曲江井余熱利用及熱水工程設(shè)計(jì)

許高升

（江西省中贛投勘察設(shè)計(jì)有限公司，江西 南昌 330029）

1 項(xiàng)目概況

豐城曲江煤炭開(kāi)發(fā)有限公司曲江煤礦位于江西省豐城市，是江南第一大井，也是江南第一座現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)年產(chǎn)原煤0.90 Mt，是上市公司安源股份的主力礦井，屬煤與瓦斯突出礦井，且開(kāi)采深度深、高溫?zé)岷?yán)重。

豐城曲江煤炭開(kāi)發(fā)有限公司曲江煤礦主要用熱單元為浴室衛(wèi)生熱水、 食堂蒸飯、 洗衣烘干機(jī)等。 礦井最大班下井人數(shù)約500 人，日下井人數(shù)約1 300 人，礦井最大班淋浴人數(shù)為750 人，日淋浴人數(shù)為1 800 人。 礦井原有供熱設(shè)備為3 臺(tái)2 蒸噸/ 小時(shí)的快裝燃煤蒸汽鍋爐，燃煤鍋爐在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和二氧化碳，影響礦井及周邊環(huán)境。 同時(shí)礦區(qū)存在大量的余熱沒(méi)有利用，礦井空氣壓縮機(jī)冷卻水余熱、 瓦斯抽放泵冷卻水余熱、 瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻水余熱等大量的余熱沒(méi)有得到利用，被白白浪費(fèi)了。

受?chē)?guó)家能源和節(jié)能環(huán)保政策的影響，江西省要求：各設(shè)區(qū)城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10 蒸噸以下的燃煤鍋爐，禁止新建每小時(shí)20 蒸噸以下的燃煤鍋爐；其他地區(qū)原則上不再新建每小時(shí)10 蒸噸以下的燃煤鍋爐。 本工程本著節(jié)能、 環(huán)保的原則，通過(guò)余熱利用機(jī)組回收礦井各類(lèi)循環(huán)水產(chǎn)生的余熱，降低循環(huán)水溫度、提高空氣壓縮機(jī)、瓦斯泵的機(jī)組運(yùn)行效率及瓦斯發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，提高機(jī)組運(yùn)行壽命，同時(shí)利用余熱制取衛(wèi)生熱水、取消原有燃煤鍋爐（食堂和洗衣用蒸汽改由江西豐城源洲煤層氣發(fā)電有限責(zé)任公司余熱鍋爐供給），達(dá)到節(jié)能、減排、環(huán)保的目的。

2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 曲江井余熱熱源

（1）空氣壓縮機(jī)余熱

礦井設(shè)備的空氣壓縮機(jī)在工作中會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，壓縮機(jī)運(yùn)行消耗的絕大部分能量都在壓縮過(guò)程中轉(zhuǎn)化為熱能，然后冷卻環(huán)節(jié)被白白地浪費(fèi)掉。

曲江煤礦設(shè)有空氣壓縮機(jī)3 臺(tái)，其中：L8-60/8 型，2 臺(tái)，冷卻水量：45 m3/h；ZD12 （Ⅲ）-100/8 型，1 臺(tái)，冷卻水量：60 m3/h。

空氣壓縮機(jī)夏季工作時(shí)循環(huán)冷卻水池?zé)崴厮疁乜蛇_(dá)45℃以上，為降低循環(huán)冷卻水溫度需通過(guò)冷卻塔、冷卻水泵來(lái)降低水溫，這不僅使空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的余熱白白浪費(fèi)，同時(shí)循環(huán)冷卻水泵、冷卻塔還消耗電能。

（2）瓦斯抽放泵站余熱熱源

曲江煤礦地面瓦斯泵房設(shè)有瓦斯抽放泵4臺(tái)，其中：SKA-353 型，2 臺(tái)，冷卻水量：20 m3/h；2BEC-42 型，2 臺(tái)，冷卻水量：30 m3/h。

