煤礦余熱綜合利用系統工業應用實踐

秦紅正

(中煤科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

近年來我國大氣環境形勢嚴峻，區域性大氣污染問題突出，直接影響經濟社會可持續發展和人民群眾身體健康，國家有關部門連續發布了多項大氣污染治理規劃及相關管理規范，對工業和民用燃煤污染進行嚴格管控，如對供熱燃煤鍋爐噸位提出嚴格的限制要求：城市建成區禁止建設20蒸t/h以下鍋爐，其他區域禁止建設10蒸t/h以下的燃煤鍋爐。隨著地方政府大氣污染減排壓力增加，各地又相繼出臺了更加嚴格的燃煤鍋爐污染管理要求。山西省自2018年7月1日起全省范圍內執行大氣污染特別排放限值；陜西省要求2019年年底前，重點區域全部淘汰35蒸t/h以下燃煤鍋爐。隨著國家對大氣污染治理要求越來越嚴，燃煤鍋爐將逐漸被淘汰。

由于煤礦企業地面建構物及井筒采暖需要，一般煤礦場地內均建有燃煤鍋爐。對于這部分供熱鍋爐，隨著更加嚴格的排放標準的推行，其污染物排放難以達標；同時煤礦企業長期以來都采用粗放的管理模式，其場地內余熱得不到有效利用，只能直接排放，導致項目能耗一直居高不下。為解決這一問題，國內外提出了風井回風、煤礦地面空壓機通風機等電機余熱、礦井水及瓦斯電廠等余熱回收技術，但都沒有形成一定的系統，本文針對現場問題，提出因地制宜、多維一體的綜合煤礦余熱回收系統，并應用于現場。

1 煤礦余熱回收現有技術與發展水平

1.1 風井乏風余熱利用

礦井乏風余熱資源豐富，流量大，溫度穩定，含濕量較大，焓值較高。21世紀初，我國開始積極探索“采用熱泵技術利用煤礦回風余熱的研究與應用”，其中第一代“采用淋水式取熱+水源熱泵”的礦井回風余熱利用技術路線，該技術要求回風溫度不低于12 ℃，取熱量有限，水氣帶走了大量余熱，其熱能利用率20%；第二代“采用取熱與分體熱泵”的礦井回風余熱利用技術路線，該技術將熱泵機組的蒸發器放置于回風井上方，通過蒸發器直接吸收熱量，將介質加熱，然后通過銅管供給熱泵，該技術乏風取熱溫度一般在4 ℃，取熱量有限，熱能利用率約65%。

目前“第三代直蒸和直冷式乏風熱泵(稱之為 “深焓取熱技術”)”與“高溫及大溫差供熱”的礦井回風余熱利用技術路線更具劃時代意義，該技術是在第二代的基礎上解決了乏風取至零下蒸發器表面結霜結冰的問題，大大提高了乏風余熱的利用率，其熱能利用率達100%。

直冷式乏風熱泵技術原理示于圖1。乏風取熱箱設置在乏風取熱室側面墻壁，其內介質與通過翅片的乏風進行換熱，吸收乏風中的余熱并供給乏風熱泵；熱泵用電能將此部分低品位熱源轉換為高品位熱源；根據末端需求，設定不同出水溫度，滿足各種工況需求。

圖1 直冷式乏風熱泵技術原理示意

1.1.1 直冷式乏風熱泵供熱技術主要特點

(1)冬季礦井乏風溫度高、濕度大，通過直冷式乏風熱泵技術可提取乏風中的大量顯熱、液化潛熱和固化熱，熱泵機組能效比可達4.5；

(2)直冷式乏風熱泵技術通過介質水供熱，70 ℃出水解決建筑采暖供熱，50 ℃出水解決職工洗浴熱水供熱；45 ℃出水解決井口保溫防凍供熱；供熱距離大，不受供熱半徑影響；

(3)直冷式乏風熱泵技術，根據負荷需要，可將乏風取熱后溫度最低降至-15 ℃排放，其供熱量大，能夠取代鍋爐解決礦區的冬季供熱。

1.1.2 “直蒸式大型分體乏風熱泵”、“直冷式大型分體乏風熱泵”機組的獨特技術優勢

(1)獨特的模塊化多功能乏風取熱機組，換熱效率高，取熱焓差大；具有耐沖刷、抗腐蝕功能；

(2)采用特殊工藝制作的高科技超親水翅片表層，大大降低了取熱機組表層積塵積粘性物質的特性；

(3)采用針對煤礦原生態乏風取熱機組表層積塵積粘性物質特性專門開發的清洗劑，由取熱機組前后壓差控制，通過取熱機組的自動清洗裝置周期性清洗乏風取熱機組，可保持取熱機組長期如新；

