礦區余熱綜合利用項目的研究與應用

趙增選

摘要：工業余熱資源豐富，廣泛存在于工業各行業生產過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的17～67%，其中可回收率達60%，余熱利用率提升空間大，節能潛力巨大，工業余熱回收利用又被認為是一種“新能源”，近年來成為推進我國節能減排工作的重要內容。通過采用熱交換技術，利用換熱設備將余熱能量直接傳遞給自身工藝的耗能流程，從而降低一次能源消耗，這是回收工業余熱最直接、效率較高的經濟方法，節能環保。

Abstract： Waste heat resource is abundant and widely exists in the production process of various industries， which accounts for 17-67% of the total fuel consumption， of which the recovery rate is 60%. There is a great space for improving the utilization rate of waste heat， and the potential of energy saving is huge. Industrial waste heat recovery and utilization is also considered as a "new energy source"， which has become an important part of promoting energy conservation and emission reduction in China in recent years. By using heat exchange technology and heat exchange equipment， the waste heat energy can be directly transferred to the energy consumption process of its own process， so as to reduce the primary energy consumption. This is the most direct and efficient economic method to recover industrial waste heat and has a meaning of energy saving and environmental protection.

關鍵詞：工業余熱;回收利用;熱交換技術;換熱設備;節能環保

Key words： Industrial waste heat;recovery and utilization;heat exchange technology;heat exchange equipment;energy saving and environmental protection

中圖分類號：TU833 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）20-0240-03

0 ?引言

山東能源棗莊礦業集團田陳煤礦礦區供暖系統總面積為46萬平方米，為汽暖方式，該供暖系統建成運行已有11年，經多年運行目前管道腐蝕比較嚴重，多處管壁較薄，已經不適合繼續使用，且為高溫壓力管道，運行方式安全性較差，同時蒸汽供暖方式熱損失較大，運行費用較高，浪費較大，環保部門已不提倡該種采暖方式。新的節能環保供暖技術日趨成熟，在實現節能供暖的同時又滿足了環保的要求。一是電廠可采用溴化鋰吸收式熱泵機組，吸收汽輪機冷卻循環水余熱，用以替代蒸汽供給采暖;二是可采用壓風機余熱、礦井水余熱+水源熱泵技術替代鍋爐和中央空調系統。系統改造后經濟效益非常可觀，而且可以解決因電廠檢修或故障時，井口可以利用水源熱泵機組應急供暖。

經過深入調查研究，目前礦區主要存在三種余熱可以加以利用。一是電廠（自備）汽輪機冷卻循環水余熱，電廠汽輪機冷卻循環水是汽輪機做功后乏汽冷卻循環水，其溫度較高，冬季可達30℃，夏季達到34℃以上，且循環水量達到5000T/h，可利用的熱量巨大，如加以利用，效益將非常可觀，可滿足整個礦區的冬季供暖;二是礦井水余熱，礦井水每天1.2萬立方米，溫度可達28℃，可利用的熱量也很巨大，可滿足冬季井口供暖和7000名職工洗浴用熱水，以及夏季制冷;三是空壓機余熱，排氣溫度可達90℃，可滿足夏季職工洗浴用熱水。

1 ?系統改造基本設想

經綜合考察調研后，計劃改為水暖方式，即在熱源首端：電廠設立一級換熱站，將汽輪機冷卻循環水余熱提取換成85℃熱水，之后經管道供到二級用戶，二級用戶再設立二次換熱站用于用戶采暖和洗浴。該種方式避免了高溫高壓蒸汽輸送的弊端，為常規壓力管道，輸送水溫較低，安全性好，同時熱力損失小，經濟性較好。二級用戶汽暖全部改造為水暖形式，管路亦做相應改造。

基本改造設想如下：

1.1 一級站：電廠

采用汽輪機冷卻水余熱利用（溴化鋰吸收式熱泵機組）為二級用戶提供熱源，滿足礦區冬季采暖需求。

1.2 二級換熱站

分為居民區和礦內兩部分。

1.2.1 居民區部分

冬季：采用26兆瓦水--水板式換熱器將電廠來的85℃熱水轉換成60-75℃低溫熱水供30萬平米居民樓供暖。

春夏秋季：水--水板式換熱器停運，停止供暖。

1.2.2 礦內：分季節和分區域供暖

冬季：①采用6.5兆瓦水--水板式換熱器，將電廠來的85℃熱水轉換成小于50℃低溫熱水供5萬平米辦公樓（礦北辦公樓、宿舍樓、南辦公樓、東西采掘樓、洗煤廠辦公樓、澡堂）、主副井口供暖及洗浴用熱水，該部分采用風機盤管散熱器。②采用8兆瓦水--水板式換熱器將電廠來的85℃熱水轉換成60-75℃低溫熱水供11萬平米辦公廠房供暖，該部分采用普通暖氣片散熱器。

