張家峁煤礦礦井水余熱利用分析與方案設計

孟海強，王 慧

(陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西神木 719300)

0 引言

陜煤集團張家峁煤礦位于陜西省神木市北部，由陜煤韓城礦業公司和神木縣國有資產運營公司共同出資組建的大型國有股份制企業。礦井井田面積51．98 km2，地質儲量 8．65 億 t，采掘均采用國際、國內先進設備，機械化程度達到100%。設計生產能力600萬t/a，2009年5月礦井試生產成功，2012礦井生產能力核定為1 000萬t/a。目前連續多年均突破了1 000萬t原煤生產。該礦井屬于水文地質條件復雜礦井，水害威脅嚴重。目前，該礦正常涌水量約500 m3/h。礦井涌水量大是“害”，但合理利用就能變成“寶”。近年來，隨著國家不斷加大生態環境保護治理力度，加快解決燃煤污染問題，通過余熱利用，大幅減少、逐步取締燃煤鍋爐已是大勢所趨。

1 改造背景

張家峁煤礦礦區工業場地已經建成一座鍋爐房，內有1臺35 t/h和2臺20 t/h煤粉鍋爐，主要承擔采暖和提供熱水的任務。

張家峁煤礦廠區內熱水用水點包括1號公寓樓、2號公寓樓、新浴室、老浴室、食堂、招待所等。在非采暖期，仍然需間斷運行1臺20 t/h鍋爐產蒸汽加熱熱水，再由鍋爐房熱水供水泵集中供應各用水點熱水箱或直接使用。在采暖期內，該套鍋爐連續運行，除供應熱水外，還與其他鍋爐產蒸汽一起供應廠區采暖使用。

目前，尤其是非采暖期內運行模式中主要存在以下缺點:①非采暖期鍋爐處在不連續低負荷運行模式，鍋爐運行效率低下;②不連續運行環保材料單耗偏高，且必須滿足嚴格的環保要求;③鍋爐系統工段多(包括配電、鍋爐、化水、環保、輔機等)，尤其是在非采暖期單位熱水量運行、管理成本偏高。

通過對張家峁煤礦的礦井水熱源進行分析、清潔改造，實現供應熱水取代非采暖期間斷運行的鍋爐，達到降低運行、管理成本，并能達到清潔供熱的目的。同時該套清潔供熱系統也能夠在采暖期部分時間段為系統提供熱水，降低采暖期鍋爐運行成本。

2 清潔供熱思路及基礎數據

2．1 設計總體依據

以張家峁現有供熱系統及目前運行成本統計為基礎，依據對現場管網流程的了解、各時段用水量統計分析及廠區可利用熱源條件，設定參數滿足改造后系統高效運行要求。以對系統改動最小為原則，改造過程中盡量不影響系統正常使用;尊重系統運行實際情況及國家有關規范;遵守清潔供熱技術功能要求。

2．2 達到的功能目標

熱水供應系統通過清潔改造，應達到:①在非采暖季節能夠停運現有間斷運行的煤粉鍋爐，全部運用清潔能源供應熱水方式;②綜合運用熱泵、太陽能清潔供熱技術，做到非采暖期內煤零消耗(基本保證每年7～8個月)，消除環保壓力;③降低運行能耗及管理成本;④系統運行可靠，改造后系統模式與現有模式能夠通過閥門容易切換，不影響原有系統可靠性及安全性;⑤具有與現有 DCS系統對接功能。

2．3 目前熱水系統運行數據統計

為了增加系統統計數據準確性及分析可靠性，對系統鍋爐房補水、新浴室熱水供水、新浴室冷水補水、老浴室熱水供水、老浴室冷水補水、浴室回水安裝了水表，并連續6天對用水情況進行水量計量。

統計期間天氣及總體運行數據:統計結果見表1。

表1 天氣溫度及熱水供應量

時段水量不平衡統計:①新浴室平均每天75．1 m3，最高每天 75．3 m3，2 h 時段最高 19．2 m3、14．4 m3;②老浴室平均每天 55．85 m3，最高每天 56．8 m3，2 h 時段最高 14．7 m3、14．9 m3;③浴室合計平均每天 127．75 m3，最高每天 130．75 m3，2 h 時段最高 25．5 m3、24．55 m3;④其他(間接計量)平均每天322．8 m3，最高每天 371．65 m3，2 h 時段最高 75.3 m3、47．9 m3;⑤總供水平均每天 450．55 m3，最高每天496．4 m3，如圖 1 所示。

圖1 浴室總的熱水供應量

3 清潔供熱方案

3．1 供水指標

目前情況:供熱水溫度—初始冷水水溫15℃、供熱水溫度70℃;供熱水量—浴室供熱水量130 t/d、生活用水量370 t/d，合計耗熱水量500 t/d。

設計指標:為了提高清潔供熱系統設備運行效率，清潔改造后按照50℃(最高55℃)熱水供應溫度設計及運行，可滿足正常熱水使用要求。現70℃熱水折合供水溫度為50℃時設計水量，則浴室熱水量204 t/d、生活用水量581 t/d，合計水量785 t/d。

3．2 供熱量設計

非采暖期內，按照熱水供水量785 t/d，其鍋爐房熱水箱冷水補水溫度15℃、供熱水溫度50℃，全天合計供熱量:785×4．18×(50－15)÷1 000=115 GJ。

