礦區(qū)工業(yè)余熱綜合利用研究與應(yīng)用范文
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1實(shí)施余熱利用的必要性
鶴煤公司于2016年完成了44臺(tái)燃煤鍋爐拆除和20臺(tái)燃?xì)忮仩t安裝工作，在運(yùn)行過(guò)程中主要存在以下缺點(diǎn)：（1）運(yùn)行費(fèi)用高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，燃?xì)忮仩t每年需要消耗1435．5萬(wàn)m3天然氣，按照2．74元／m3，每年需耗費(fèi)3000多萬(wàn)元。（2）氣源不穩(wěn)定。天然氣鍋爐易受氣源影響，一旦天然氣供應(yīng)不足，鍋爐無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響礦井供暖。如2017年底，全國(guó)出現(xiàn)“氣荒”，導(dǎo)致各礦天然氣不足，嚴(yán)重影響職工取暖和井口供暖。綜上所述，燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用高，受氣源不穩(wěn)定影響大；通過(guò)對(duì)各礦可利用工業(yè)余熱熱源詳細(xì)分析，均具備余熱利用的條件，且礦井余熱資源綜合利用運(yùn)行費(fèi)用低，投資回收期短，一次投資、終身受益。鑒于此，降低企業(yè)用熱成本，充分利用礦井余熱資源，為職工洗浴用水、冬季井筒供暖和辦公采暖提供保障，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，決定對(duì)鶴煤公司本部礦井三礦、中泰、六礦、八礦、九礦、十礦實(shí)施工業(yè)余熱綜合利用。
2余熱利用技術(shù)簡(jiǎn)介
礦井工業(yè)余熱綜合利用技術(shù)主要有3種，分別為：空壓機(jī)余熱回收技術(shù)、瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱回收利用和礦井水低焓余熱水源熱泵回收利用技術(shù)。2.1空壓機(jī)余熱回收技術(shù)。空壓機(jī)工作時(shí)，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能又轉(zhuǎn)化為風(fēng)能；在機(jī)械能轉(zhuǎn)換為風(fēng)能過(guò)程中，油氣混合物得到強(qiáng)烈的壓縮，溫度大幅升高。高溫的油氣混合物經(jīng)過(guò)油氣分離器分離，再通過(guò)油冷卻器和風(fēng)冷卻器冷卻，熱量被冷卻水或冷卻風(fēng)吸收［1］。通過(guò)高效換熱裝置，高溫的油和空氣分別進(jìn)入換熱器油循環(huán)和空氣循環(huán)回路，將熱量置換到二次側(cè)循環(huán)水中（通常油溫可降至60～80℃，空氣溫度降低至25℃），可獲得大量的熱水，用于洗浴和井筒保溫。該技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)余熱回收，而且能夠保證空壓機(jī)的穩(wěn)定連續(xù)工作。2.2瓦斯發(fā)電煙氣余熱回收技術(shù)。瓦斯發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，高溫燃燒的瓦斯氣體排出煙氣通常在550℃左右，且該熱量較為穩(wěn)定，因此可以通過(guò)在瓦斯發(fā)電機(jī)組排煙管處布置1臺(tái)高效復(fù)合煙氣余熱回收器，將瓦斯發(fā)電機(jī)組所排放高溫?zé)煔鉄崃恐脫Q到二次側(cè)循環(huán)水中，水受熱升溫，通常溫度可達(dá)到80～90℃［2］。2.3礦井水低焓余熱水源熱泵回收利用技術(shù)。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，伴生的還有礦井水，需排出地面以確保礦井安全生產(chǎn)，礦井水通常位于較深的地層中，溫度與地溫相近，其水溫相對(duì)恒定，因此大量的地溫礦井水也可以通過(guò)一定的技術(shù)，將熱量提取出來(lái)。水源熱泵技術(shù)是將以水為載體的低焓熱能通過(guò)少量的電能輸入，將低焓熱能提取并置換到二次側(cè)循環(huán)中，轉(zhuǎn)換為可以直接利用的熱能［3］。深井水和礦井排水的水溫一般比當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁馗?～2℃（鶴壁市平均氣溫為14．2℃），水溫約為16℃，基本保持恒溫，對(duì)熱泵穩(wěn)定運(yùn)行十分有利。100t／h水利用5℃溫差作為熱泵低位熱源，可提供約700kW的熱量。
3余熱利用方案實(shí)例
