潔能改造技術在礦山工業廣場供熱的應用

楊東蕻

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業有限公司，山西 忻州 036000）

為了減少礦山燃煤鍋爐對環境的影響，計劃淘汰燃煤鍋爐，采用清潔能源供熱技術服務于礦山日常生產活動迫在眉睫[1-3]。北辛窯煤業有限公司積極響應國家對于環境保護新要求，采用清潔能源改造技術，代替傳統的“燃煤粉”技術，有效實現了礦山工業廣場井筒避寒和建筑保暖[4-6]。

1 項目概況

北辛窯煤業位于山西省忻州市寧武縣，設計生產能力4 Mt/a，服務年限54 a。礦井工業廣場設有三臺20 t/h 煤粉鍋爐，對工業廣場辦公樓、工業建筑、井口防凍、生活熱水等進行供熱。礦井井筒（含主、副斜井、進風立井三個進風點）進風量共計15 265 m3/min，回風量平均為15 623 m3/min，礦井水平均排量10 000 m3/d。空壓機房內使用2 臺空壓機，制氮機房內使用4 臺空壓機，洗浴、生活用熱水300～500 m3/d。根據煤礦余熱資源及配電負荷剩余情況，采用直冷式深焓取熱乏風熱泵技術聯合涌水源熱泵技術進行工業場地井筒防凍供熱，采用空壓機余熱回收技術進行工業場地洗浴供熱，工業場地建筑采暖部分由天然氣鍋爐進行補充。

2 礦井熱負荷需求計算

1）井筒防凍熱負荷

礦井工業廣場進井筒分別為主斜井、副斜井和進風立井。冬季極端最低平均溫度為-28 ℃，入井混合溫度為2 ℃，井筒防凍熱負荷計算如式（1）。

式中：Q為熱負荷，kW；a為富裕系數，取1.1；Gr為礦井進風量，m3/s ；V為空氣密度，取1.13 kg/m3；C為空氣比熱容，kJ/（kg·℃），取1.01；t為冬季室外最低平均溫度，取t=-28 ℃。

主斜井進風量為3200 m3/min，副斜井進風量為5081 m3/min，進風立井進風量為6984 m3/min。經計算可得：主斜井井筒防凍熱負荷2 007.4 kW，副斜井井筒防凍3 190.1 kW，進風立井井筒防凍4 383.9 kW。

2）生活熱水熱負荷

全礦生活用水最大量為500 m3/d，場區自來水平均溫度按12 ℃計算，生活熱水按45 ℃計算，生活用熱水熱負荷計算如公式（2）。

式中：C為水的比熱，4.2 kJ/（kg·℃）；M為每日用水總量，kg；△T為水溫差，℃。

可得Q=69.3 GJ。熱量為802.1 kW。工業廣場熱負荷匯總表見表1。

表1 工業廣場熱負荷匯總表

3 礦井可利用低溫熱源分析

1）洗浴廢水低溫熱源

職工澡堂最大用水量為500 m3/d。在浴池集中排放廢水過程，洗浴廢水排水溫度按35 ℃考慮，通過換熱器后溫度為15 ℃。洗浴廢水可提供的熱量Q1=C×M×△T=486.1 kW，洗浴廢水再通過熱泵機組，排放溫度為4 ℃，洗浴廢水可提供的熱量為Q2=C×M×△T=267.4 kW，熱泵機組可提供熱負荷為Q3=343.8 kW。洗浴廢水低溫熱源提供總熱量為Q廢水=Q1+Q2+Q3=829.9 kW。

2）礦井回風低溫熱源

回風井的總回風量為15 623 m3/min，冬季回風溫度相對恒定為7～8 ℃，相對濕度為80%，采用雙級提熱技術，一級提熱后溫度按2 ℃，二級提熱后溫度按-4 ℃。一級換熱可提取的熱量為：

二級換熱可提取的熱量為：

式中：Lh為風井回風量，260.4 m3/s；ρ為回風空氣密度，1.13 kg/m3；H為回風熱回收前焓值，風溫8 ℃，相對濕度80%，焓值為23.4 kJ/kg；H1為回風一級熱回收后焓值，風溫2 ℃，相對濕度100%，焓值14.5 kJ/kg；H2為回風二級熱回收后焓值，風溫-4 ℃，焓值3.3 kJ/kg。

代入數值計算可得：一級換熱可提取的熱量Q1=2 618.8 kW，二級換熱可提取的熱量Q2=3 295.6 kW。采用乏風源熱泵機組回收礦井回風二級換熱量，熱泵機組能效比按2.7 計算，則熱泵系統可提供熱負荷為5 234.2 kW。

