基于多種余熱資源利用的供熱系統(tǒng)應(yīng)用研究

朱 劍，魏曉峰，方 星，馮非凡

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

在礦井建設(shè)、生產(chǎn)過程中通常存在著余廢熱資源，如空壓機(jī)余熱、礦井回風(fēng)余熱等，有效利用此類資源可減少一次能源消耗，提高能源利用效率[1]?；ú轂┟旱V位于甘肅省張掖市山丹縣東部，其建筑物供暖、井筒防凍及浴室供熱負(fù)荷由3臺10 t/h燃煤鏈條爐排蒸汽鍋爐供熱。目前，鍋爐已運(yùn)行近10 a，出現(xiàn)出力不足、銹蝕、損壞等現(xiàn)象。為貫徹“高效運(yùn)營、綠色環(huán)?！钡牡V井建設(shè)發(fā)展理念，結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際和政策要求[2，3]，淘汰現(xiàn)有燃煤鍋爐，新增熱源并改造現(xiàn)有供熱系統(tǒng)，以解決煤礦用熱問題。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，煤礦周邊無區(qū)域集中熱源可資利用，且當(dāng)?shù)厝細(xì)馀c燃油供應(yīng)不足。通過調(diào)查分析煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源，本研究提出了一種基于空氣能、空壓機(jī)余熱及回風(fēng)余熱利用的供熱方案。該方案利用煤礦優(yōu)質(zhì)余熱資源供熱，投資運(yùn)行費(fèi)用低，對減少一次能源消耗及碳排放具有積極意義，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

1 煤礦熱負(fù)荷

煤礦熱負(fù)荷分為建筑物供暖、浴室供暖及井筒防凍三部分。其中，建筑物供暖由室內(nèi)散熱器系統(tǒng)供應(yīng)，熱媒為熱水，運(yùn)行溫度65/50 ℃，供暖總熱負(fù)荷8232.2 kW；浴室供熱分為浴室加熱和洗衣、烘干供熱，加熱熱媒為0.3～0.4 MPa飽和蒸汽，浴室供熱熱負(fù)荷2431.6 kW；井筒防凍采用工業(yè)熱風(fēng)器，分別布置在井口兩側(cè)的空氣加熱室內(nèi)，確保井口進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到2 ℃以上，井筒防凍熱負(fù)荷3724.0 kW。熱負(fù)荷匯總見表1。

表1 熱負(fù)荷匯總

2 煤礦余熱資源分析

針對煤礦工藝特征，發(fā)掘其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源。同時，找出煤礦所在地自然環(huán)境中可利用的余熱資源。

2.1 煤礦回風(fēng)余熱

煤礦回風(fēng)溫度受室外氣溫影響較小，冬季相對穩(wěn)定，是一種可資利用的低溫?zé)嵩?。煤礦回風(fēng)熱能提取的回風(fēng)風(fēng)量大，如果增加換熱設(shè)備不當(dāng)很可能會增加阻力，造成煤礦通風(fēng)機(jī)電機(jī)負(fù)荷加大，浪費(fèi)電能，甚至?xí)绊懨旱V通風(fēng)質(zhì)量[7]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，花草灘煤礦回風(fēng)風(fēng)量、溫度和濕度全年較為穩(wěn)定，且隨著井下開拓的延深，進(jìn)風(fēng)量、回風(fēng)量同步增加，可采用煤礦回風(fēng)熱能提取裝置直接換熱提取回風(fēng)余熱。冬季時煤礦回風(fēng)風(fēng)量為5953 m3/min，回風(fēng)溫度22 ℃，相對濕度69%；根據(jù)回風(fēng)余熱提取方式不同，提取熱量后的回風(fēng)溫度為2～12 ℃，可從煤礦回風(fēng)余熱中提取的熱量4800～2600 kW?；ú轂┟旱V通風(fēng)方式為副井進(jìn)風(fēng)，主井回風(fēng)，主副井距離150 m。進(jìn)、回風(fēng)井的距離和周邊場地均具備布置回風(fēng)余熱設(shè)施的條件。因此，回風(fēng)余熱是該項(xiàng)目優(yōu)質(zhì)的余熱資源。

