煤礦清潔能源供熱設(shè)計探討

羅 申 國

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

1 煤礦供熱負(fù)荷及供熱介質(zhì)參數(shù)

煤礦供熱主要包括生產(chǎn)和行政福利建筑采暖熱負(fù)荷、進(jìn)風(fēng)井井筒防凍熱負(fù)荷和生活熱水三部分，其中井筒防凍部分占50%以上，生活用熱負(fù)荷一般在10%以下。生活用熱負(fù)荷為全年性熱負(fù)荷，采暖熱負(fù)荷和井筒防凍熱負(fù)荷為采暖季熱負(fù)荷。

煤礦供熱介質(zhì)主要有熱水、蒸汽、熱風(fēng)和導(dǎo)熱油幾種介質(zhì)。供暖時，行政福利建筑供水溫度不大于85 ℃，工業(yè)建筑熱水供水溫度不大于95 ℃；使用熱泵時，熱水供水溫度不大于60 ℃。井筒防凍供熱系統(tǒng)中，采用熱水供熱時，供水溫度不小于75 ℃，嚴(yán)寒地區(qū)不小于95 ℃；采用熱泵供熱時，供水溫度不小于50 ℃；采用蒸汽供暖時，壓力不小于0.3 MPa。采用熱泵機(jī)組供生活熱水時，供水溫度不小于50 ℃，浴池?zé)崴訜? h，淋浴水加熱3 h；直接換熱時加熱1 h；余熱制備熱水設(shè)貯熱水箱(罐)，浴水加熱3 h～5 h。

2 煤礦清潔能源供熱方式及特點(diǎn)

替代燃煤鍋爐的清潔能源供給技術(shù)主要有集中供熱、空氣壓縮機(jī)和瓦斯電站余熱、燃油燃?xì)忮仩t、瓦斯蓄熱氧化裝置、熱泵、電加熱和太陽能等，技術(shù)路線及特點(diǎn)如下：

1)集中供熱：利用集中供熱管網(wǎng)供熱可靠，投資省，運(yùn)行費(fèi)用低，流程如圖1所示。

2)余熱：主要為空氣壓縮機(jī)組和內(nèi)燃機(jī)瓦斯電站余熱。空氣壓縮機(jī)運(yùn)行過程中會散發(fā)大量的熱量，由循環(huán)冷卻水或潤滑油帶走，通過加裝板式換熱器可換取50 ℃～60 ℃洗浴熱水，或利用水源熱泵技術(shù)回收產(chǎn)生70 ℃～75 ℃熱水，用于供暖。不同機(jī)型的空氣壓縮機(jī)組可回收的熱量不同，但一般在65%以上。利用煤礦瓦斯通過內(nèi)燃機(jī)發(fā)電過程中，只有約40%的能量轉(zhuǎn)化為電能，其他能量排放到煙氣和冷卻水系統(tǒng)，以及機(jī)組本體表面輻射散熱。以1.8 MW機(jī)組為例，輸入能量中40%轉(zhuǎn)化為電能，煙氣34.4%，冷卻水23.1%，輻射熱2.5%。內(nèi)燃機(jī)余熱主要有煙氣、高溫冷卻水和低溫冷卻水余熱三部分，通過余熱鍋爐回收煙氣余熱可產(chǎn)生蒸汽或高溫?zé)崴糜诎l(fā)電或供熱，通過板式換熱器回收高溫冷卻水余熱，換取60 ℃～85 ℃熱水，用于供暖或洗浴熱水；通過板式換熱器換取低溫冷卻水余熱可提供洗浴熱水或利用水源熱泵技術(shù)回收產(chǎn)生50 ℃～60 ℃熱水，用于供暖。余熱供暖穩(wěn)定可靠，投資省，可優(yōu)先考慮。

3)燃?xì)?油)鍋爐：利用井下抽采煤礦瓦斯、地面抽采管輸煤層氣、柴油、液化石油氣等作為燃料。瓦斯?jié)舛却笥?0%可直接燃燒，就近從抽放泵站接入，沒有運(yùn)輸問題；煤層氣、柴油和液化石油氣通過汽車運(yùn)輸，需在鍋爐房旁建設(shè)儲罐儲存，一次投資小，但燃料成本較高，且冬季雨雪天氣燃料運(yùn)輸存在問題。

4)瓦斯蓄熱氧化裝置：因風(fēng)排瓦斯存于礦井通風(fēng)中，濃度較低，而抽放泵站之中存在低濃度瓦斯，二者都不能被直接利用，將其與礦井乏風(fēng)或空氣摻混至濃度1.0%，通過瓦斯蓄熱氧化裝置氧化，通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱風(fēng)用于供熱或井筒防凍。

