關于工業(yè)區(qū)余熱系統(tǒng)在井筒保溫中的應用

王 飛

(潞安環(huán)能股份公司 五陽煤礦，山西 長治 046205)

五陽煤礦南豐工區(qū)進風井冬季送風加熱采用蒸汽供暖，熱負荷約6 500 kW。工區(qū)目前供暖熱源為兩臺8 t/h的燃氣蒸汽鍋爐，采用間斷節(jié)氣供熱方式，鍋爐房年耗氣量約120萬m3，費用達485.8萬元，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟負擔。另一方面，南豐工區(qū)現(xiàn)有許多工業(yè)余熱、廢熱資源未被回收利用而直接排放，造成能源的極大浪費。

1 工業(yè)區(qū)進風井冬季供暖熱負荷及場地內熱源分析

1.1 井口防凍所需熱負荷

南豐工區(qū)進風井進風量約為15 000 m3/min。根據(jù)《煤炭工業(yè)采暖通風及供熱設計規(guī)范》MT/T5013-96及《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，經(jīng)過計算進井口冬季防凍供熱負荷：按照最低溫度-18 ℃考慮，則井口冬季防凍所需的熱負荷最高為6 500 kW。

1.2 可利用的余熱量核算

南豐工區(qū)目前投運的瓦斯發(fā)電機組共14臺，坡下有4臺，坡上有10臺，都位于坡上。

1) 瓦斯發(fā)電機組高溫缸套水余熱。高溫缸套水是發(fā)電機組的防凍液，成分是乙二醇水溶液。單臺瓦斯發(fā)電機組的高溫缸套水流量設定為40 m3/h，14臺的總流量為560 m3/h，按照冬季進出機組水溫70 ℃/60 ℃考慮，溫差為10 ℃，熱回收率80%，則所有的高溫缸套水余熱量為4 402 kW。

2) 瓦斯發(fā)電機組煙氣余熱。單臺發(fā)電機組的出口煙氣溫度定為400 ℃，每臺機組煙氣流量2 000 N·m3/h，煙氣比熱容約是1.38 kJ/(N·m3·℃)。計劃機組出口位置新建煙氣換熱器將煙溫從400 ℃降到120 ℃，熱回收率按照80%計算。瓦斯發(fā)電站的14臺發(fā)電機組全開時，可回收的熱量為2 405 kW。

3) 礦井水余熱。目前礦井水產水量7 000～8 000 m3/d，余熱利用按7 000 m3/d(250 m3/h)計算，冬季水溫按9 ℃計算。礦井水按照余熱利用后回水溫度5 ℃計算，可回收4 ℃溫差的熱量，換熱效率按照80%考慮，約929 kW。

加載率暫時按90%計算，回收率按照70%計算，單臺余熱回收設備可利用的熱量為157.5 kW。

5) 瓦斯抽放泵站余熱。瓦斯抽放站循環(huán)水總流量為40 m3/h，冬季出水水溫為35 ℃，進水水溫為25 ℃，通過冷卻塔向外散熱。換熱效率按照80%考慮，則可利用的余熱量為372 kW。

經(jīng)過以上計算，可供利用的總余熱量8 265 kW。

1.3 余熱核算結果

通過對以上4處熱源進行分析，總余熱量約為8 265 kW，而該工業(yè)區(qū)進風井熱負荷約為6 500 kW。經(jīng)過對比，該工業(yè)區(qū)余熱資源完全可以替代該進風井井筒冬季保溫需求。

2 余熱利用技術分析

余熱利用技術主要針對南豐工區(qū)各處余熱點的熱量進行處理和回收，采暖季高溫缸套水通過板式換熱器制取熱水給井口空氣加熱器的冷風預熱。主要包括以下幾大系統(tǒng)：瓦斯發(fā)電機組尾氣余熱系統(tǒng)、高溫缸套水余熱系統(tǒng)、礦井水余熱利用系統(tǒng)、空壓機余熱利用系統(tǒng)和瓦斯抽放站循環(huán)水余熱系統(tǒng)。

2.1 瓦斯機組尾氣余熱利用系統(tǒng)

該工區(qū)瓦斯發(fā)電機組共14臺，一期4臺地勢稍低，10臺在地勢稍高的坡上。單臺功率均約420 kW，煙氣量2 000 N·m3/h，煙氣溫度400 ℃。坡下的4臺機組尾部出口煙氣匯合后新上1臺煙氣換熱器；坡上南側的5臺機組出口高溫煙氣匯合成一處，北側的5臺機組出口煙氣匯合成一處，各上1套煙氣換熱器，這樣瓦斯發(fā)電站房總共需要3套煙氣換熱器系統(tǒng)。尾部高溫煙氣從瓦斯發(fā)電機組出來，經(jīng)過煙氣換熱器與軟化水交換熱量，高溫煙氣換熱后由400 ℃降至約120 ℃，降溫后通過引風機和煙囪排放。軟化水先注入余熱水箱，通過水泵與高溫尾氣在煙氣換熱器中充分換熱，溫升為10 ℃，最終可產出高達90 ℃的熱水。所有3臺煙氣換熱器產出的熱水匯合進入余熱水箱，溫度達到85～90 ℃，經(jīng)余熱水泵工作匯合后的熱水分成兩部分。一部分通過板式換熱器給二次側的高溫缸套水補熱，這樣可將缸套余熱水的溫度由63 ℃提高到約69 ℃。尾氣處理設備全部放置在瓦斯發(fā)電站房后的露天水平段，軟化水制取設備可放置在旁邊的泵房，板式換熱器、余熱水箱、水泵等放置在新設的換熱站房中。