(4)回風主風機切換時，可通過調節取熱機組風閥，確保通過每個取熱機組風量均勻；

(5)模塊化乏風取熱機組設計，取熱焓差可選，系列齊全；

(6)乏風取熱機組模塊化設計，安裝方便，排水快速，維護簡便；

(7)常閉型自動旁通風門設計，既解決煤礦事故返風運行時換熱器阻力影響問題，也解決熱泵供熱系統不使用時回風主機功耗浪費問題；

(8)大型分體熱泵熱力系統采用“主動給液”與“油/氣分離”技術，徹底解決了熱泵熱力系統的配液與回油兩大技術難題，既提升了熱泵系統運行能效，又確保了熱泵系統長期高效可靠運行；

(9)熱泵供熱溫度可達70 ℃，溫差可達20 ℃，既可降低水泵功耗，又可與建筑傳統供暖末端設備系統直接銜接，毋需改造；

(10)該系統具有高效、可靠、可實現無人值守的特點，完全可取代傳統燃煤熱風鍋爐供熱方式；既可為煤礦實現節能減排，又能為煤礦實現減員增效。

1.2 瓦斯電廠余熱回收

瓦斯發電機組在運行時，只有約35%的能量轉化為電能，約 30%～35%隨高溫煙氣排出，20%～25%被發動機冷卻水帶走，通過機身散熱等其他損失約占10%左右，充分利用這些未被轉化為電能的余熱，可用來制取熱水以滿足用戶的生產生活需求。

瓦斯發電機組的排煙溫度達550 ℃以上，可以通過煙氣余熱回收機組回收利用，用于供熱；同時瓦斯余熱發電機組的缸套水溫度較高，通常達到80 ℃以上，回收利用以后可以直接用于進風井防凍與建筑采暖等。見圖2。

圖2 瓦斯電廠余熱利用技術示意

1.3 礦井水余熱利用

水源熱泵工作原理與乏風熱泵基本相同，都是通過低位能源向高位能源轉移，從而減少能耗。熱泵同樣由蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥四大件組成，只是冬季供熱時蒸發器側的熱源由礦井水余熱提供，其工作原理如圖3所示。

圖3 礦井水水源熱泵技術原理示意

在我國東部及西部部分地區的大水礦井，涌水量一般在500 m3/h以上，礦井水水溫常年基本恒定，冬季溫度不低于14 ℃，是水源熱泵利用的較好熱源。

若按礦井水涌水量500 m3/h、水溫14 ℃考慮，水源熱泵系統的制熱量按照提取礦井水6 ℃溫差的熱能計算，供水溫度設計為45 ℃，則可提取的熱負荷為3 500 kW；若熱泵熱力系統的完善度按55%考慮，則涌水源熱泵可形成的供熱能力為4 665.5 kW(相當于6.7 t/h鍋爐)；此外，通過在熱泵中加設四通閥，可實現涌水源熱泵的雙工況運行，即既可以在冬季進行供熱，也可以在夏季進行制冷。

1.4 煤礦余熱綜合利用系統

我國幅員遼闊，煤礦眾多，其條件各不相同，可用的熱源也有很大差異。應根據各煤礦實際情況，調查研究可利用的熱源種類，并根據熱負荷情況，對可用熱源進行排序，根據其經濟和社會效益建立煤礦余熱綜合利用管理系統。

2 山西盂縣某煤礦余熱綜合利用管理系統介紹

2.1 熱源工況分析

X煤礦位于山西盂縣，工業場地內布置有2臺4蒸t/h和2蒸t/h燃煤蒸汽鍋爐，總蒸發量為10蒸t/h，主要滿足建筑采暖、15號煤進風立井井口防凍供熱。選煤廠現有鍋爐房一座，內安裝有2臺6蒸t/h燃氣蒸汽鍋爐，主要滿足選煤廠和進風斜井、主斜井和副斜井供熱需求。

根據《山西省大氣污染防治2018年行動計劃》，10個設區市建成區范圍內10蒸t/h及以下燃煤鍋爐要全部清零，X煤礦燃煤鍋爐噸位均不符合目前環保政策要求，需要淘汰。該礦根據煤礦條件建立了余熱綜合利用系統。

