工礦企業(yè)余熱資源利用的探索與實踐

張娜，張彥禹，楊振瑞

(1.潞安職業(yè)技術(shù)學院，山西 長治 046204；2.山西常村大成節(jié)能有限責任公司，山西 長治 046204)

0 引言

工礦企業(yè)在生產(chǎn)生活過程中，建筑供暖、職工洗浴、衣服烘干等均需大量熱能，企業(yè)往往采用燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐等制熱系統(tǒng)，不僅建設及運行成本高，而且在大量能源消耗的同時污染物大量排放，污染環(huán)境。與此同時，企業(yè)生產(chǎn)過程中往往伴隨著大量的余熱資源，由于不被重視，全部被白白地浪費到大氣中，比如：空壓機余熱、瓦斯泵站余熱、主提升機余熱、礦井水余熱以及廠區(qū)空氣余熱等，充分利用會產(chǎn)生極大的社會和經(jīng)濟效益。

1 常規(guī)制熱系統(tǒng)的弊端

傳統(tǒng)制熱系統(tǒng)為燃煤、燃氣、電鍋爐等，燃煤、燃氣鍋爐修建分別需要給煤機、引風機、鍋爐、純水系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、給水泵等，投資巨大；同時系統(tǒng)運行需要消耗大量煤炭、燃氣、電量、人工、配件等，導致運行成本較高，企業(yè)負擔較重；燃煤、燃氣的使用會導致大量氮氧化合物及硫化物產(chǎn)生，同時二氧化碳的排放導致溫室效應加劇[1]。電鍋爐使用首要條件就是電負荷滿足，往往因電負荷不足導致建設成本上升；其次電鍋爐運行消耗大量電能，運行成本較高；加之電鍋爐本身運行安全問題不容忽視。

2 工礦企業(yè)綜合余熱利用背景

國內(nèi)，工礦企業(yè)節(jié)能環(huán)保行動相對較遲，近年來，隨著國家不斷對鍋爐淘汰政策的落實，各企業(yè)對如何利用新能源解決環(huán)保問題成了一個發(fā)展的必然之路。以空壓機余熱、電機余熱、礦井水余熱、瓦斯泵站水環(huán)真空泵余熱等為代表的余熱資源被不斷挖掘利用，技術(shù)革新也不斷進步，通過獲取余熱資源滿足企業(yè)洗浴、供暖乃至衣服烘干等生產(chǎn)所需。但大部分研究領域單一，主要以自有產(chǎn)品和自有技術(shù)為主，未形成余熱資源全覆蓋的提取利用規(guī)模；市場多采用賣設備、做工程的合作模式，系統(tǒng)節(jié)能效益的保障和持久性較差。放眼世界，余熱資源的充分利用體現(xiàn)的更為直觀，土壤富含的熱能、生活污水富含的熱能、空氣富含的熱能等，多角度多方面進行余熱深挖，通過熱泵技術(shù)、熱管技術(shù)、有機朗肯技術(shù)等將以往忽略的熱能全部利用，真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[2]。工礦企業(yè)目前對綜合余熱利用方面的研究還不完善，本項目的研究以此為背景，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)基礎，通過對綜合余熱資源系統(tǒng)提熱、換熱、供熱的研究，利用電控自動化、5G大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)無人值守智能化運行，達到了較好的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

3 工礦企業(yè)綜合余熱利用實踐研究

3.1 企業(yè)余熱資源分析

通過對余熱現(xiàn)場情況進行調(diào)研，空壓機在運行過程中產(chǎn)生的高溫油通過冷卻風扇將熱量釋放到大氣中，通過余熱回收裝置可將油中熱能提取利用；瓦斯抽采使用水環(huán)真空泵在運行過程中需要水形成真空，水由于壓縮及泵體自身發(fā)熱等因素導致溫度上升，常依靠冷卻塔降溫，以保證系統(tǒng)正常運行，礦井水經(jīng)提升泵升井后，通過沉淀、反洗等工藝，達到地表三類水后外排，四季溫度均勻維持在13 ℃左右，可通過熱泵技術(shù)提取熱能來補充熱源；瓦斯發(fā)電機組運行過程中會產(chǎn)生60 ℃的高溫缸套水和400～500 ℃的高溫煙氣，故通過專用換熱設備提取其熱能。

同時，根據(jù)對余熱資源的提取利用進行了綜合分析，將余熱資源劃分為三個階梯，具體如下：

第一階梯：余熱資源量大、品質(zhì)高、易回收。以空壓機余熱、瓦斯發(fā)電機缸套及煙氣余熱為例；第二階梯：余熱資源量大、品質(zhì)不高，需專業(yè)技術(shù)進行回收利用。以礦井水、空氣余熱為例；第三階梯：余熱資源量較低、品質(zhì)不高，需專業(yè)技術(shù)進行回收利用。以瓦斯泵站余熱、土壤層余熱為例。針對不同類別的余熱資源，結(jié)合實際情況，在不影響設備正常生產(chǎn)的前提下，通過熱能守恒定律對設備進行了余熱改造，實現(xiàn)企業(yè)全年職工洗浴熱水、冬季建筑供暖及井筒保溫，既滿足了生產(chǎn)需要，又充分利用了余熱資源，達到余熱綜合利用和節(jié)能降耗的目標。