平均每小時供熱量:115÷24=4．79 GJ/h，平均每小時熱量折合1 331 kW。

3．3 熱源選擇

為了使系統能夠常年連續運行，結合張家峁煤礦廠區實際情況，各清潔供熱熱源見表2。

表2 熱源一覽表

根據以上比較可得，采用水源熱泵搭配適當的太陽能集熱系統，能夠穩定、低成本地運行。

3．4 水源熱泵

根據張家峁煤礦實際情況，礦井正常有170 t/h(折合每天4 080 t)涌水量通過井下水泵輸送至礦井水處理站，生活污水正常有41 t/h(折合每天1 000 t)進入生活污水處理站進行處理，處理后水質較清潔，可以達標排放，非采暖期內其可利用溫度約15℃以上，可通過水源熱泵提取該部分水體中的熱量，提供清潔熱水供應張家峁廠區內各區域使用。

凈化后水按照通過回收其熱量，使溫度降至7℃(回收8℃溫差熱量)計算，每天可提取水體熱量為:(4 080+1 000)×4．18×(15－7)÷1 000=167．2 GJ＞115 GJ。

可提熱量遠大于熱水總需熱量115 GJ，完全滿足生活、洗浴用熱水，使非采暖期內無需運行燃煤鍋爐。

為了提高熱泵運行效率，滿足正常熱水使用要求，經優化設計，專業定制。水源熱泵參數見表3。

表3 水源熱泵參數

3．5 太陽能集熱系統

為了進一步減少能源消耗，根據廠區內現有條件，可在1號、2號公寓樓頂分別布置200 m2(合計400 m2)的太陽能集熱器，集熱作為供熱系統補充，達到更節能、環保的目的。真空管規格Ф58 mm×1 800 mm，進水溫度15℃、出水溫度50℃，每棟公寓樓可產熱水量9．4 t/d。

3．6 系統主要設備

清潔供熱水系統主要設備材料明細見表4。

3．7 供熱系統流程

熱泵系統:鍋爐房水箱熱水通過熱水泵輸送至水源熱泵冷凝器升溫后回至熱水箱。礦井水經處理后輸送至消防水池的水，通過消防水池循環泵將水輸送至熱泵蒸發器，降溫后返回至消防水池。生活水經處理后輸送至消毒水池的水，通過清潔水消毒池循環泵將水輸送至熱泵蒸發器，降溫后返回至消毒水池。

表4 主要設備材料明細表

太陽能供熱系統:自來水補入緩沖水箱，經給水泵輸送至太陽能集熱器，經溫度控制升溫至50℃輸送至相應的熱水箱。

熱水供水系統:仍然通過現有的熱水給水泵輸送至原來熱水管網，運行模式不變。

系統流程圖:清潔供熱系統流程如圖2所示。

圖2 清潔供熱系統流程圖

3．8 平面布置圖

主設備房布置于鍋爐房側，內置主設備、清潔熱水循環泵、控制系統等;消防水池循環泵、消毒水池循環泵及控制柜布置于各水池側，如圖3所示。

圖3 設備平面布置圖

4 成本及效益

4．1 運行成本

滿足目前生活、洗浴用熱水情況下，系統運行耗能設備有水源熱泵、清潔熱水循環泵、熱源水循環泵及太陽能集熱器給水泵。

水源熱泵耗電功率:2×208=416 kW

清潔熱水循環泵耗電功率:2×12．4=24．8 kW

熱源水循環泵耗電功率:2×16=32 kW(消防水池或消毒水池)

太陽能集熱器供水泵:2×1．1=2．2 kW

合計耗電功率:416+24．8+32+2．2=475 kW

每月耗電量:475×720=342 000度/月，每月運行電費:342 000 ×0．5=171 000 元/月。

4．2 經濟效益分析

直接經濟效益:根據張家峁礦井非采暖期運行成本，成本包括電力消耗、煤消耗、環保設施耗材、維護檢修材料配件費用等，每月消耗成本452 788元/月，改造后運行成本為能耗成本171 000元/月、運維成本約25 000元/月，改造后合計運行成本196 000元/月可滿足生活、洗浴用熱水需求。按照礦區平均3 000人用熱水，改造前人均每天熱水成本為452 788÷30÷3 000=5．03元/人·天，按照礦區平均3 000人用熱水，改造后人均每天熱水成本:196 000÷30÷3 000=2．18元/人·天;每月節約成本 452 788－196 000=256 788元/月;按照該系統年運行8個月(非采暖期6個月、采暖期2個月)計算，年節約成本8×256 788=2 054 304元/年。

節能環保效益:通過清潔供熱技術改造，可有效降低燃煤消耗量，還具有環保效益。改造后耗電折算標煤量3．8 t，根據現有數據統計分析，改造前僅煤粉每天消耗量10 t/d，每天節約煤量6．2 t，一年非采暖期8個月節約標煤量240×6．2=1 488 t/a。節煤量符合申請財政獎勵資金合同能源管理項目，其中條件要求是工業項目年節能量在500 t標煤以上。符合陜西省工業節能專項資金項目申報條件，可以申請投資項目10%的補貼。

5 結語

張家峁礦井水余熱利用方案技術先進，工藝成熟，投資少，見效快，其回收的熱能可以解決張家峁煤礦非采暖期熱水供應問題，并具有顯著的節能減排、環境保護等綜合效益。同時節煤量也符合申請合同能源管理項目財政獎勵資金，可以通過合同能源管理模式實施該項目。