2.2 熱負荷計算

X煤礦熱負荷為現有鍋爐供熱范圍內的井筒供熱、建筑采暖、洗浴熱水及選煤廠供熱等，煤礦設計熱負荷見表1，總設計熱負荷為12 333 kW。

表1 X煤礦設計熱負荷統計

注：管網損失系數取1.05。

2.3 余熱資源分析

X煤礦礦井涌水量僅為20 m3/h，水量較小，沒有利用空間，其余熱不予考慮；該煤礦鍋爐房西側約200 m處建有一座瓦斯發電廠，安裝16臺發電機組，電廠余熱可利用；項目乏風余熱可回收。

2.3.1 瓦斯電廠余熱

X煤礦場地鍋爐房西側約200 m處建有一座瓦斯發電廠，安裝有8臺裝機容量500 kW和8臺裝機容量1 000 kW的發電機組，總裝機容量15 MW。對瓦斯電廠16臺瓦斯發電機組分別進行煙氣和缸套水余熱回收。按可靠運行、8 MW瓦斯發電功率進行余熱量計算，缸套水可以回收的余熱量為2 600 kW，煙氣余熱回收為5 400 kW，共可回收余熱量為8 MW。

2.3.2 乏風余熱

該礦回風風量14 600 m3/min，夏季平均氣溫17.5 ℃，冬季平均氣溫7 ℃，瓦斯體積分數0.24%～0.26%。

經計算，乏風由7 ℃取至1.5 ℃，取熱量為2 357 kW，乏風熱泵COP=3.3，熱泵功率909 kW，熱泵總供熱能力3 150 kW。

X煤礦瓦斯電廠與乏風共可回收余熱為11.15 MW(折合飽和蒸汽量為16 t/h)。

2.4 余熱設計方案

盡可能利用現有已建成構筑物和管網，避免減少重復建設投資，根據余熱量確定項目全部采用余熱利用系統供熱，替代現有燃煤鍋爐供熱和燃氣鍋爐供熱，保留現有燃氣鍋爐房作為備用熱源。辦公區供熱量較小，考慮采用空氣源熱泵供熱，具體設計方案如下：① 利用風井乏風余熱對進風井口防凍供熱和瓦斯泵站供熱，利用直冷式乏風熱泵回收風井乏風余熱，供回水溫度：45/35 ℃；② 對進風井斜井、主井、副井、建筑采暖末端是暖氣片部分及選煤廠采用瓦斯發電煙氣余熱供暖，供回水溫度：90/75 ℃；③ 對建筑采暖地暖部分和洗浴供熱，采用瓦斯電廠缸套水余熱滿足，供回水溫度70/60 ℃；④ 辦公區建筑采暖采用超低環溫空氣源高溫熱泵機組供熱，供回水溫度70/60 ℃。見表2。

表2 項目余熱供熱方案

2.5 環保效益及經濟效益

X煤礦原燃煤鍋爐總蒸發量為10蒸t/h，燃氣鍋爐為12蒸t/h，通過乏風余熱和附近瓦斯電廠余熱完全替代了原燃煤鍋爐和瓦斯鍋爐，每年可節約標準煤約4 000 t，節約瓦斯約240萬m3，減排CO214 624 t(產物系數2.6 t/t煤，1.76 kg/m3瓦斯)、減排SO2約52 t(產物系數12.96 kg/t煤)，減少NOx約44 t(產物系數9.08 kg/t煤，34 kg/萬m3瓦斯)。

項目供熱系統運行成本主要為電費，工業場地采暖季電耗為242.26萬kW·h，非采暖季制備洗浴熱水，電耗15 415.4萬kW·h，辦公室區采暖季空氣源熱泵電耗63萬kW·h。系統全年總耗電量320.66萬kW·h。折合成本見表3。

表3 運行成本

注：*電價0.65元/(kW·h)計。

經濟效益：現有燃煤鍋爐運行費用包括脫硫脫硝、電費、人工、燃煤費、鍋爐檢修費等，每年約600萬元(含辦公區鍋爐)。燃氣鍋爐費用：租賃費80萬元/a，燃氣1 059.35萬元，共1 159.35萬元。2臺鍋爐年運行費用約1 759萬元。對煤礦乏風余熱和瓦斯電廠余熱進行了回收利用，減少了能源的浪費，社會效益良好。改造后項目供熱運行費用僅為現在的17%，投資回收期僅為2.5 a，經濟效益十分顯著。

3 結 論

煤礦余熱資源豐富，通過目前先進的熱泵技術可以回收低熱—高熱資源，X煤礦對場地內各種余熱進行了綜合考慮，建立起了一套余熱能源回收系統，更加精細地管理了項目余熱資源，替代了燃煤鍋爐，解決了煤礦節能減排問題，經濟效益和環境效益顯著，具有良好的推廣前景。