3.2 企業(yè)用熱情況分析

工礦區(qū)常靠燃煤鍋爐或燃氣鍋爐供職工洗浴、供暖等，用熱負荷大，品質(zhì)要求高，運行成本高。經(jīng)測算，某礦井進風量為15 000 m3/min的井筒，按照最低溫度零下18 ℃考慮，則井口冬季防凍所需的熱負荷最高為6 500 kW[3]。辦公區(qū)域總供暖面積按照15 000 m2計算，工業(yè)供暖熱負荷指標80 W/m2計算，總計需(15 000×80)/1 000=1 200 kW熱負荷。澡堂日需洗浴用水為30 m3，按照產(chǎn)水時間10 h，熱負荷為100 kW。綜上，總需熱負荷為7 800 kW。

3.3 余熱綜合利用技術(shù)

通過設計余熱資源提取方案，將不同區(qū)域熱能進行綜合利用，重點解決熱量配置與企業(yè)需求相匹配的問題，并實現(xiàn)產(chǎn)供熱智能化運行，主要設備與回收熱能測算如表1、表2所示。

表1 主要設備與技術(shù)列表

表2 回收熱能測算

3.4 取得的經(jīng)濟效益

余熱綜合利用，預計一年可節(jié)省燃煤燃氣鍋爐、電鍋爐等運轉(zhuǎn)費用、折舊費用、檢修費用及配件費用等，共計370余萬元。減少礦區(qū)燃氣使用量每年至少120萬立方米，年節(jié)約標煤2 500 t，減排二氧化碳6 500 t。

4 本項目的先進性總結(jié)

本項目的研究主題為余熱綜合利用，以節(jié)能降耗為宗旨，對能源進行二次利用，余熱綜合利用根據(jù)冷熱交換的原理，將空壓機運行中的高溫熱油，礦井水以及瓦斯泵站余熱、瓦斯發(fā)電機組煙氣及缸套水收集利用起來，將水加熱至預設溫度，供給職工洗浴及供暖。通過對余熱資源的綜合分析，掌握了針對不同余熱提熱、換熱、利用的技術(shù)，獲得了包含智能識別優(yōu)先用水裝置、熱水出水裝置、熱能回收高效節(jié)能循環(huán)保溫系統(tǒng)、雙保險水位控制保溫水箱、螺桿式空氣壓縮機熱能回收利用節(jié)能系統(tǒng)等多項專利成果。

4.1 煙氣回收母管分支互鎖設計

將多臺瓦斯發(fā)電機組的煙道匯總至母管，母管采用兩路三通閥設計，一路直排大氣，一路輸送至余熱回收裝置，兩路均安裝電動執(zhí)行閥，通往余熱回收裝置的電動執(zhí)行閥與引風機自鎖，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行時直排大氣的電動閥關閉，引風機及所配套的電動閥打開；系統(tǒng)停止時，引風機及所配套的電動閥關閉，直排大氣的電動閥打開，煙氣直排大氣中。

4.2 空壓機余熱回收裝置溫控調(diào)節(jié)技術(shù)

在余熱回收裝置內(nèi)安裝溫控閥，在空壓機冷啟動時，油路經(jīng)溫控閥回到機組，增加回油速率，減少軸承磨損；在油溫上升到設置溫度時，溫控閥芯打開，高溫潤滑油經(jīng)余熱回收機組充分提熱后回到空壓機，保證空壓機的運行溫度。

4.3 礦井水高效取熱技術(shù)

利用引水管從沉淀池母管和蓄水池處分別取水至熱泵系統(tǒng)，一方面保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時增加了余熱的提取效率。

4.4 多品位熱源定向利用技術(shù)

將中品位的熱源經(jīng)換熱后供洗浴和建筑供暖，將高品位的熱源換熱后供井筒保溫，將低品位的熱源作為建筑供暖回水補熱系統(tǒng)或通過熱泵技術(shù)將低品位熱源提升至中品位，供洗浴或建筑供暖。

4.5 低品位熱源井筒保溫技術(shù)

采用冷熱風環(huán)形配比設計，在井口四周均勻布置熱風機，使熱風與冷風充分配比后，以旋流式吸入井口，保證井筒四周溫度均勻。

4.6 無人值守智能化運行系統(tǒng)

采用PLC智能化控制系統(tǒng)，將系統(tǒng)中所有的水泵、電動閥做聯(lián)控設計，在所有的供回水管路均加裝溫度、壓力等監(jiān)測點，根據(jù)客戶的使用情況，定制化設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化運行。

5 展望

該項目建成后可以大幅度降低工礦企業(yè)自用煤消耗量、燃氣消耗量、高昂的電費及其他費用，減少空氣污染，同時降低瓦斯發(fā)電機組、瓦斯泵、空壓機等機點設備運行溫度，保障設備正常運轉(zhuǎn)，主要技術(shù)也達到國內(nèi)先進水平，將持續(xù)在企業(yè)中進行應用推廣。