)；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

V——單位時間循環(huán)水體積，m3；

Δt——溫差，℃。

代入公式(3)得瓦斯發(fā)電機組高溫缸套水可利用的余熱量：Q=3 483 kW。

(3)20臺500 kW瓦斯發(fā)電機組余熱總量=瓦斯發(fā)電機組煙氣余熱量+發(fā)電機組高溫缸套水余熱[7]：7152+3483=10635(kW)。

1.2.3 瓦斯抽放泵冷卻水余熱資源

冀家垴風井場有瓦斯抽放泵：900 kW×4，3用1備；1400kW×2，1用1備；1600kW×2，1用1備；冷卻水循環(huán)泵200 m3/h×2，1用1備，100 m3/h×2，1用1備，溫差約在10～15 ℃。

冷卻水余熱量計算式為[9]：

Qy=cρVηΔt

(4)

式(4)中：Qy——余熱量，W；

c——水的比熱容，4.186 8 kJ/(℃·kg)；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

V——單位時間循環(huán)水體積，m3；

η——換熱效率，%；

Δt——溫差，℃。

代入公式(4)得瓦斯抽放泵冷卻水余熱量：Qy=2 090 kW

則水源熱泵供熱量：Qr=Qy+Qy/2.5=2926(kW)。

1.3 余熱資源匯總

根據(jù)上述計算，余熱資源供熱能力匯總如表2所示。

表2 冀家垴井場地余熱資源匯總

根據(jù)上述計算，供熱需求負荷為14 133 kW，余熱資源供熱量14 506 kW，完全可以滿足供熱需求。

2 余熱利用方案設計

2.1 供熱系統(tǒng)設計原則

針對新元煤礦特點和余熱利用的技術難題，為順利解決煤礦井口保溫和建筑采暖需求，遵循以下原則進行設計。

仿真實驗平臺建設應切合自身情況，以提高實驗教學質量為目的，堅持走自主研發(fā)道路。宜成立仿真實驗協(xié)會，對仿真實驗平臺建設進行規(guī)范和監(jiān)管。建設過程中，宜由主管部門牽頭統(tǒng)籌資源，聯(lián)合研發(fā)。建成后，宜交專業(yè)職能部門接管運營，提高共享服務能力和社會效益。

(1)采用余熱資源綜合利用，確保井口及建筑采暖供熱需求。本礦井余熱資源分散，單獨利用電廠余熱資源和空壓機余熱資源及瓦斯抽放泵余熱資源都無法解決井口及建筑采暖供熱需求，針對這種情況，通過智能自控系統(tǒng)將發(fā)電機組煙氣余熱、發(fā)電機組缸套余熱、空壓機余熱、瓦斯抽放泵余熱集中收集到余熱回收機房，然后分別送至井口和各建筑采暖位置，從根本上解決了余熱資源分散、井口和建筑采暖需求熱量不足的問題。

(2)采用多系統(tǒng)獨立并聯(lián)布置，靈活高效使用各種余熱資源。在本項目的余熱資源利用中，制熱量按照提取10 ℃溫差的熱能計算，瓦斯抽放泵設計供水溫度50 ℃，余熱資源形成供熱能力2 900 kW；空壓機設計供水溫度50 ℃，余熱回收機組可形成供熱能力1 050 kW(單機供熱能力175 kW，7臺空壓機按工作6臺考慮)；發(fā)電機組煙氣余熱設計供水溫度70 ℃，可形成供熱能力8 500 kW(單機供熱能力425 kW，26臺機組按工作20臺考慮)；發(fā)電機組缸套水余熱設計供水溫度70 ℃，可形成供熱能力5 000 kW(單機供熱能力250 kW，26臺機組按工作20臺考慮)。

由上述系統(tǒng)可知，不同系統(tǒng)的工作環(huán)境和設計供水溫度均不同，因此以往簡單地將各系統(tǒng)并聯(lián)使用在水力上很難實現(xiàn)平衡。本系統(tǒng)通過在各個加熱系統(tǒng)上加裝比例電動閥對每個系統(tǒng)的流量實現(xiàn)精準控制，同時，每個系統(tǒng)在并聯(lián)使用的同時，也可以單獨供應對應的井口加熱機組。在其中一個系統(tǒng)運行不穩(wěn)定時，其余系統(tǒng)可以快速為其進行補充，實現(xiàn)井口和建筑采暖的恒定供熱。