春、夏、秋季：①夏季時采用水源熱泵機組替代目前現有的溴化鋰制冷機組，專供辦公樓（礦北辦公樓、宿舍樓、南北辦公樓、東西采掘樓、洗煤廠辦公樓）及澡堂等5萬平米區域供冷;②春、夏、秋季時采用壓風機余熱利用系統和水源熱泵機組供洗浴用熱水。

1.3 應急保障運行方式

冬季供暖：①原則上全部采暖和洗浴的熱源皆由電廠一級換熱站來提供，電廠一級換熱站除建有冷卻水余熱利用溴化鋰吸收式熱泵機組以外，尙建有尖峰換熱器，應急時可承擔70%的供熱任務。②在極特殊情況下，電廠無法提供熱源，則啟用礦內水源熱泵機組來保證礦區的主、副井井口、職工及來賓澡堂的供暖及洗浴用水的需求。

2 ?整體改造方案確定及經濟效益比較分析

費用分析對比見表1。

2.1 費用對比分析及方案的選擇

2.1.1 電廠采用汽輪機冷卻水余熱利用方式（溴化鋰吸收式熱泵機組）與原采暖系統相比較，每年可節約：1446萬元。

2.1.2 電廠采用常規管殼式汽水換熱方式與原采暖系統相比較，每年可節約：1106.1萬元。

2.1.3 經對比分析：電廠一級換熱站采用汽輪機冷卻水余熱利用方式（溴化鋰吸收式熱泵機組），每年比采用常規管殼式汽水換熱方式可多節約：339.9萬元。

2.2 整體改造方案確定

經過上述經濟效益比較分析：

一級換熱站：電廠采用汽輪機冷卻水余熱利用方式（溴化鋰吸收式熱泵機組）;

二級換熱站：①礦內采用壓風機余熱利用系統+水源熱泵機組+水--水板式換熱器的方式進行建站;②居民區采用水--水板式換熱器方式進行建站。

3 ?項目實施

3.1 項目實施條件

3.1.1 冬季供暖設計參數

電廠一級管網供回水溫度：85/55℃;建筑末端風盤系統及井口加熱器供暖系統供水溫度：50-45℃，回水溫度：45-40℃;副井口進風≥2℃;主井口進風≥2℃。

3.1.2 夏季制冷設計參數

夏季系統供水溫度：7-12℃，回水溫度：12-17℃。

3.1.3 洗澡水設計參數

洗浴供水溫度≥45℃。

3.2 項目熱源情況

3.2.1 電廠

冷卻水5000m3/h，冬季冷卻塔上塔水溫32℃（冷時30℃），回水水溫20℃。

3.2.2 礦內

①礦井排水12000m3/d，冬季水溫24℃，夏季水溫26℃。

②礦內配備2臺350kW和2臺160kW螺桿式空壓機，平時運行1臺350kW空壓機。

3.3 負荷計算

3.3.1 項目實施所需負荷

電廠承擔負荷與礦區水源熱泵承擔負荷見表2、表3。

3.3.2 可利用熱能計算

空壓機余熱熱量計算：

田陳煤礦礦內現有2臺350kW空壓機和2臺160kW空壓機，平時運行1臺350kW空壓機24小時滿足井下用風需求，空壓機在運行過程中產生大量的熱量，利用空壓機熱回收技術，可將空壓機功率的80%的熱量回收。

1臺350kW空壓機可回收的熱量為：350×80%= 280kW。

3.3.3 小結

①電廠部分。

通過分析計算，電廠需承擔32200kW，實際電廠可提供熱源58150kW，故滿足供給供暖需求。

②礦內部分。

通過分析計算，礦內夏季冷負荷為4500kW，礦井排水可吸收的熱量為5818kW，故利用礦井排水完全能滿足礦區夏季建筑制冷需求。

礦內冬季應急熱負荷為3064kW，水源熱泵系統提取礦井排水形成的供熱能力為7476kW，故應急情況下，啟動水源熱泵機組完全能滿足供熱需求。

4 ?項目實際應用

4.1 主要設備選型

主要設備選型見表4。

4.2 田陳煤礦余熱利用系統流程圖

系統流程圖見圖1。

5 ?結論

礦區余熱綜合利用項目的研究與應用，是一次煤炭能源企業打破傳統思維模式，自我革新，解放思想過程，是一次成功的應用，得到了較大的經濟效益，礦區余熱綜合利用項目的研究與應用，每年可節約資金1446萬元。

通過實踐證明，電廠冷卻循環水余熱、水源熱泵技術、壓風機余熱綜合利用，以清潔、綠色能源取代了燃煤鍋爐供熱，在為礦井帶來巨大的直接經濟效益的同時起到節能減排的作用。隨著人們節能和環保意識的提高，新舊動能轉換的大趨勢下，礦井余熱利用技術的研究和應用必將越來越受到重視，具有廣闊的應用前景。因此，有必要對礦井余熱利用技術的應用進行系統深入的研究，并將其充分應用于實踐。此方面工作的推進可望開辟出一個余熱利用技術研究與應用的新前沿，發展出一大類能夠綜合、高效的回收利用礦井余熱資源的系統，為節能減排的發展做出貢獻。

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