潔能改造技術(shù)在礦山工業(yè)廣場(chǎng)供熱的應(yīng)用

楊東蕻

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036000）

為了減少礦山燃煤鍋爐對(duì)環(huán)境的影響，計(jì)劃淘汰燃煤鍋爐，采用清潔能源供熱技術(shù)服務(wù)于礦山日常生產(chǎn)活動(dòng)迫在眉睫[1-3]。北辛窯煤業(yè)有限公司積極響應(yīng)國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)新要求，采用清潔能源改造技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“燃煤粉”技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了礦山工業(yè)廣場(chǎng)井筒避寒和建筑保暖[4-6]。

1 項(xiàng)目概況

北辛窯煤業(yè)位于山西省忻州市寧武縣，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4 Mt/a，服務(wù)年限54 a。礦井工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)有三臺(tái)20 t/h 煤粉鍋爐，對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)辦公樓、工業(yè)建筑、井口防凍、生活熱水等進(jìn)行供熱。礦井井筒（含主、副斜井、進(jìn)風(fēng)立井三個(gè)進(jìn)風(fēng)點(diǎn)）進(jìn)風(fēng)量共計(jì)15 265 m3/min，回風(fēng)量平均為15 623 m3/min，礦井水平均排量10 000 m3/d?？諌簷C(jī)房?jī)?nèi)使用2 臺(tái)空壓機(jī)，制氮機(jī)房?jī)?nèi)使用4 臺(tái)空壓機(jī)，洗浴、生活用熱水300～500 m3/d。根據(jù)煤礦余熱資源及配電負(fù)荷剩余情況，采用直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)聯(lián)合涌水源熱泵技術(shù)進(jìn)行工業(yè)場(chǎng)地井筒防凍供熱，采用空壓機(jī)余熱回收技術(shù)進(jìn)行工業(yè)場(chǎng)地洗浴供熱，工業(yè)場(chǎng)地建筑采暖部分由天然氣鍋爐進(jìn)行補(bǔ)充。

2 礦井熱負(fù)荷需求計(jì)算

1）井筒防凍熱負(fù)荷

礦井工業(yè)廣場(chǎng)進(jìn)井筒分別為主斜井、副斜井和進(jìn)風(fēng)立井。冬季極端最低平均溫度為-28 ℃，入井混合溫度為2 ℃，井筒防凍熱負(fù)荷計(jì)算如式（1）。

式中：Q為熱負(fù)荷，kW；a為富裕系數(shù)，取1.1；Gr為礦井進(jìn)風(fēng)量，m3/s ；V為空氣密度，取1.13 kg/m3；C為空氣比熱容，kJ/（kg·℃），取1.01；t為冬季室外最低平均溫度，取t=-28 ℃。

主斜井進(jìn)風(fēng)量為3200 m3/min，副斜井進(jìn)風(fēng)量為5081 m3/min，進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)量為6984 m3/min。經(jīng)計(jì)算可得：主斜井井筒防凍熱負(fù)荷2 007.4 kW，副斜井井筒防凍3 190.1 kW，進(jìn)風(fēng)立井井筒防凍4 383.9 kW。

2）生活熱水熱負(fù)荷

全礦生活用水最大量為500 m3/d，場(chǎng)區(qū)自來(lái)水平均溫度按12 ℃計(jì)算，生活熱水按45 ℃計(jì)算，生活用熱水熱負(fù)荷計(jì)算如公式（2）。

式中：C為水的比熱，4.2 kJ/（kg·℃）；M為每日用水總量，kg；△T為水溫差，℃。

可得Q=69.3 GJ。熱量為802.1 kW。工業(yè)廣場(chǎng)熱負(fù)荷匯總表見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)廣場(chǎng)熱負(fù)荷匯總表

