礦區(qū)余熱綜合利用項(xiàng)目的研究與應(yīng)用

趙增選

摘要：工業(yè)余熱資源豐富，廣泛存在于工業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的17～67%，其中可回收率達(dá)60%，余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大，工業(yè)余熱回收利用又被認(rèn)為是一種“新能源”，近年來(lái)成為推進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。通過(guò)采用熱交換技術(shù)，利用換熱設(shè)備將余熱能量直接傳遞給自身工藝的耗能流程，從而降低一次能源消耗，這是回收工業(yè)余熱最直接、效率較高的經(jīng)濟(jì)方法，節(jié)能環(huán)保。

Abstract： Waste heat resource is abundant and widely exists in the production process of various industries， which accounts for 17-67% of the total fuel consumption， of which the recovery rate is 60%. There is a great space for improving the utilization rate of waste heat， and the potential of energy saving is huge. Industrial waste heat recovery and utilization is also considered as a "new energy source"， which has become an important part of promoting energy conservation and emission reduction in China in recent years. By using heat exchange technology and heat exchange equipment， the waste heat energy can be directly transferred to the energy consumption process of its own process， so as to reduce the primary energy consumption. This is the most direct and efficient economic method to recover industrial waste heat and has a meaning of energy saving and environmental protection.

關(guān)鍵詞：工業(yè)余熱;回收利用;熱交換技術(shù);換熱設(shè)備;節(jié)能環(huán)保

Key words： Industrial waste heat;recovery and utilization;heat exchange technology;heat exchange equipment;energy saving and environmental protection

中圖分類號(hào)：TU833 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）20-0240-03

0 ?引言

山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)田陳煤礦礦區(qū)供暖系統(tǒng)總面積為46萬(wàn)平方米，為汽暖方式，該供暖系統(tǒng)建成運(yùn)行已有11年，經(jīng)多年運(yùn)行目前管道腐蝕比較嚴(yán)重，多處管壁較薄，已經(jīng)不適合繼續(xù)使用，且為高溫壓力管道，運(yùn)行方式安全性較差，同時(shí)蒸汽供暖方式熱損失較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，浪費(fèi)較大，環(huán)保部門(mén)已不提倡該種采暖方式。新的節(jié)能環(huán)保供暖技術(shù)日趨成熟，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能供暖的同時(shí)又滿足了環(huán)保的要求。一是電廠可采用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組，吸收汽輪機(jī)冷卻循環(huán)水余熱，用以替代蒸汽供給采暖;二是可采用壓風(fēng)機(jī)余熱、礦井水余熱+水源熱泵技術(shù)替代鍋爐和中央空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)改造后經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^，而且可以解決因電廠檢修或故障時(shí)，井口可以利用水源熱泵機(jī)組應(yīng)急供暖。

經(jīng)過(guò)深入調(diào)查研究，目前礦區(qū)主要存在三種余熱可以加以利用。一是電廠（自備）汽輪機(jī)冷卻循環(huán)水余熱，電廠汽輪機(jī)冷卻循環(huán)水是汽輪機(jī)做功后乏汽冷卻循環(huán)水，其溫度較高，冬季可達(dá)30℃，夏季達(dá)到34℃以上，且循環(huán)水量達(dá)到5000T/h，可利用的熱量巨大，如加以利用，效益將非常可觀，可滿足整個(gè)礦區(qū)的冬季供暖;二是礦井水余熱，礦井水每天1.2萬(wàn)立方米，溫度可達(dá)28℃，可利用的熱量也很巨大，可滿足冬季井口供暖和7000名職工洗浴用熱水，以及夏季制冷;三是空壓機(jī)余熱，排氣溫度可達(dá)90℃，可滿足夏季職工洗浴用熱水。

1 ?系統(tǒng)改造基本設(shè)想

經(jīng)綜合考察調(diào)研后，計(jì)劃改為水暖方式，即在熱源首端：電廠設(shè)立一級(jí)換熱站，將汽輪機(jī)冷卻循環(huán)水余熱提取換成85℃熱水，之后經(jīng)管道供到二級(jí)用戶，二級(jí)用戶再設(shè)立二次換熱站用于用戶采暖和洗浴。該種方式避免了高溫高壓蒸汽輸送的弊端，為常規(guī)壓力管道，輸送水溫較低，安全性好，同時(shí)熱力損失小，經(jīng)濟(jì)性較好。二級(jí)用戶汽暖全部改造為水暖形式，管路亦做相應(yīng)改造。