同空氣壓縮機(jī)一樣，夏季工作時(shí)瓦斯抽放泵因摩擦散熱產(chǎn)生的余熱可使循環(huán)冷卻水池?zé)崴厮疁乜蛇_(dá)45℃以上。

（3）瓦斯發(fā)電余熱熱源

曲江礦井井下抽采的低濃度瓦斯經(jīng)井下低濃度瓦斯抽放泵站由專(zhuān)用瓦斯管路送至回風(fēng)井后直接排空，井下抽采的高濃度瓦斯經(jīng)地面高濃度瓦斯抽放泵抽出后主要供江西豐城源洲煤層氣發(fā)電有限責(zé)任公司（源洲發(fā)電公司）用于發(fā)電，該項(xiàng)目已被列為江西省循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范工程項(xiàng)目。 瓦斯發(fā)電過(guò)程中發(fā)電后產(chǎn)生的蒸汽乏汽需通過(guò)冷卻水將其冷卻為凝結(jié)水后再通過(guò)除氧、加壓后送入鍋爐，乏汽中會(huì)有大量的熱量需要通過(guò)冷卻水將其帶走。 瓦斯發(fā)電廠循環(huán)水泵配套水泵如下：高溫循環(huán)泵DFG200-400（Ⅱ）A/4、Q=270 m3/h、3 臺(tái)；低溫循環(huán)泵：DFG200-315（Ⅱ）/4、Q=300 m3/h、3 臺(tái)。

發(fā)電后的蒸汽仍有大量的余熱，冬季循環(huán)冷卻水溫度可達(dá)到50℃以上，大量的熱量隨冷卻水流失到外界大氣中。

2.2 余熱利用主機(jī)原理

余熱利用機(jī)組的工作原理為卡諾逆循環(huán)原理，將熱量從低溫的循環(huán)水傳到工作側(cè)的高溫?zé)崴小?工作介質(zhì)從蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)被絕熱壓縮，壓力升高，同時(shí)溫度也升高。 為了使工作介質(zhì)能向工作側(cè)的熱水放熱，壓縮后的工作介質(zhì)溫度要高于工作側(cè)的熱水溫度，然后進(jìn)入冷凝器放熱降溫，其放出的熱量被高溫側(cè)的熱水吸收，使工作側(cè)的高溫?zé)崴畯?0℃升高到55℃左右（機(jī)組可根據(jù)出水溫度要求作相應(yīng)調(diào)整）。 工作介質(zhì)再進(jìn)入節(jié)流裝置中絕熱膨脹，壓力降低，同時(shí)溫度也降低，為使蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)水能向工作介質(zhì)放熱，膨脹后工作介質(zhì)溫度必須降得低于循環(huán)水的溫度才進(jìn)入蒸發(fā)器吸收循環(huán)水中熱量升溫，而將蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)水溫度從15℃降低到7℃左右 （機(jī)組可根據(jù)循環(huán)水進(jìn)水溫度要求作相應(yīng)調(diào)整），升溫后的工作介質(zhì)然后再進(jìn)入壓縮機(jī)，如此重復(fù)循環(huán)進(jìn)行。

2.3 主要工藝流程

曲江礦井余熱利用及熱水工程的主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 礦井余熱利用及熱水工程工藝流程

（1）冷水側(cè)外循環(huán)

空氣壓縮機(jī)、 瓦斯抽放泵或瓦斯發(fā)電廠的循環(huán)熱水經(jīng)外循環(huán)冷水泵送至余熱利用機(jī)組，經(jīng)余熱利用機(jī)組工作介質(zhì)冷卻后，放出熱量，循環(huán)冷卻水溫度降低，然后再回流至空氣壓縮機(jī)房、瓦斯泵房的冷水池或瓦斯發(fā)電廠的循環(huán)水系統(tǒng)。 通常進(jìn)入余熱機(jī)組的循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度15℃，經(jīng)余熱機(jī)組吸收后工作介質(zhì)吸收后溫度降低為7℃。

（2）熱水側(cè)內(nèi)循環(huán)

余熱機(jī)組工作側(cè)的循環(huán)水經(jīng)吸收余熱機(jī)組高溫側(cè)工作介質(zhì)熱量后溫度升高，再經(jīng)內(nèi)循環(huán)熱水泵送至板式換熱器，通過(guò)熱交換加熱水箱輸送來(lái)的冷水，溫度降低后再進(jìn)入余熱利用機(jī)組，如此往復(fù)循環(huán)。 通常進(jìn)入余熱機(jī)組的工作側(cè)循環(huán)水進(jìn)口溫度50℃，吸收余熱機(jī)組高溫側(cè)工作介質(zhì)的熱量后溫度升高至55℃。

