工礦企業余熱資源利用的探索與實踐

張娜，張彥禹，楊振瑞

(1.潞安職業技術學院，山西 長治 046204；2.山西常村大成節能有限責任公司，山西 長治 046204)

0 引言

工礦企業在生產生活過程中，建筑供暖、職工洗浴、衣服烘干等均需大量熱能，企業往往采用燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐等制熱系統，不僅建設及運行成本高，而且在大量能源消耗的同時污染物大量排放，污染環境。與此同時，企業生產過程中往往伴隨著大量的余熱資源，由于不被重視，全部被白白地浪費到大氣中，比如：空壓機余熱、瓦斯泵站余熱、主提升機余熱、礦井水余熱以及廠區空氣余熱等，充分利用會產生極大的社會和經濟效益。

1 常規制熱系統的弊端

傳統制熱系統為燃煤、燃氣、電鍋爐等，燃煤、燃氣鍋爐修建分別需要給煤機、引風機、鍋爐、純水系統、排煙系統、凈化系統、給水泵等，投資巨大；同時系統運行需要消耗大量煤炭、燃氣、電量、人工、配件等，導致運行成本較高，企業負擔較重；燃煤、燃氣的使用會導致大量氮氧化合物及硫化物產生，同時二氧化碳的排放導致溫室效應加劇[1]。電鍋爐使用首要條件就是電負荷滿足，往往因電負荷不足導致建設成本上升；其次電鍋爐運行消耗大量電能，運行成本較高；加之電鍋爐本身運行安全問題不容忽視。

2 工礦企業綜合余熱利用背景

國內，工礦企業節能環保行動相對較遲，近年來，隨著國家不斷對鍋爐淘汰政策的落實，各企業對如何利用新能源解決環保問題成了一個發展的必然之路。以空壓機余熱、電機余熱、礦井水余熱、瓦斯泵站水環真空泵余熱等為代表的余熱資源被不斷挖掘利用，技術革新也不斷進步，通過獲取余熱資源滿足企業洗浴、供暖乃至衣服烘干等生產所需。但大部分研究領域單一，主要以自有產品和自有技術為主，未形成余熱資源全覆蓋的提取利用規模；市場多采用賣設備、做工程的合作模式，系統節能效益的保障和持久性較差。放眼世界，余熱資源的充分利用體現的更為直觀，土壤富含的熱能、生活污水富含的熱能、空氣富含的熱能等，多角度多方面進行余熱深挖，通過熱泵技術、熱管技術、有機朗肯技術等將以往忽略的熱能全部利用，真正實現可持續發展[2]。工礦企業目前對綜合余熱利用方面的研究還不完善，本項目的研究以此為背景，結合國內現有技術基礎，通過對綜合余熱資源系統提熱、換熱、供熱的研究，利用電控自動化、5G大數據物聯網等技術實現無人值守智能化運行，達到了較好的環境和經濟效益。

3 工礦企業綜合余熱利用實踐研究

3.1 企業余熱資源分析

通過對余熱現場情況進行調研，空壓機在運行過程中產生的高溫油通過冷卻風扇將熱量釋放到大氣中，通過余熱回收裝置可將油中熱能提取利用；瓦斯抽采使用水環真空泵在運行過程中需要水形成真空，水由于壓縮及泵體自身發熱等因素導致溫度上升，常依靠冷卻塔降溫，以保證系統正常運行，礦井水經提升泵升井后，通過沉淀、反洗等工藝，達到地表三類水后外排，四季溫度均勻維持在13 ℃左右，可通過熱泵技術提取熱能來補充熱源；瓦斯發電機組運行過程中會產生60 ℃的高溫缸套水和400～500 ℃的高溫煙氣，故通過專用換熱設備提取其熱能。

同時，根據對余熱資源的提取利用進行了綜合分析，將余熱資源劃分為三個階梯，具體如下：

第一階梯：余熱資源量大、品質高、易回收。以空壓機余熱、瓦斯發電機缸套及煙氣余熱為例；第二階梯：余熱資源量大、品質不高，需專業技術進行回收利用。以礦井水、空氣余熱為例；第三階梯：余熱資源量較低、品質不高，需專業技術進行回收利用。以瓦斯泵站余熱、土壤層余熱為例。針對不同類別的余熱資源，結合實際情況，在不影響設備正常生產的前提下，通過熱能守恒定律對設備進行了余熱改造，實現企業全年職工洗浴熱水、冬季建筑供暖及井筒保溫，既滿足了生產需要，又充分利用了余熱資源，達到余熱綜合利用和節能降耗的目標。