2.2 礦井水余熱

目前，礦井水正常排水量約100 m3/h，排水溫度20 ℃左右，考慮到礦井水處理過程散熱損失，取冬季可利用溫差為10 ℃，則礦井水余熱量約1100 kW。為了達(dá)到煤礦廢水零排放，礦方將采用先進(jìn)技術(shù)手段在井下對礦井水進(jìn)行處理及綜合利用，逐步減少礦井水上井量，最終達(dá)到礦井水全部井下利用。因此，不考慮礦井水余熱資源利用。

2.3 空壓機(jī)余熱

煤礦空壓機(jī)房設(shè)置4臺風(fēng)冷式螺桿空壓機(jī)(3用1備)，單臺電功率為250 kW。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，煤礦最少2臺空壓機(jī)24 h運(yùn)行，第3臺根據(jù)井下生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整?？諌簷C(jī)在運(yùn)行時，約有80%的電能轉(zhuǎn)化為熱量，通過風(fēng)冷或者水冷的方式排放到空氣中，該部分熱量中有82%可被回收利用，計(jì)算可得：空壓機(jī)運(yùn)行24 h可制備的熱水量(即每天熱水產(chǎn)量)為226 m3，滿足煤礦每日150 m3洗浴用水量需求。目前，空壓機(jī)余熱利用技術(shù)成熟、設(shè)備市場化水平較高，并已廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)的洗浴、供暖等領(lǐng)域[8-11]。因此優(yōu)先利用該余熱資源。

2.4 空氣能

空氣能，是指空氣中所蘊(yùn)含的低品位熱能。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不可能從低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩炊灰鹌渌兓?。所以，要利用低品位熱?空氣能時，需要采用空氣源熱泵技術(shù)，從空氣中吸收熱量并傳到高溫物體或環(huán)境。目前，我國空氣源熱泵技術(shù)已廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)建筑物供暖和熱水供應(yīng)[4-6]?；ú轂┟旱V地處嚴(yán)寒地區(qū)，熱泵選型是保證空氣能有效利用和供暖效果的關(guān)鍵。雙極型空氣源熱泵能在嚴(yán)寒條件下有效利用空氣能供暖，同時可避免普通型空氣源熱泵在同類條件下運(yùn)行時存在的吸氣比容大、吸氣壓力降低、壓比增大、排氣溫度過高，導(dǎo)致能效比(EER)急速下降的問題。該型熱泵由低溫級和高溫級兩個獨(dú)立的冷媒系統(tǒng)耦合組成，低溫級通過其冷媒優(yōu)良的低溫環(huán)境蒸發(fā)性能，從環(huán)境中吸取低品位熱能轉(zhuǎn)移至高溫級。高溫級運(yùn)用其冷媒高冷凝溫度低系統(tǒng)壓力的物理性質(zhì)，通過冷凝蒸發(fā)器的耦合使壓縮機(jī)維持在合適的壓比，可穩(wěn)定制取供暖熱水，使系統(tǒng)能效比保持在較高水平，保證供暖效果。因此，優(yōu)先考慮使用空氣能。

2.5 太陽能

項(xiàng)目所處地區(qū)太陽能年輻射量屬一類地區(qū)，太陽能資源豐富。經(jīng)計(jì)算，該地區(qū)太陽能集熱器產(chǎn)生1 m3熱水需要的建筑面積約為15 m2。由于該項(xiàng)目實(shí)施主要位于工業(yè)場地內(nèi)，可利用的地面場地有限，且建構(gòu)筑物多為車間、行政辦公等已有建筑物，屋頂改造難度大。綜合考慮熱負(fù)荷情況，當(dāng)其他能源不能滿足供熱改造需求時，再考慮利用太陽能。

3 供熱改造方案

依據(jù)煤礦用熱負(fù)荷、余熱資源分布特點(diǎn)及供熱方案設(shè)計(jì)原則，確定了一種基于煤礦余熱資源利用的供熱系統(tǒng)：建筑物供暖由空氣源熱泵系統(tǒng)供應(yīng)，浴室洗浴由空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)供應(yīng)，井筒防凍由低溫?zé)峁芑仫L(fēng)余熱利用系統(tǒng)供應(yīng)。