5)熱泵技術(shù)：煤礦主要有乏風(fēng)、井下排水、洗浴廢水、水環(huán)真空泵冷卻水等低溫?zé)嵩纯梢曰厥绽谩？諝庠礋岜眉夹g(shù)直接提取大氣熱量產(chǎn)生40 ℃～50 ℃熱水，通過井筒空氣加熱機(jī)組送熱風(fēng)。礦井回風(fēng)水源熱泵技術(shù)是通過回風(fēng)與水換熱將熱量傳遞至水中，再通過水源熱泵提取熱量產(chǎn)生40 ℃～45 ℃熱水，用于冬季供暖和井筒防凍、夏季制冷、全年供應(yīng)洗浴熱水，效率高、阻力小、噪聲小。礦井回風(fēng)空氣源熱泵技術(shù)利用蒸發(fā)器直接換取乏風(fēng)中的熱能，取熱后乏風(fēng)溫度可低至-10 ℃，能效比達(dá)3.7，與水源熱泵相當(dāng)，具有可自動沖洗、實(shí)現(xiàn)無縫滾動除霜、降低換熱器風(fēng)阻、提高傳熱效率、取熱箱與熱泵機(jī)房的間距可以達(dá)到400 m等優(yōu)點(diǎn)。

6)電加熱：紅外線電加熱管在電能的驅(qū)動下，可將空氣加熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，后經(jīng)風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)送到井口，用于井筒防凍。系統(tǒng)簡單、投資省。

7)太陽能：太陽能供熱具有節(jié)能環(huán)保、裝置靈活、運(yùn)行投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，但受季節(jié)性、天氣影響較大，陰雨天無法滿足太陽能蓄熱需求，供熱穩(wěn)定性差；占地面積大，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中供熱。

3 三種常用供熱方案比選

下面以某煤礦進(jìn)風(fēng)井井筒防凍供熱為例，井筒進(jìn)風(fēng)井通風(fēng)量7 300 m3/min，按室外極端最低平均溫度-21.9 ℃加熱至2 ℃，所需熱負(fù)荷為4 250 kW，對電加熱熱風(fēng)爐、礦井回風(fēng)空氣源熱泵和空氣源熱泵三種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

3.1 紅外線電加熱供熱方案

設(shè)計4臺紅外線電加熱熱風(fēng)爐，每臺熱風(fēng)爐的風(fēng)量32 830 m3/h，風(fēng)機(jī)功率22 kW，加熱功率1 063 kW，單臺總功率1 063+22=1 085 kW，用電設(shè)備8臺，總用電負(fù)荷4 340 kW；設(shè)3臺2 500 kVA廠變，2運(yùn)1備，3回6 kV電源引入；設(shè)置3臺6 kV高壓開關(guān)柜，2運(yùn)1備。單臺熱風(fēng)爐長度5 000 mm，寬度2 500 mm，高度3 200 mm。土建只需做設(shè)備基礎(chǔ)。采用計算機(jī)+智能儀表自動控制方式。

該方案總投資約721.31萬元，包括土建、設(shè)備、安裝、電源改造及其他費(fèi)用。運(yùn)行成本包括電費(fèi)、折舊和攤銷等費(fèi)用，運(yùn)行成本估算見表1。

表1 紅外線電加熱方案運(yùn)行成本分析

3.2 礦井回風(fēng)空氣源熱泵供熱方案

礦井回風(fēng)溫度較低，經(jīng)乏風(fēng)取熱箱后進(jìn)入礦井回風(fēng)熱泵機(jī)組，礦井回風(fēng)熱泵利用此低溫?zé)嵩串a(chǎn)生55 ℃/45 ℃熱水，后通過板式換熱器產(chǎn)生50 ℃/40 ℃防凍液，進(jìn)入井口加熱室礦井加熱機(jī)組，與室外空氣交換熱量，將其加熱后送入井口房內(nèi)，再與室外空氣混合至2 ℃以上后送到井下。工藝流程如圖2所示。

回風(fēng)井通風(fēng)量為10 246 m3/min，排風(fēng)溫度10 ℃以上，相對濕度90%；按提取后乏風(fēng)溫度1 ℃、提取溫差9 ℃計算，可提取的熱量為3 648 kW，經(jīng)乏風(fēng)熱泵機(jī)組(能效比3.7)轉(zhuǎn)化后，可產(chǎn)生5 000 kW熱量，能夠滿足極端最低溫度(-21.9 ℃)選井筒防凍供熱負(fù)荷需求。

安裝5臺礦井回風(fēng)源熱泵，單臺制熱能力860 kW，取熱能力625 kW，最大功耗235 kW。單機(jī)配4臺乏風(fēng)取熱箱，每臺取熱箱取熱量156 kW，風(fēng)量30 738 m3/h，進(jìn)風(fēng)10 ℃/90%，出風(fēng)1 ℃/90%，共20臺。選用煤礦專用防凍型高效熱水盤管加熱機(jī)組4臺，單臺加熱量1 100 kW，風(fēng)量67 500 m3/h，進(jìn)風(fēng)溫度-21.9 ℃，出風(fēng)溫度20 ℃。選用2臺2.2 MW板式換熱器,2臺一次循環(huán)泵KQL200/300-37/4，1用1備；2臺二次循環(huán)泵KQL200/370-55/4，1用1備。風(fēng)井新增用電負(fù)荷設(shè)備14臺，設(shè)備安裝容量1 421 kW，選用2臺1 600 kVA廠變，1運(yùn)1備，2回6 kV電源引入。土建包括乏風(fēng)取熱室建筑、井口加熱室、設(shè)備基礎(chǔ)等。