3.2 企業用熱情況分析

工礦區常靠燃煤鍋爐或燃氣鍋爐供職工洗浴、供暖等，用熱負荷大，品質要求高，運行成本高。經測算，某礦井進風量為15 000 m3/min的井筒，按照最低溫度零下18 ℃考慮，則井口冬季防凍所需的熱負荷最高為6 500 kW[3]。辦公區域總供暖面積按照15 000 m2計算，工業供暖熱負荷指標80 W/m2計算，總計需(15 000×80)/1 000=1 200 kW熱負荷。澡堂日需洗浴用水為30 m3，按照產水時間10 h，熱負荷為100 kW。綜上，總需熱負荷為7 800 kW。

3.3 余熱綜合利用技術

通過設計余熱資源提取方案，將不同區域熱能進行綜合利用，重點解決熱量配置與企業需求相匹配的問題，并實現產供熱智能化運行，主要設備與回收熱能測算如表1、表2所示。

表1 主要設備與技術列表

表2 回收熱能測算

3.4 取得的經濟效益

余熱綜合利用，預計一年可節省燃煤燃氣鍋爐、電鍋爐等運轉費用、折舊費用、檢修費用及配件費用等，共計370余萬元。減少礦區燃氣使用量每年至少120萬立方米，年節約標煤2 500 t，減排二氧化碳6 500 t。

4 本項目的先進性總結

本項目的研究主題為余熱綜合利用，以節能降耗為宗旨，對能源進行二次利用，余熱綜合利用根據冷熱交換的原理，將空壓機運行中的高溫熱油，礦井水以及瓦斯泵站余熱、瓦斯發電機組煙氣及缸套水收集利用起來，將水加熱至預設溫度，供給職工洗浴及供暖。通過對余熱資源的綜合分析，掌握了針對不同余熱提熱、換熱、利用的技術，獲得了包含智能識別優先用水裝置、熱水出水裝置、熱能回收高效節能循環保溫系統、雙保險水位控制保溫水箱、螺桿式空氣壓縮機熱能回收利用節能系統等多項專利成果。

4.1 煙氣回收母管分支互鎖設計

將多臺瓦斯發電機組的煙道匯總至母管，母管采用兩路三通閥設計，一路直排大氣，一路輸送至余熱回收裝置，兩路均安裝電動執行閥，通往余熱回收裝置的電動執行閥與引風機自鎖，實現了系統運行時直排大氣的電動閥關閉，引風機及所配套的電動閥打開；系統停止時，引風機及所配套的電動閥關閉，直排大氣的電動閥打開，煙氣直排大氣中。

4.2 空壓機余熱回收裝置溫控調節技術

在余熱回收裝置內安裝溫控閥，在空壓機冷啟動時，油路經溫控閥回到機組，增加回油速率，減少軸承磨損；在油溫上升到設置溫度時，溫控閥芯打開，高溫潤滑油經余熱回收機組充分提熱后回到空壓機，保證空壓機的運行溫度。

4.3 礦井水高效取熱技術

利用引水管從沉淀池母管和蓄水池處分別取水至熱泵系統，一方面保證系統的穩定運行，同時增加了余熱的提取效率。

4.4 多品位熱源定向利用技術

將中品位的熱源經換熱后供洗浴和建筑供暖，將高品位的熱源換熱后供井筒保溫，將低品位的熱源作為建筑供暖回水補熱系統或通過熱泵技術將低品位熱源提升至中品位，供洗浴或建筑供暖。

4.5 低品位熱源井筒保溫技術

采用冷熱風環形配比設計，在井口四周均勻布置熱風機，使熱風與冷風充分配比后，以旋流式吸入井口，保證井筒四周溫度均勻。

4.6 無人值守智能化運行系統

采用PLC智能化控制系統，將系統中所有的水泵、電動閥做聯控設計，在所有的供回水管路均加裝溫度、壓力等監測點，根據客戶的使用情況，定制化設計，實現系統的智能化運行。

5 展望

該項目建成后可以大幅度降低工礦企業自用煤消耗量、燃氣消耗量、高昂的電費及其他費用，減少空氣污染，同時降低瓦斯發電機組、瓦斯泵、空壓機等機點設備運行溫度，保障設備正常運轉，主要技術也達到國內先進水平，將持續在企業中進行應用推廣。