基本改造設(shè)想如下：

1.1 一級(jí)站：電廠

采用汽輪機(jī)冷卻水余熱利用（溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組）為二級(jí)用戶提供熱源，滿足礦區(qū)冬季采暖需求。

1.2 二級(jí)換熱站

分為居民區(qū)和礦內(nèi)兩部分。

1.2.1 居民區(qū)部分

冬季：采用26兆瓦水--水板式換熱器將電廠來(lái)的85℃熱水轉(zhuǎn)換成60-75℃低溫?zé)崴?0萬(wàn)平米居民樓供暖。

春夏秋季：水--水板式換熱器停運(yùn)，停止供暖。

1.2.2 礦內(nèi)：分季節(jié)和分區(qū)域供暖

冬季：①采用6.5兆瓦水--水板式換熱器，將電廠來(lái)的85℃熱水轉(zhuǎn)換成小于50℃低溫?zé)崴?萬(wàn)平米辦公樓（礦北辦公樓、宿舍樓、南辦公樓、東西采掘樓、洗煤廠辦公樓、澡堂）、主副井口供暖及洗浴用熱水，該部分采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管散熱器。②采用8兆瓦水--水板式換熱器將電廠來(lái)的85℃熱水轉(zhuǎn)換成60-75℃低溫?zé)崴?1萬(wàn)平米辦公廠房供暖，該部分采用普通暖氣片散熱器。

春、夏、秋季：①夏季時(shí)采用水源熱泵機(jī)組替代目前現(xiàn)有的溴化鋰制冷機(jī)組，專供辦公樓（礦北辦公樓、宿舍樓、南北辦公樓、東西采掘樓、洗煤廠辦公樓）及澡堂等5萬(wàn)平米區(qū)域供冷;②春、夏、秋季時(shí)采用壓風(fēng)機(jī)余熱利用系統(tǒng)和水源熱泵機(jī)組供洗浴用熱水。

1.3 應(yīng)急保障運(yùn)行方式

冬季供暖：①原則上全部采暖和洗浴的熱源皆由電廠一級(jí)換熱站來(lái)提供，電廠一級(jí)換熱站除建有冷卻水余熱利用溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組以外，尙建有尖峰換熱器，應(yīng)急時(shí)可承擔(dān)70%的供熱任務(wù)。②在極特殊情況下，電廠無(wú)法提供熱源，則啟用礦內(nèi)水源熱泵機(jī)組來(lái)保證礦區(qū)的主、副井井口、職工及來(lái)賓澡堂的供暖及洗浴用水的需求。

2 ?整體改造方案確定及經(jīng)濟(jì)效益比較分析

費(fèi)用分析對(duì)比見(jiàn)表1。

2.1 費(fèi)用對(duì)比分析及方案的選擇

2.1.1 電廠采用汽輪機(jī)冷卻水余熱利用方式（溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組）與原采暖系統(tǒng)相比較，每年可節(jié)約：1446萬(wàn)元。

2.1.2 電廠采用常規(guī)管殼式汽水換熱方式與原采暖系統(tǒng)相比較，每年可節(jié)約：1106.1萬(wàn)元。

2.1.3 經(jīng)對(duì)比分析：電廠一級(jí)換熱站采用汽輪機(jī)冷卻水余熱利用方式（溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組），每年比采用常規(guī)管殼式汽水換熱方式可多節(jié)約：339.9萬(wàn)元。

2.2 整體改造方案確定

經(jīng)過(guò)上述經(jīng)濟(jì)效益比較分析：

一級(jí)換熱站：電廠采用汽輪機(jī)冷卻水余熱利用方式（溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組）;

二級(jí)換熱站：①礦內(nèi)采用壓風(fēng)機(jī)余熱利用系統(tǒng)+水源熱泵機(jī)組+水--水板式換熱器的方式進(jìn)行建站;②居民區(qū)采用水--水板式換熱器方式進(jìn)行建站。

3 ?項(xiàng)目實(shí)施

3.1 項(xiàng)目實(shí)施條件

3.1.1 冬季供暖設(shè)計(jì)參數(shù)

電廠一級(jí)管網(wǎng)供回水溫度：85/55℃;建筑末端風(fēng)盤(pán)系統(tǒng)及井口加熱器供暖系統(tǒng)供水溫度：50-45℃，回水溫度：45-40℃;副井口進(jìn)風(fēng)≥2℃;主井口進(jìn)風(fēng)≥2℃。

3.1.2 夏季制冷設(shè)計(jì)參數(shù)

夏季系統(tǒng)供水溫度：7-12℃，回水溫度：12-17℃。

3.1.3 洗澡水設(shè)計(jì)參數(shù)