2.2 高溫缸套水余熱利用系統(tǒng)

1) 井口加熱室原來共有10臺蒸汽熱風機(空氣加熱器)，礦區(qū)鍋爐房產出的飽和蒸汽在熱風機中與冷空氣進行換熱，制取熱風后匯入井口，單臺風量為50 000 m3/h。對全部熱風機進行改造，換熱段變成兩級，第一級熱源為熱水，第二級為蒸汽(仍然由鍋爐房供應)，室外冷風先后與熱水和蒸汽進行換熱升溫后進入井口。

2) 瓦斯發(fā)動機高溫缸套水防凍液出水溫度約70 ℃，回水約60 ℃，溫差一般在10 ℃。坡下的4臺機組的缸套水原采用冷卻塔進行水冷散熱，坡上的10臺機組原采用風冷散熱模塊，由于距離較遠，先將單臺機組的缸套水通過板換與循環(huán)水進行換熱。高溫缸套水換熱后溫度由70 ℃降為60 ℃回到發(fā)電機組中，二次側熱水由50 ℃升為63 ℃，升溫后的熱水通過水箱匯集，匯合后的熱水量約350 m3/h，管徑為DN300。

為了進一步提高進入空氣加熱器的水溫，二次側的循環(huán)水從水箱出來后再與煙氣換熱器的熱水換熱，溫度升到約69 ℃，之后通過循環(huán)水泵進入空氣加熱室10臺熱風機的第一級換熱段，將室外冷風從-10 ℃升溫到約17 ℃，熱水換熱降溫到50 ℃再回到匯集水箱中，一個循環(huán)完成，非采暖季缸套水通過瓦斯發(fā)電機組自帶的冷卻塔或者風冷散熱器降溫，之后回到電機循環(huán)工作，不再給空氣加熱器工作。

隨著科學技術的發(fā)展，無人機遙感技術目前已經(jīng)在我國地質災害檢測中得到了初步應用。通過無人機遙感技術給地質災害監(jiān)測帶來了極大的便利，具有良好的發(fā)展前景。無人機遙感技術由簡單的傳感裝置，任務載荷系統(tǒng)以及無人機主機三部分構成。通過這三部分的工作可以實現(xiàn)最快速度的高精準度測繪工作，應急救援工作以及地質災害全面評估工作。無人機遙感技術有著巨大的開創(chuàng)潛力，希望通過本文可以對相關人士有所幫助，開創(chuàng)出更加新穎具有實際意義的無人機遙感技術在地質災害監(jiān)測中的應用。

2.3 礦井水余熱利用系統(tǒng)

礦井水通過2臺水源熱泵提取熱量，制取的熱水先集中進入緩沖水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵打到板式換熱器給高溫缸套水的供暖水回水補熱。水源熱泵機組從一側礦井水中吸取熱量，通過少量的高位電能輸入，使另一側的熱水溫度升高，供風冷換熱器回水補熱升溫，實現(xiàn)了低位熱能向高位熱能的轉化。

礦井水側的進出口溫度為9 ℃/5 ℃，主管徑DN200。水源熱泵冷凝器側的進出口溫度為58 ℃/65 ℃，主管徑DN150。水源熱泵制取的熱水通過緩沖水箱和水泵進入板式換熱器，將空氣加熱室風冷換熱器的回水從50 ℃升溫到52.5 ℃，循環(huán)水降溫成58 ℃回到水源熱泵冷凝器側，一個循環(huán)完成。

2.4 空壓機余熱系統(tǒng)

南豐工區(qū)共有4臺空壓機，由于其中1臺長期備用，故給3臺空壓機安裝換熱器。將空壓機油氣分離器出油口對接到換熱器進油口上，將換熱器出油口對接到空壓機溫控閥處，經(jīng)過降溫換熱制取熱水。3臺設備制取的熱水先集中進入?yún)R集水箱，再經(jīng)循環(huán)水泵打到井口加熱室的室內暖氣片系統(tǒng)，降溫后回到匯集水箱。

2.5 瓦斯抽放站循環(huán)水余熱利用系統(tǒng)