因篇幅有限，選取具有典型代表性的九礦新副井，對(duì)余熱利用方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施為案例進(jìn)行介紹。3.1九礦新副井可利用熱源分析。新副井工業(yè)場(chǎng)地可利用的熱源有瓦斯發(fā)電煙氣及冷卻水、瓦斯抽放泵站冷卻水、空壓機(jī)余熱、礦井排水、礦井排風(fēng)。九礦新副井安裝有3臺(tái)600kW瓦斯發(fā)電機(jī)，正常運(yùn)行2臺(tái)，1臺(tái)備用。空壓機(jī)房安裝有4臺(tái)空壓機(jī)：2臺(tái)DLG200（250kW）型空壓機(jī)、1臺(tái)LGD315／077AN（315kW）型空壓機(jī)、1臺(tái)SA350W86K（350kW）型空壓機(jī)。正常運(yùn)行1臺(tái)315kW或1臺(tái)350kW空壓機(jī)，每天運(yùn)行24h，250kW空壓機(jī)每天運(yùn)行6h。新副井瓦斯抽放泵房安裝有4臺(tái)瓦斯抽放泵：2臺(tái)2BEC52型水環(huán)真空泵（250kW），2臺(tái)2BEC62型水環(huán)真空泵（355kW）。正常運(yùn)行250kW和355kW瓦斯抽放泵各1臺(tái)。新井總排水量3000m3／d。九礦新副井熱平衡見(jiàn)表1。3.2九礦新副井余熱利用方案。新副井工業(yè)場(chǎng)地余熱綜合利用總體方案：采用礦井水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電機(jī)組、瓦斯抽放泵站冷卻水余熱綜合利用。（1）空壓機(jī)余熱利用方案。每臺(tái)空壓機(jī)獨(dú)立配置油氣雙回收洗浴水加熱器，與空壓機(jī)油氣分離器后側(cè)的油管和氣管分別連接（原冷卻系統(tǒng)自動(dòng)控制切換投運(yùn)），共用循環(huán)加熱泵組和儲(chǔ)備水箱。配套根據(jù)回流油溫度自動(dòng)控制加熱泵組工作的自控系統(tǒng)，保證空壓機(jī)平穩(wěn)工作［4］。（2）瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用方案。每臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組的煙氣排出管安裝高效復(fù)合煙氣余熱回收器，安裝在每臺(tái)瓦斯發(fā)電機(jī)組的煙氣排出管（阻力不得影響機(jī)組的正常工作），采用SUS304以上材質(zhì)的板式水水換熱器間接生產(chǎn)洗浴水。高溫循環(huán)采用軟化水，加熱側(cè)采用開(kāi)式系統(tǒng)。（3）礦井水余熱回收余熱利用方案。采用水源熱泵技術(shù)從礦井水處理站清水池將低位熱焓提升為可直接利用的高位熱量，采用開(kāi)式循環(huán)加熱的方式進(jìn)行洗浴水加熱［5］。（4）瓦斯抽放泵站冷卻水余熱利用。采用湍流螺旋管管殼式換熱器，將冷卻水中的熱能回收利用，實(shí)現(xiàn)供暖。
4各礦井余熱利用方案
（1）三礦新副井。可利用熱源為礦井排水、瓦斯發(fā)電、空壓機(jī)，采用礦井水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電余熱綜合利用。（2）中泰礦業(yè)。可利用熱源為礦井排水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電，采用礦井水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電余熱綜合利用。（3）六礦。可利用熱源為礦井排水、空壓機(jī)，采用礦井水、空壓機(jī)余熱綜合利用。八礦工業(yè)廣場(chǎng)：工業(yè)廣場(chǎng)無(wú)可利用余熱，未進(jìn)行余熱利用。（4）八礦新副井。可利用余熱為礦井排水、空壓機(jī)，采用礦井水余熱利用。（5）九礦老工業(yè)場(chǎng)地。可利用余熱為礦井排水，采用礦井水余熱利用。（6）九礦新副井。可利用熱源為礦井排水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電，采用礦井水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電余熱綜合利用。（7）十礦。可利用熱源為空壓機(jī)，采用空壓機(jī)余熱利用。
5余熱利用運(yùn)行效果
鶴壁礦區(qū)工業(yè)余熱綜合利用工程實(shí)施2年多來(lái)，基本實(shí)現(xiàn)了擔(dān)負(fù)全年制取洗浴熱水負(fù)荷，采暖季運(yùn)行燃?xì)忮仩t提供采暖和井筒保溫負(fù)荷，在非采暖季停運(yùn)燃?xì)忮仩t，只運(yùn)行余熱綜合利用系統(tǒng)；九礦還實(shí)現(xiàn)了夏季通過(guò)水源熱泵機(jī)組制冷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空調(diào)制冷。工業(yè)余熱綜合利用工程極大地優(yōu)化了礦區(qū)供熱結(jié)構(gòu)，減少了礦井天然氣用量，降低了礦井供熱運(yùn)行費(fèi)用，減少了二氧化硫和粉塵等污染物排放，改善了職工工作、生活環(huán)境，達(dá)到了預(yù)期的運(yùn)行使用效果。