3 礦井可利用低溫?zé)嵩捶治?/h2>

1）洗浴廢水低溫?zé)嵩?/p>

職工澡堂最大用水量為500 m3/d。在浴池集中排放廢水過(guò)程，洗浴廢水排水溫度按35 ℃考慮，通過(guò)換熱器后溫度為15 ℃。洗浴廢水可提供的熱量Q1=C×M×△T=486.1 kW，洗浴廢水再通過(guò)熱泵機(jī)組，排放溫度為4 ℃，洗浴廢水可提供的熱量為Q2=C×M×△T=267.4 kW，熱泵機(jī)組可提供熱負(fù)荷為Q3=343.8 kW。洗浴廢水低溫?zé)嵩刺峁┛偀崃繛镼廢水=Q1+Q2+Q3=829.9 kW。

2）礦井回風(fēng)低溫?zé)嵩?/p>

回風(fēng)井的總回風(fēng)量為15 623 m3/min，冬季回風(fēng)溫度相對(duì)恒定為7～8 ℃，相對(duì)濕度為80%，采用雙級(jí)提熱技術(shù)，一級(jí)提熱后溫度按2 ℃，二級(jí)提熱后溫度按-4 ℃。一級(jí)換熱可提取的熱量為：

二級(jí)換熱可提取的熱量為：

式中：Lh為風(fēng)井回風(fēng)量，260.4 m3/s；ρ為回風(fēng)空氣密度，1.13 kg/m3；H為回風(fēng)熱回收前焓值，風(fēng)溫8 ℃，相對(duì)濕度80%，焓值為23.4 kJ/kg；H1為回風(fēng)一級(jí)熱回收后焓值，風(fēng)溫2 ℃，相對(duì)濕度100%，焓值14.5 kJ/kg；H2為回風(fēng)二級(jí)熱回收后焓值，風(fēng)溫-4 ℃，焓值3.3 kJ/kg。

代入數(shù)值計(jì)算可得：一級(jí)換熱可提取的熱量Q1=2 618.8 kW，二級(jí)換熱可提取的熱量Q2=3 295.6 kW。采用乏風(fēng)源熱泵機(jī)組回收礦井回風(fēng)二級(jí)換熱量，熱泵機(jī)組能效比按2.7 計(jì)算，則熱泵系統(tǒng)可提供熱負(fù)荷為5 234.2 kW。

3）礦井水低溫?zé)嵩?/p>

礦井水平均排水量為10 000 m3/d，排水溫度為9～10 ℃，通過(guò)熱泵后溫度為4 ℃，礦井水可提供的熱量為：Q=C×M×△T=2 430.6 kW。采用礦井水源熱泵機(jī)組回收礦井水余熱，熱泵機(jī)組能效比按3.2計(jì)算，則系統(tǒng)可提供熱負(fù)荷為3 535.4 kW。

4）空壓機(jī)、制氮機(jī)低溫?zé)嵩?/p>

余熱利用裝置充分利用了空壓機(jī)高溫油氣中的熱能。在壓縮空氣站內(nèi)設(shè)4 臺(tái)WL-280H 型余熱利用裝置，與空壓機(jī)1 對(duì)1 配置，則空壓機(jī)可提供熱負(fù)荷為：280×2×0.7=392 kW。在制氮機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)4臺(tái)WL-250H 型余熱利用裝置，與空壓機(jī)1 對(duì)1 配置，則空壓機(jī)可提供熱負(fù)荷為：250×4×0.7=700 kW。

低溫?zé)嵩磪R總見(jiàn)表2。工業(yè)廣場(chǎng)采暖季最大熱負(fù)荷為38 729 kW，現(xiàn)有低溫?zé)嵩从械V井水余熱、礦井回風(fēng)余熱、洗浴廢水余熱、空壓機(jī)和制氮機(jī)余熱，可充分利用所有低溫?zé)嵩?，可提供的最大熱?fù)荷為13 310.3 kW。礦井工業(yè)廣場(chǎng)非采暖季只有生活熱水熱負(fù)荷802.1 kW，為了最大限度節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，非采暖季使用空壓機(jī)余熱和制氮機(jī)余熱可提供的熱負(fù)荷為1092 kW，滿足熱負(fù)荷需求，運(yùn)行費(fèi)用大大降低。