1)空氣源熱泵系統(tǒng)?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)由雙級高溫?zé)岜脵C(jī)組[12]、水泵、補(bǔ)水定壓裝置及水箱等組成。其中，雙級高溫?zé)岜脵C(jī)組通過兩個獨(dú)立冷媒系統(tǒng)耦合運(yùn)行，能在極低溫度空氣中提取低品位熱能，以確保供暖系統(tǒng)在當(dāng)?shù)貒?yán)寒氣候條件下正常運(yùn)行?？紤]到煤礦工業(yè)場地與公司駐地距離3 km，且各區(qū)域內(nèi)供暖建筑物分布疏密不均，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)采用分布式布置，將區(qū)域內(nèi)距離相近的供暖建筑物作為一個供暖區(qū)域，共劃分為7個系統(tǒng)區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置空氣源熱泵設(shè)備和輔助設(shè)備機(jī)房一座，并利用就近的室外供暖管網(wǎng)。系統(tǒng)熱負(fù)荷及熱泵機(jī)組配置詳見表2。

表2 系統(tǒng)熱負(fù)荷及熱泵機(jī)組配置

2)空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)?？諌簷C(jī)余熱利用系統(tǒng)主要設(shè)備包括空壓機(jī)熱回收機(jī)組、水-水換熱器、循環(huán)水泵、管路等，通過換熱器提取空壓機(jī)中的部分壓縮熱，制得60/50 ℃熱水，通過間接連接換熱系統(tǒng)將洗浴用水加熱至45 ℃，洗衣烘干用蒸汽供應(yīng)改造為電加熱方式。

3)回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)。目前，國內(nèi)煤礦回風(fēng)余熱利用方式主要有：噴淋式換熱+熱泵、氣-液間壁式換熱+熱泵、低溫?zé)峁?。①噴淋式換熱+熱泵方式通過取熱水和回風(fēng)直接接觸提取熱能，系統(tǒng)由噴淋間、循環(huán)泵、儲水及補(bǔ)水系統(tǒng)組成，設(shè)備設(shè)施多、運(yùn)維工作量大，受制于回水溫度影響，其取熱溫差小，能耗、水耗較大。②氣-液間壁式換熱+熱泵方式通過閉式循環(huán)水系統(tǒng)換熱，在添加乙二醇后可實(shí)現(xiàn)較大溫差取熱，能耗和水耗與噴淋式換熱+熱泵方式相當(dāng)。③低溫?zé)峁芊绞嚼蔑L(fēng)-風(fēng)間壁方式通過熱管將回風(fēng)加熱進(jìn)風(fēng)，可實(shí)現(xiàn)大溫差取熱，系統(tǒng)設(shè)備少，運(yùn)維工作量小，能耗和水耗均小于其他二種方式，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行基本無影響。當(dāng)?shù)馗稍锶彼?、冬季?yán)寒，結(jié)合三種回風(fēng)余熱利用方式特點(diǎn)，確定采用低溫?zé)峁芊绞?，該方式系統(tǒng)簡單、運(yùn)行成本低、檢修維護(hù)方便，負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，且不存在結(jié)冰風(fēng)險，場地條件滿足設(shè)備和風(fēng)管布置需求。低溫?zé)峁芑仫L(fēng)余熱利用系統(tǒng)主要包括低溫?zé)峁軗Q熱機(jī)組和風(fēng)阻平衡誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，后者可平衡換熱器增加的風(fēng)阻并提高換熱效果[13-15]。系統(tǒng)采用間壁換熱方式，利用熱管工質(zhì)的氣化吸熱過程提取煤礦回風(fēng)中的低溫?zé)崮埽ㄟ^熱管工質(zhì)冷凝放熱過程加熱煤礦進(jìn)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)煤礦回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)的熱量交換，滿足井口防凍的進(jìn)風(fēng)要求。煤礦余熱資源利用供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煤礦余熱資源利用供熱系統(tǒng)示意