6經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析
鶴壁礦區(qū)余熱綜合利用項(xiàng)目與現(xiàn)有燃?xì)忮仩t相比較，大大降低礦井天然氣用量，最大限度減少了冬季天然氣供應(yīng)不足對(duì)礦井安全生產(chǎn)的制約。余熱利用工程全部竣工、投運(yùn)后，全年共計(jì)節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約1330．6萬(wàn)元，項(xiàng)目總投資共計(jì)約1894．43萬(wàn)元，各礦投資回收期為0．8～2年，總體投資回收期1．42年，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。余熱綜合利用與現(xiàn)有燃?xì)忮仩t年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表2。余熱綜合利用工程投運(yùn)后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤15834t；相應(yīng)地每年CO2排放量減少411684t，SO2排放量減少31668t，NOx排放量減少11717t，粉塵排放量減少17417t。環(huán)保效益特別顯著，改善了職工生存環(huán)境，為國(guó)家倡導(dǎo)煤炭企業(yè)綠色環(huán)保貢獻(xiàn)了力量。
7結(jié)論
鶴壁礦區(qū)從2015年下半年開(kāi)始，對(duì)整個(gè)礦區(qū)的余熱資源進(jìn)行了調(diào)查、分析，提出了礦區(qū)余熱資源利用的總體規(guī)劃。2016年開(kāi)始實(shí)施，由鶴煤公司機(jī)電部牽頭，組織設(shè)計(jì)處、九礦等單位提出了具體實(shí)施方案，在沒(méi)有外部技術(shù)支持的情況下獨(dú)立完成了具體的工程設(shè)計(jì)，一期工程、二期工程分別于2016年底和2018年10月投入運(yùn)行。余熱綜合利用系統(tǒng)投入使用后，礦井工業(yè)場(chǎng)地的采暖、洗浴及井筒保溫，優(yōu)先使用工業(yè)余熱，不足部分則使用燃?xì)忮仩t作為補(bǔ)充。余熱綜合利用工程投運(yùn)2年多來(lái)經(jīng)驗(yàn)表明，研究利用各種可再生能源、余熱資源，是提高煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必由之路。（1）對(duì)礦區(qū)空壓機(jī)油煙余熱、瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱、礦井水余熱進(jìn)行綜合利用，可有效取代燃?xì)忮仩t，節(jié)約了天然氣資源，有效緩解了天然氣緊張狀況，保證了井筒供暖和職工取暖，效果顯著。（2）煤礦煙氣余熱運(yùn)用余熱鍋爐產(chǎn)生熱水，冬季用于供暖和制備洗浴用水，夏季用于制冷（辦公室空調(diào)制冷）和制備洗浴用水，工程的利用率高。（3）對(duì)鶴壁礦區(qū)的可利用余熱資源進(jìn)行了調(diào)查，提出的總體利用規(guī)劃符合鶴煤實(shí)際情況，制定的技術(shù)路線正確，方案合理、可行。（4）煤礦余熱實(shí)現(xiàn)回收利用的關(guān)鍵在于定位煙氣余熱的品位，找出高效、節(jié)能的利用方式。本項(xiàng)目在前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)礦井水余熱、瓦斯發(fā)電煙氣余熱和壓風(fēng)機(jī)余熱等的回收利用技術(shù)和途徑進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了多種余熱的綜合利用，取得了有實(shí)際利用價(jià)值的成果，為鶴壁礦區(qū)乃至河南能源化工集團(tuán)公司各礦井提供了一整套可資借鑒的煤礦余熱綜合利用的經(jīng)驗(yàn)。但是由于時(shí)間和資金等因素的限制，還有諸多方面有待深入研究：①本項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)瓦斯發(fā)電煙氣余熱、壓風(fēng)機(jī)余熱等高品位余熱資源的回收利用進(jìn)行了研究，而對(duì)生活廢水、洗浴廢水等余熱資源尚未實(shí)現(xiàn)有效利用，有待進(jìn)一步研究利用。②煤礦實(shí)現(xiàn)多種余熱資源的綜合利用后，目前尚處于分散運(yùn)行、人工操作的狀態(tài)。因此，研究實(shí)現(xiàn)多種余熱利用系統(tǒng)的集中控制或自動(dòng)控制，將會(huì)是未來(lái)煤礦余熱利用的趨勢(shì)，也必將更有助于提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
作者:黃濤 單位:鶴壁煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司