該方案總投資1 445.92萬元，包括土建、設(shè)備、安裝、電源改造及其他費(fèi)用。運(yùn)行成本包括水電費(fèi)、工資、維修折舊和攤銷等費(fèi)用，運(yùn)行成本估算如表2所示。

表2 礦井回風(fēng)空氣源熱泵方案運(yùn)行成本分析

3.3 空氣源熱泵供熱方案

室外空氣溫度低，在空氣源熱泵機(jī)組中與水交換熱量，產(chǎn)生45 ℃/40 ℃熱水，熱水經(jīng)熱水型雙級礦井加熱機(jī)組將空氣加熱至20 ℃，期間空氣依次經(jīng)過風(fēng)機(jī)、空氣加熱器和電加熱器，進(jìn)入井口房，室外空氣與其混合至2 ℃以上送入井下。考慮到空氣源熱泵能效隨環(huán)境溫度影響大(環(huán)境空氣-15 ℃時，能效比2.5；-21.9 ℃時，能效比2.0)，裝機(jī)功率大，本方案以空氣源熱泵為基峰熱源，電輔助作為調(diào)峰熱源的供熱模式，根據(jù)工程經(jīng)驗電輔比例取30%。電加熱在室外環(huán)境溫度低于-15 ℃時開啟。工藝流程如圖3所示。

井筒防凍熱負(fù)荷4 250 kW，電加熱按30%、低溫空氣源熱泵按70%計算，熱泵承擔(dān)負(fù)荷2 975 kW，電加熱承擔(dān)負(fù)荷1 275 kW。安裝34套制熱量(7 ℃)138 kW的低溫空氣源熱泵，單臺功耗43.4 kW，-15 ℃工況下制熱量約為108 kW，-21.9 ℃工況下制熱量約87 kW，熱水溫度40 ℃/45 ℃，循環(huán)水流量24 t/h，水阻損失5 m H2O。設(shè)計選用煤礦專用防爆組合式新風(fēng)機(jī)組4臺，單臺供熱量1 100 kW(含電加熱319 kW)，加熱系統(tǒng)總供熱能力4 400 kW。一次循環(huán)泵KQL200/285-30/4(Z)，共3臺，2用1備。風(fēng)井新增用電負(fù)荷設(shè)備42臺，設(shè)備安裝容量2 924.8 kW，選用3臺1 600 kVA廠變，2運(yùn)1備，3回6 kV電源引入。

該方案總投資1 073.24萬元，包括土建、設(shè)備、安裝、電源改造及其他費(fèi)用。運(yùn)行成本主要包括水電費(fèi)、工資、維修折舊和攤銷等費(fèi)用，運(yùn)行成本估算如表3所示。

表3 空氣源熱泵方案運(yùn)行成本分析

續(xù)表

紅外線電加熱爐、礦井回風(fēng)空氣源熱泵和空氣源熱泵三種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比如表4所示。

表4 三種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

集中供熱比較穩(wěn)定可靠；回收空氣壓縮機(jī)和瓦斯電站余熱投資較省、同時節(jié)約能源、屬國家鼓勵項目；燃瓦斯氣鍋爐或瓦斯蓄熱氧化機(jī)組投資較少、運(yùn)行成本低、變廢為寶；變壓器容量富余、熱負(fù)荷不大、井筒防凍供熱方式為熱風(fēng)爐的風(fēng)井，可采用投資少、系統(tǒng)簡單、運(yùn)行可靠的紅外線電加熱爐方案；在變壓器容量有限、有礦井回風(fēng)和空閑場地的，可采用裝機(jī)容量少、節(jié)省電能的礦井回風(fēng)空氣源熱泵方案，無回風(fēng)資源則可采用空氣源熱泵+電加熱方案；陽光充足的地方太陽能可用于洗浴熱水供熱。

4 結(jié)語

通過上述比較，結(jié)合多個煤礦供熱改造方案，每個煤礦都不盡相同，應(yīng)針對各個煤礦供熱負(fù)荷大小、距離和供熱時間，核實(shí)不同供熱熱源大小、穩(wěn)定性，對供熱工況分析，方案擬定多種供熱方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定供熱方案，并對主要設(shè)備參數(shù)選型，與燃料、供水、供電、管線敷設(shè)、土建廠房及選址、環(huán)保排放等相關(guān)專業(yè)密切配合，優(yōu)化供熱方案，設(shè)計出清潔環(huán)保、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的供熱系統(tǒng)。