(3)采用智能控制系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)調整設備運行數(shù)量，在保證井口保溫防凍和建筑采暖需求的基礎上，進一步降低能耗，實現(xiàn)超低費用運行。

由于煤礦余熱利用工程的不確定性和復雜性，導致現(xiàn)有的控制大多還局限在人工控制或者簡單的通過監(jiān)測實際溫度來調整閥門開度，無法實現(xiàn)精準、快速調控。本項目采用人工智能技術，預測預判的方法，可根據(jù)環(huán)境變化快速準確地計算出最優(yōu)的優(yōu)化控制方案。例如，當環(huán)境溫度驟降，使得井口溫度小于目標溫度時，系統(tǒng)能夠提前預知井口溫度變化，并且預測稍后一段時間的環(huán)境溫度變化趨勢，及時反應并準確地計算出當前熱水閥門的目標開度，從而準確、快速并且平穩(wěn)地引導系統(tǒng)回到目標溫度。系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的同時可節(jié)約大量熱源。其控制優(yōu)化主要原理見圖1。

圖1 余熱資源利用智能控制系統(tǒng)原理示意

2.2 綜合余熱資源利用系統(tǒng)設計

2.2.1 瓦斯發(fā)電機組余熱資源利用

瓦斯發(fā)電機組余熱資源利用主要包括瓦斯發(fā)電機組煙氣余熱資源回收和缸套水余熱資源回收[10]。余熱回收是通過在發(fā)電機組煙道出口和發(fā)電機組冷卻水管道上分別加裝一套余熱回收裝置，經(jīng)過換熱器加熱后供給熱用戶，冷卻后的循環(huán)水再被送回煙道出口和發(fā)電機組冷卻水管道上余熱回收裝置加熱，如此循環(huán)往復。瓦斯發(fā)電機組余熱資源利用示意如圖2所示。

圖2 瓦斯發(fā)電機組余熱資源利用示意

2.2.2 空壓機余熱資源利用

圖3 空壓機余熱資源利用示意

2.2.3 瓦斯抽放泵余熱資源利用

煤礦瓦斯抽放泵余熱，主要是從其冷卻水系統(tǒng)中取熱，采用水源熱泵技術提升其熱源溫度后用于風井防凍與建筑采暖等，在本項目中其主要作用是在極端天氣下為井口防凍提供熱量。

2.3 熱源方案確定

根據(jù)余熱資源及負荷計算，選定26臺型號SMEET-GTSH-250/1.0的缸套水余熱回收機組、26臺型號SMEET-XFRG-6B的煙氣余熱回收機組、7臺型號SMEET-YFH-16的空壓機余熱回收機組和2臺型號SMEET-SYZ-1450GMR2的冷卻水源熱泵機組共同進行供熱，四大系統(tǒng)通過主管網(wǎng)并聯(lián)，供至換熱機房，由換熱機房集中供至井口加熱和建筑采暖，同時，各熱源同時可以單獨向對應的井口加熱機組進行供熱，實現(xiàn)熱量和系統(tǒng)的優(yōu)化。每個系統(tǒng)上均設置流量控制閥門，根據(jù)仿真計算和現(xiàn)場調教，使得各系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動進行流量和溫度的控制，最終實現(xiàn)井口的保溫防凍和建筑采暖。

3 綜合余熱系統(tǒng)運行分析

本項目采用余熱資源綜合利用，確保井口及建筑采暖供熱需求；采用多系統(tǒng)獨立并聯(lián)布置，靈活高效使用各種余熱資源[12]；采用智能控制系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)調整設備運行數(shù)量，在保證井口保溫防凍和建筑采暖需求的基礎上，進一步降低能耗，實現(xiàn)超低費用運行。系統(tǒng)施工于2020年12月下旬完成后，進行了運行測試。

取2021年1月份每天3點記錄數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)記錄結果，繪制環(huán)境溫度和井口溫度隨時間變化曲線，如圖4所示。