洗浴供水溫度≥45℃。

3.2 項(xiàng)目熱源情況

3.2.1 電廠

冷卻水5000m3/h，冬季冷卻塔上塔水溫32℃（冷時(shí)30℃），回水水溫20℃。

3.2.2 礦內(nèi)

①礦井排水12000m3/d，冬季水溫24℃，夏季水溫26℃。

②礦內(nèi)配備2臺(tái)350kW和2臺(tái)160kW螺桿式空壓機(jī)，平時(shí)運(yùn)行1臺(tái)350kW空壓機(jī)。

3.3 負(fù)荷計(jì)算

3.3.1 項(xiàng)目實(shí)施所需負(fù)荷

電廠承擔(dān)負(fù)荷與礦區(qū)水源熱泵承擔(dān)負(fù)荷見(jiàn)表2、表3。

3.3.2 可利用熱能計(jì)算

空壓機(jī)余熱熱量計(jì)算：

田陳煤礦礦內(nèi)現(xiàn)有2臺(tái)350kW空壓機(jī)和2臺(tái)160kW空壓機(jī)，平時(shí)運(yùn)行1臺(tái)350kW空壓機(jī)24小時(shí)滿足井下用風(fēng)需求，空壓機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，利用空壓機(jī)熱回收技術(shù)，可將空壓機(jī)功率的80%的熱量回收。

1臺(tái)350kW空壓機(jī)可回收的熱量為：350×80%= 280kW。

3.3.3 小結(jié)

①電廠部分。

通過(guò)分析計(jì)算，電廠需承擔(dān)32200kW，實(shí)際電廠可提供熱源58150kW，故滿足供給供暖需求。

②礦內(nèi)部分。

通過(guò)分析計(jì)算，礦內(nèi)夏季冷負(fù)荷為4500kW，礦井排水可吸收的熱量為5818kW，故利用礦井排水完全能滿足礦區(qū)夏季建筑制冷需求。

礦內(nèi)冬季應(yīng)急熱負(fù)荷為3064kW，水源熱泵系統(tǒng)提取礦井排水形成的供熱能力為7476kW，故應(yīng)急情況下，啟動(dòng)水源熱泵機(jī)組完全能滿足供熱需求。

4 ?項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用

4.1 主要設(shè)備選型

主要設(shè)備選型見(jiàn)表4。

4.2 田陳煤礦余熱利用系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

5 ?結(jié)論

礦區(qū)余熱綜合利用項(xiàng)目的研究與應(yīng)用，是一次煤炭能源企業(yè)打破傳統(tǒng)思維模式，自我革新，解放思想過(guò)程，是一次成功的應(yīng)用，得到了較大的經(jīng)濟(jì)效益，礦區(qū)余熱綜合利用項(xiàng)目的研究與應(yīng)用，每年可節(jié)約資金1446萬(wàn)元。

通過(guò)實(shí)踐證明，電廠冷卻循環(huán)水余熱、水源熱泵技術(shù)、壓風(fēng)機(jī)余熱綜合利用，以清潔、綠色能源取代了燃煤鍋爐供熱，在為礦井帶來(lái)巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)起到節(jié)能減排的作用。隨著人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的提高，新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的大趨勢(shì)下，礦井余熱利用技術(shù)的研究和應(yīng)用必將越來(lái)越受到重視，具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，有必要對(duì)礦井余熱利用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，并將其充分應(yīng)用于實(shí)踐。此方面工作的推進(jìn)可望開(kāi)辟出一個(gè)余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用的新前沿，發(fā)展出一大類能夠綜合、高效的回收利用礦井余熱資源的系統(tǒng)，為節(jié)能減排的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂向陽(yáng)，趙建康.水源熱泵技術(shù)在礦井系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011，30（2）.

[2]夏慶中.礦井乏風(fēng)余熱利用裝置[P].中國(guó)專利：202281419，2012-06-20.

[3]陳東，謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：26-32.

[4]劉曉昂，齊振威.礦井水水源熱泵的可行性分析[J].建筑節(jié)能，2011，39（244）.

[5]李海燕，劉靜.低品位余熱利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀、困境和新策略[N].科技導(dǎo)報(bào)，2010，28（17）.

[6]GB50736-2012，民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB50243-2002，通風(fēng)與空調(diào)工程施工驗(yàn)收規(guī)范[S].

[8]GB50189-2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9]煤礦安全規(guī)程.2016.

[10]楊丁，龍祖根.水源熱泵技術(shù)在煤礦低溫資源利用中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2011，11（6）.