4 效益分析

4.1 投資運(yùn)行費(fèi)用

該項(xiàng)目以電熱水鍋爐供暖、供熱方案作為對比。根據(jù)前述分析，煤礦供暖期最大熱負(fù)荷14107.8 kW，需安裝3臺4.9 MW電熱水鍋爐，供暖期3臺運(yùn)行，非供暖期1臺運(yùn)行。鍋爐檢修在非供暖期進(jìn)行。利用現(xiàn)有鍋爐房熱交換設(shè)備、循環(huán)水泵、補(bǔ)水定壓設(shè)備、水處理等設(shè)備及供回水管路，改造現(xiàn)有鍋爐房供配電系統(tǒng)，同時對現(xiàn)有井筒防凍供熱設(shè)備及室外管網(wǎng)、現(xiàn)有浴室供熱管網(wǎng)進(jìn)行改造。該方案工程直接投資額為650萬元。其中，建筑物供暖系統(tǒng)改造直接投資額420萬元；浴室供熱系統(tǒng)改造直接投資額20萬元；井筒防凍系統(tǒng)改造直接投資額210萬元。根據(jù)花草灘煤礦平均電價0.522元/(kW?h)，電鍋爐系統(tǒng)熱效率取0.95，供暖系統(tǒng)一天運(yùn)行20 h，一年運(yùn)行172 d，可以計(jì)算出年運(yùn)行費(fèi)用為2390.96萬元。

采用煤礦余熱資源供熱系統(tǒng)方案時，工程直接投資額為5997.23萬元，各分項(xiàng)投資詳見表3?？諝庠礋岜枚竟┡骄鶡嵝嗜?.9，供暖期運(yùn)行?？諌簷C(jī)余熱加熱系統(tǒng)主要耗電設(shè)備為循環(huán)水泵，全年運(yùn)行。低溫?zé)峁芑仫L(fēng)余熱利用系統(tǒng)主要耗電設(shè)備為10臺軸流風(fēng)機(jī)，按供暖季全部開啟考慮。經(jīng)計(jì)算，以上總運(yùn)行費(fèi)用為775.26萬元。

表3 供熱方案經(jīng)濟(jì)比較

綜上所述，煤礦余熱供熱方案雖然初期投資較高，但其運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于電熱水鍋爐供熱方案。3.3 a后，煤礦余熱供熱方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)勢將得到凸顯，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用1615.7萬元。兩種方案初投資、運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見表3。

4.2 環(huán)境效益

若采用電熱水鍋爐方案，年耗電量約4580.39萬kW?h。當(dāng)采用煤礦余熱資源供熱方案時，年耗電量1485.17萬kW?h，年節(jié)約電量3095.22萬kW?h，折標(biāo)煤30383.66 t。按照國家發(fā)改委研究院推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每節(jié)約1 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排2.4567 t CO2，0.0165 t SO2，0.0156 t NOx，煙塵減排0.0096 t，經(jīng)折算，系統(tǒng)年減排量如下：74643.56 t CO2，501.33 t SO2，473.99 t NOx，煙塵 291.68 t。

5 結(jié) 論

通過分析花草灘煤礦余熱資源和熱負(fù)荷，提出了一種煤礦余熱資源供熱系統(tǒng)方案，確定煤礦建筑物供暖采用空氣源熱泵方式，浴室供熱采用空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)，井筒防凍采用煤礦回風(fēng)余熱熱管加熱系統(tǒng)，能夠解決花草灘煤礦取消燃煤鍋爐后建筑物、浴室及井筒的供暖、供熱問題，與采用電熱水鍋爐方案對比，其系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約1615.7萬元/a，且減排優(yōu)勢明顯，遠(yuǎn)期經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益十分顯著。該方案結(jié)合煤礦所在地能源供應(yīng)情況，因地制宜利用煤礦優(yōu)質(zhì)余熱資源供暖、供熱，在保證煤礦安全生產(chǎn)的同時，可促進(jìn)煤炭企業(yè)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低投資運(yùn)行成本，響應(yīng)國家節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策要求，對建設(shè)低碳煤礦具有積極意義。