3）礦井水低溫熱源

礦井水平均排水量為10 000 m3/d，排水溫度為9～10 ℃，通過熱泵后溫度為4 ℃，礦井水可提供的熱量為：Q=C×M×△T=2 430.6 kW。采用礦井水源熱泵機組回收礦井水余熱，熱泵機組能效比按3.2計算，則系統可提供熱負荷為3 535.4 kW。

4）空壓機、制氮機低溫熱源

余熱利用裝置充分利用了空壓機高溫油氣中的熱能。在壓縮空氣站內設4 臺WL-280H 型余熱利用裝置，與空壓機1 對1 配置，則空壓機可提供熱負荷為：280×2×0.7=392 kW。在制氮機房內設4臺WL-250H 型余熱利用裝置，與空壓機1 對1 配置，則空壓機可提供熱負荷為：250×4×0.7=700 kW。

低溫熱源匯總見表2。工業廣場采暖季最大熱負荷為38 729 kW，現有低溫熱源有礦井水余熱、礦井回風余熱、洗浴廢水余熱、空壓機和制氮機余熱，可充分利用所有低溫熱源，可提供的最大熱負荷為13 310.3 kW。礦井工業廣場非采暖季只有生活熱水熱負荷802.1 kW，為了最大限度節省運行費用，非采暖季使用空壓機余熱和制氮機余熱可提供的熱負荷為1092 kW，滿足熱負荷需求，運行費用大大降低。

表2 低溫熱源匯總表

4 工業廣場清潔能源供熱技術供熱改造

4.1 熱源與熱負荷

1）洗浴廢水余熱利用系統

洗浴廢水余熱全部用來加熱生活熱水，采暖季運行，洗浴廢水余熱可提供熱負荷為829.9 kW，生活熱水所需熱負荷為802.1 kW，滿足使用要求。

2）礦井水+礦井回風+空壓機+制氮機余熱利用系統

空壓機余熱可提供熱負荷為392 kW，制氮機余熱供熱量為700 kW，礦井水余熱利用熱泵系統可提供熱量為3 535.4 kW，礦井回風一級換熱量為2 618.8 kW，礦井回風二級換熱泵系統可提供熱量為5 234.2 kW，礦井回風距離進風立井很近，一級換熱量2 618.8 kW 全部用來預熱進風立井進風，而進風立井總熱負荷為4 383.9 kW，需要補充熱量為1 765.1 kW，因此空壓機+制氮機+礦井水+礦井回風熱泵系統剩余熱量為8 096.5 kW，用于解決回風井附近建筑物采暖。

3）燃氣鍋爐系統

建筑采暖及主、副斜井井筒防凍熱負荷為33 543 kW，“空壓機+制氮機+礦井水+礦井回風熱泵系統”，采暖供熱缺口25 446.5 kW，采用燃氣鍋爐系統。同時燃氣鍋爐向熱泵機房板式換熱器引一趟分支管路，作為熱泵系統備用熱源。熱源與熱負荷對應關系見表3。

表3 熱源與熱負荷對應關系

4.2 經濟性分析

本項目通過空壓機、制氮機余熱利用系統、礦井水余熱利用系統、洗浴廢水余熱利用系統、礦井回風余熱利用系統和燃氣鍋爐技術，解決北辛窯煤礦工業廣場建筑采暖、井筒防凍、生活熱水問題，實現綠色能源回收利用、節能減排的目標。

（1）環保效益。項目實施后將實現廢熱回收，變廢為寶，符合國家循環經濟、節能減排等產業政策和山西省委省政府轉型發展的總體要求。每年節約煤炭783.5 t，減排二氧化碳2 037.2 t，減排二氧化硫15.7 t，減排氮氧化物7.8 t。

（2）經濟效益。項目實施后年運行費用為3 029.05 萬元，較煤粉鍋爐運行費用低。

（3）社會效益。項目實施后將實現污染物零排放的目標，為山西省碧水藍天的奮斗目標做出貢獻。

5 結語

本項目通過空壓機、制氮機余熱利用系統、礦井水余熱利用系統、洗浴廢水余熱利用系統、礦井回風余熱利用系統和燃氣鍋爐技術，解決北辛窯煤礦工業廣場建筑采暖、井筒防凍、生活熱水問題，實現綠色能源回收利用、節能減排的目標，切實解決實際問題，環保效益突出、經濟效益可觀、社會效益顯著。