圖4 井口溫度、環(huán)境溫度隨時間月變化曲線

由上述數(shù)據(jù)和曲線可得如下結論：

(1)在出風溫度基本恒定的情況下，各系統(tǒng)的供水溫度基本恒定，穩(wěn)定供熱。即采用多系統(tǒng)綜合余熱資源利用技術，實現(xiàn)了井口的穩(wěn)定供熱；

(2)在環(huán)境溫度波動較大的情況下，通過合理的流量和溫度調控，使得井口混風溫度維持在2～4 ℃，在保證穩(wěn)定供熱的同時，最大程度的節(jié)約了余熱資源。

4 技術經(jīng)濟與效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

4.1.1 原燃煤熱風爐和鍋爐運行費用

新元公司冀家垴風井場地原有燃煤熱風爐和鍋爐運行費用見表3。

表3 原有燃煤熱風爐及鍋爐運行費用

由表1數(shù)據(jù)得，本項目采暖季總供熱量為：(10983×0.5+3150×0.6)×150×24/10000=2303萬kW·h (8.29萬GJ)

即該風井場目前燃煤鍋爐單位供熱量運行費用指標為：663.8/2303=0.3 元/kW·h(80.07元/GJ)，是本余熱利用項目的10倍。

4.1.2 余熱資源綜合利用運行費用

通過實際運行，該項目在150 d的供暖季中，實測運行費用如表4所示。

表4 余熱資源綜合利用運行費用

同理，本項目單位供熱量運行費用為：66.1/2303=0.03 元/(kW·h)(8.0元/GJ)。城市集中采暖費用60～80元/GJ，只有城市集中采暖費用的1/7～1/10；較原有該風井場燃煤鍋爐每年節(jié)省運行費用598萬元。

4.1.3 投資回收期

燃煤熱風爐與燃煤鍋爐如果新建除塵、脫硫脫硝系統(tǒng)，根據(jù)市場價格，每臺燃煤鍋爐與燃煤熱風爐需要達到目前環(huán)保要求的排放標準，需增加的環(huán)保投資約為80萬，環(huán)保改造費用至少為480 萬元。

則本項目新增投資為：(1754.12-480)=1274.12(萬元)；

增量投資回收期為：1274.12÷(663.8-66.1)=1274.12/598=2.1(a)；

靜態(tài)總投資回收期為：1754.12÷598=2.9(a)。

項目設備投資1 115.3萬元，配套工程638.82萬元，總投資約1 754.12萬元，靜態(tài)總投資回收期約為3 a，經(jīng)濟效益可觀。

4.2 環(huán)保效益分析

該項目在150 d的供暖季中，實測耗電量為115.63 萬kW·h，余熱回收利用供熱系統(tǒng)耗電量相當于消耗標煤量為(1 kW·h=0.32 kg標煤)：115.63×10000×0.32÷1000=370 t。

燃煤蒸汽鍋爐每年消耗原煤9 500 t，原煤發(fā)熱量為23.01 MJ/kg，折合標煤量為7 464 t，則余熱回收利用供熱系統(tǒng)節(jié)約的標煤量為：7464-370=7094(t)。

本項目減排率為：7094÷7464×100%=95.04(%)。

可以減少的各種污染物排量見表5。

表5 減少污染物排放量

改造后系統(tǒng)耗電量115.63萬kW·h/a，折算標煤370 t/a，節(jié)能減排率達95.04%，相當于減排SO2、NOx、PM2.5和灰渣總計8 916.7 t，具有可觀的環(huán)保效益。

5 結 論

新元煤礦余熱資源利用是多種熱源同時供熱維持供熱平衡的一次重大突破。該系統(tǒng)的應用，充分利用了煤礦余熱資源，回收了壓風機和瓦斯抽放泵站余熱，改善了壓風機和瓦斯抽放泵站運行條件；對瓦斯發(fā)電機組煙氣余熱進行回收利用，減少了瓦斯發(fā)電機組煙氣帶來的環(huán)保問題；回收瓦斯發(fā)電機組缸套水余熱，利用瓦斯發(fā)電機組的散熱，減少瓦斯發(fā)電機組本身風冷散熱的電消耗。所回收余熱資源完全能夠滿足新元煤礦冀家垴風井場地井筒防凍及建筑采暖等供熱需求，取代了燃煤鍋爐，經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著，對建設綠色礦山具有重要的戰(zhàn)略意義。