（3）熱水側(cè)外循環(huán)

浴室水箱的冷水出水經(jīng)外循環(huán)熱水泵送至熱水換熱器，通過(guò)熱交換吸收余熱機(jī)組送來(lái)的熱水熱量后，溫度升高再回流浴室熱水箱，通過(guò)不斷的循環(huán)加熱水箱的熱水，達(dá)到制取熱水的目的。

2.4 工程主要設(shè)備及參數(shù)

工程主要設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 礦井余熱利用及熱水工程主要設(shè)備及參數(shù)

注：2018年因不銹鋼拼裝保溫水箱破損、漏水，已在原有位置更換總?cè)莘e為222 m3（132 m3+90 m3）的不銹鋼拼裝保溫水箱。

3 項(xiàng)目實(shí)施后的綜合效益

1）工程選用4 臺(tái)LSRS-350 余熱利用主機(jī)（3用1 備），每天制取300 t水溫為55℃的熱水，取代了原有的3 臺(tái)2 蒸噸/ 小時(shí)燃煤蒸汽鍋爐 （食堂和洗衣用蒸汽由源洲發(fā)電公司余熱鍋爐供給）。

2）余熱利用及熱水工程比原燃煤鍋爐年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用69.04 萬(wàn)元。

3）余熱利用及熱水工程年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1 217 t。

4）余熱利用及熱水工程年減少二氧化碳排放量3 189 t。

4 項(xiàng)目對(duì)推進(jìn)工程技術(shù)進(jìn)步的作用

4.1 解決的技術(shù)難題

（1）礦井余熱熱源分散，瓦斯抽放泵房循環(huán)水池、空氣壓縮機(jī)循環(huán)水池、瓦斯發(fā)電廠循環(huán)水池等余熱熱源分別位于的不同地點(diǎn)。 工程針對(duì)每個(gè)熱源的設(shè)備分別進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，管路布置合理。

（2）工程未新建設(shè)備用房，充分利用已拆除的鍋爐房位置布置主機(jī)和管道，減少用地面積，節(jié)省投資。 主機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備和管道布置緊湊、合理。

（3）工程在進(jìn)行室外循環(huán)水管道布置時(shí)，克服了礦井原有工業(yè)場(chǎng)地地面設(shè)施和地下管線較復(fù)雜的難點(diǎn)，室外新增管道布置簡(jiǎn)潔、美觀。

（4）余熱利用系統(tǒng)的熱水供回水與礦井現(xiàn)有的熱水系統(tǒng)連接合理，未對(duì)原有的熱水系統(tǒng)造成破壞和影響。

（5）熱水主機(jī)及系統(tǒng)控制采用智能化控制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。

4.2 工程技術(shù)成效

（1）節(jié)能

①本工程充分利用了礦井余熱熱源。 工程不僅可利用現(xiàn)有礦井瓦斯發(fā)電機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、瓦斯抽放泵工作過(guò)程中循環(huán)水的熱量制取衛(wèi)生熱水，同時(shí)還降低各余熱源的循環(huán)水溫度，提高了瓦斯電廠的發(fā)電效率及空氣壓縮機(jī)、 瓦斯抽放泵的工作效率。

②余熱利用主機(jī)性能系數(shù)高。 工程選用的余熱利用主機(jī)性能系數(shù)（制熱量/ 輸入功率） 可達(dá)5.9，與礦井原有小型、低效的燃煤鍋爐相比，余熱利用工程系統(tǒng)熱效率更高，運(yùn)行費(fèi)用低，也更節(jié)能。

（2）環(huán)保、低碳

礦井原有3 臺(tái)2 蒸噸/ 小時(shí)小型燃煤蒸汽鍋爐，鍋爐效率低，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，小型鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵和二氧化碳，污染礦區(qū)的空氣環(huán)境。采用余熱利用主機(jī)制取衛(wèi)生熱水后，替代了原有的燃煤鍋爐，降低二氧化碳排量，礦井的環(huán)境也得到很大的改善。