表2 低溫?zé)嵩磪R總表

4 工業(yè)廣場(chǎng)清潔能源供熱技術(shù)供熱改造

4.1 熱源與熱負(fù)荷

1）洗浴廢水余熱利用系統(tǒng)

洗浴廢水余熱全部用來(lái)加熱生活熱水，采暖季運(yùn)行，洗浴廢水余熱可提供熱負(fù)荷為829.9 kW，生活熱水所需熱負(fù)荷為802.1 kW，滿足使用要求。

2）礦井水+礦井回風(fēng)+空壓機(jī)+制氮機(jī)余熱利用系統(tǒng)

空壓機(jī)余熱可提供熱負(fù)荷為392 kW，制氮機(jī)余熱供熱量為700 kW，礦井水余熱利用熱泵系統(tǒng)可提供熱量為3 535.4 kW，礦井回風(fēng)一級(jí)換熱量為2 618.8 kW，礦井回風(fēng)二級(jí)換熱泵系統(tǒng)可提供熱量為5 234.2 kW，礦井回風(fēng)距離進(jìn)風(fēng)立井很近，一級(jí)換熱量2 618.8 kW 全部用來(lái)預(yù)熱進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，而進(jìn)風(fēng)立井總熱負(fù)荷為4 383.9 kW，需要補(bǔ)充熱量為1 765.1 kW，因此空壓機(jī)+制氮機(jī)+礦井水+礦井回風(fēng)熱泵系統(tǒng)剩余熱量為8 096.5 kW，用于解決回風(fēng)井附近建筑物采暖。

3）燃?xì)忮仩t系統(tǒng)

建筑采暖及主、副斜井井筒防凍熱負(fù)荷為33 543 kW，“空壓機(jī)+制氮機(jī)+礦井水+礦井回風(fēng)熱泵系統(tǒng)”，采暖供熱缺口25 446.5 kW，采用燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。同時(shí)燃?xì)忮仩t向熱泵機(jī)房板式換熱器引一趟分支管路，作為熱泵系統(tǒng)備用熱源。熱源與熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 熱源與熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

本項(xiàng)目通過(guò)空壓機(jī)、制氮機(jī)余熱利用系統(tǒng)、礦井水余熱利用系統(tǒng)、洗浴廢水余熱利用系統(tǒng)、礦井回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t技術(shù)，解決北辛窯煤礦工業(yè)廣場(chǎng)建筑采暖、井筒防凍、生活熱水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綠色能源回收利用、節(jié)能減排的目標(biāo)。

（1）環(huán)保效益。項(xiàng)目實(shí)施后將實(shí)現(xiàn)廢熱回收，變廢為寶，符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排等產(chǎn)業(yè)政策和山西省委省政府轉(zhuǎn)型發(fā)展的總體要求。每年節(jié)約煤炭783.5 t，減排二氧化碳2 037.2 t，減排二氧化硫15.7 t，減排氮氧化物7.8 t。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目實(shí)施后年運(yùn)行費(fèi)用為3 029.05 萬(wàn)元，較煤粉鍋爐運(yùn)行費(fèi)用低。

（3）社會(huì)效益。項(xiàng)目實(shí)施后將實(shí)現(xiàn)污染物零排放的目標(biāo)，為山西省碧水藍(lán)天的奮斗目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)空壓機(jī)、制氮機(jī)余熱利用系統(tǒng)、礦井水余熱利用系統(tǒng)、洗浴廢水余熱利用系統(tǒng)、礦井回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t技術(shù)，解決北辛窯煤礦工業(yè)廣場(chǎng)建筑采暖、井筒防凍、生活熱水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綠色能源回收利用、節(jié)能減排的目標(biāo)，切實(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，環(huán)保效益突出、經(jīng)濟(jì)效益可觀、社會(huì)效益顯著。