南豐工區(qū)瓦斯抽放站循環(huán)冷卻水40 m3/h，出水40 ℃進冷卻塔冷卻后進入冷卻水池，潛水泵抽取水池冷卻水進抽放泵再次循環(huán)冷卻。余熱利用設計在水池新增2臺潛水泵，通過橡膠管連接將水池熱水供給坡下瓦斯發(fā)電圍墻外換熱設備，一次側采暖系統(tǒng)補水或回水作為冷卻水循環(huán)水，二次側使用抽放泵站水池水，通過板換設備將抽放泵站熱量提取匯集到余熱站房水箱。

3 余熱系統(tǒng)建設及調試運行中存在主要問題及解決辦法

原設計中對空氣加熱室內的暖風機蒸汽板換全部拆除，并對暖風機風道進行改造，將熱水換熱器安裝至蒸汽換熱器前段，對整個換熱系統(tǒng)進行重新安裝，預計施工工期需要一個月。

經(jīng)過對原暖風機內的換熱機組進行調研，經(jīng)過論證，把原有的蒸汽4組換熱器，拆除兩組，保留原有蒸汽系統(tǒng)的1/2換熱能力，將余熱利用換熱器安裝至風機至原有蒸汽換熱器之間。這樣節(jié)約原有拆除蒸汽換熱系統(tǒng)的1/2工期，安裝工期100%。同時不破壞原有風道及蒸汽供暖系統(tǒng)在。優(yōu)化施工方案后，原燃氣鍋爐蒸汽供暖系統(tǒng)的正常運行不受影響。同時又縮短了風道改造的工期，使得風機內部換熱系統(tǒng)改造時間縮短了2/3,縮短此處工期20 d，加快了整個工程的施工進度。

工程系統(tǒng)調試過程中，對比原燃氣鍋爐供暖風機溫度低20 ℃。原有暖風機的給風量與額定風量存在差距，致使熱風給風量與井筒整體進風量占比較低。而原設計井筒進風量15 000 m3/min。按風機額定50 000 m3/h(833.3 m3/min)，暖風補給量為8 000 m3/min，冷風補給量7 000 m3/min，暖風占比53%。按風機額定50 000 m3/h(833.3 m3/min)，實測9臺風機給風量約560 m3/min，1 臺進風量約300 m3/min。實測暖風補給量約5 340 m3/min。實測約13 000～14 000 m3/min。暖風占比38.14%～41%。

對調試中存在的問題進行優(yōu)化解決。為了解決暖風占比偏低的問題，經(jīng)過現(xiàn)場調研利用南豐工區(qū)閑置4臺額定風量80 000 m3/h的暖風機，通過修建供風風道、增加暖風機用于供暖，經(jīng)過實測，每臺風機給風量約為850 m3/min，新增暖風量約3 400 m3。集合原有10臺風機的實測風量5 340 m3/min，使得暖風供風量達到8 000～8 700 m3/min，暖風占比達到57%～62%(按井筒進風量13 000～14 000 m3/min核算)。有效提升井筒供熱保溫效果。

4 余熱系統(tǒng)在井筒保溫中供暖效果

經(jīng)過對設計及調試運行中存在的問題優(yōu)化，在運行過程中對供暖效果進行多次監(jiān)測。得出如下結論：

1) 主系統(tǒng)換熱溫降在室外溫度-3 ℃～0 ℃之間時，溫降約為5℃。在不啟用水源熱泵、瓦斯套缸水余熱、煙氣余熱，取熱效率為60%～70%時，開啟11臺風機(3臺新增風機、8臺原風機)，暖風給風量約6 500～7 100 m3/min。出風溫度為30 ℃～33 ℃，冷空氣增溫約33 ℃，混合進風溫度約15 ℃～17 ℃。

2) 在室外溫度-11 ℃時，在未開啟水源熱泵補熱的情況下，開啟風機11臺，主系統(tǒng)溫降7 ℃，井口混合進風溫度約10 ℃。

3) 根據(jù)以上數(shù)據(jù)測算，在室外溫度-16 ℃時，混合進風溫度約2.6 ℃。

4) 在啟動水源熱泵補熱及有效利用瓦斯發(fā)電站的余熱，基本滿足極端天氣-18 ℃時井筒保溫要求。

5) 基本可以替代現(xiàn)有南豐燃氣鍋爐，年節(jié)約天然氣約120萬m3。節(jié)約燃氣成本約400萬元，節(jié)能能耗1 463 t標準煤，減排氮氧化物及煙塵。通過分享節(jié)能收益的模式，較以往采用燃氣鍋爐供暖可節(jié)約成本約100余萬元。隱含經(jīng)濟效益約300余萬元(為了節(jié)約天然氣，以往采用夜間燒爐保溫，白天不燒的模式供暖，而余熱利用則是24 h供暖。)

5 結 語

隨著國家節(jié)能減排的政策發(fā)展，合理地開發(fā)利用煤礦企業(yè)現(xiàn)有或潛在的余熱資源。將余熱應用于冬季井筒保溫，一方面節(jié)約了常規(guī)供暖模式天然氣、電能等能源。另一方面降低了企業(yè)的冬季供暖成本，同時又做到了降耗減排的效果。對工礦企業(yè)的節(jié)能減排、降本增效具有重大的意義。