煤礦熱能綜合利用系統設計方案及優化

鄭凱

摘 要：根據國家相關環保政策對燃煤鍋爐淘汰規定，袁店一井煤礦現有供暖采用中利電廠集中供暖+空壓機余熱+瓦斯發電機組余熱利用+空氣源熱泵機組。其中余熱綜合利用系統的成功應用，為礦井節約資金投入，具有很高的利用和發展前景。

關鍵詞：環境保護;余熱利用;節約成本;設計優化

1? 項目背景

根據國家相關環保政策，35 T/h以下的傳統燃煤鍋爐房必須關停，袁店一井煤礦現有三臺10T/h鍋爐，所以急需考慮采用其他供熱方式來保證礦井冬季安全生產和職工日常生活供汽需求。

目前臨渙地區可供選擇的熱源點只能是臨渙中利電廠，電廠現有容量為4×300MW級機組，一期工程建設2×300MW，采用國產引進型循環流化床鍋爐（CFB）的燃煤發電機組，已分別于2009年3月和5月投產。二期建設2×330MW國產循環流化床鍋爐（CFB）的燃煤發電機組，分別于2013年6月和7月底并網發電。

目前，我礦主要存在兩種余熱可以加以利用。一是瓦斯發電機組余熱：礦場區西南角瓦斯電廠現安裝有14臺發電機機組，其中500kW發電機機組6臺，700kW發電機機組5臺，800kW發電機機組3臺，實際運行一般不低于3-4臺，排煙溫度500度。二是空壓機余熱：礦場區壓風機房現安裝有英格索蘭壓風機6臺MM200型壓風機，采用風冷，正常情況下不低于2臺壓風機運行，6臺輪換使用。

全礦洗浴人數2000余人，全年日均用熱水約700噸，水源為經凈水站處理后的深井水，原水硬度為12-13㎎mol/L。礦井熱水泵房設有池浴池一個，體積為300m3，淋浴池2個，體積合計400m3。

2? 袁店一井煤礦供暖原則及改造方案

2.1? 供暖原則

現有工廣供熱管網全覆蓋，供暖面積大，24小時全天候供暖，時間長，現有供熱方式不環保、不節能。

改造堅持原則：

（1）保障井口及重要車間冬季供暖。

（2）保障浴池采暖及職工洗浴。

（3）辦公區域、職工宿舍、食堂，冬季采用空調供暖。

2.2? 改造方案

結合礦井實際，袁店一井煤礦供暖采用中利電廠集中供暖+空壓機余熱+瓦斯發電機組余熱利用。其中，中利電廠集中供暖解決井口及重要車間冬季供暖問題，空壓機余熱+瓦斯發電機組余熱解決浴池洗浴，為保障余熱利用系統的可靠性，在空壓機余熱、瓦斯發電機組余熱基礎上再建設空氣源熱泵機組一套。

（1）中利電廠集中供暖

礦井目前的供熱負荷如下：

利用臨渙中利電廠低熱值蒸汽，安裝中利電廠至袁店一井煤礦供暖管路，在中利電廠與各用汽點之間有塌陷區、農田、道路等，供熱管道線路選擇根據實際情況，采用架空敷設的方式，架空管道采用焊接，管徑計算根據規范，按最大小時供汽量進行計算，同時考慮一定的富裕量，設備及架空管道主保溫材料采用高溫玻璃棉制品，采用厚度為0.5mm的彩鋼板保護。埋地管路采用復合管中管，管道設計盡可能利用跨越和走向轉折及調整管道高差產生自然的 π型、L型和 Z型自然補償。為減少壓損，沒有自然補償的平直管段采用無推力套筒補償器。

（2）余熱綜合利用系統

空壓機余熱+瓦斯發電機組余熱+空氣源熱泵機組解決浴池洗浴。各分系統單獨設立保溫水箱，其中余熱利用系統采用內外循環獨立設計，通過板式換熱器實現熱能的傳遞，余熱利用系統出水溫度可調整，達到設定溫度后自動輸送至現有熱水泵房池浴池及淋浴池內。系統實現全自動控制，實現無人值守自動化操作，將礦現有熱水泵房淋浴、池浴控制納入整個系統。

3? 余熱綜合利用系統設計

3.1? 原有熱水泵房淋浴、池浴控制系統

熱水泵房有三個集水池，其中兩個淋浴池，一個池浴池，池內熱水蒸汽加熱后，淋浴泵、池浴泵將水打至用水地點。具體如圖1所示：

3.2 余熱利用系統使用后熱水泵房淋浴、池浴控制系統

（1）瓦斯發電機組余熱利用裝置：瓦斯發電機組煙道安裝煙氣余熱回收熱水鍋爐，采用二次換熱，加裝可拆板式換熱器，一次側采用煙氣——水換熱，二次側采用水（內循環）——水（外循環）換熱，一次側不結水垢，通過熱水循環管道把熱水送至集水箱，再通過供水泵送至淋浴、池浴水。內循環管路分為南北兩路系統，當一路出問題后，不影響另一路系統的安全運行，具備南北兩路系統同時運轉的設計。

（2）空壓機余熱利用裝置：采用二次換熱，加裝可拆板式換熱器，一次側采用油——水換熱，二次側采用水（內循環）——水（外循環）換熱，一次側不結水垢，空壓機余熱回收產生熱水，通過熱水循環環管道把熱水送至集水箱，再通過供水泵送至淋浴、池浴水箱。壓風機余熱回收不應影響壓風機的安全運行，同時應考慮蓄水池滿水后余熱回收系統與原冷卻系統的自動切換。當單臺壓風機停機時，對應的熱回收裝置水路能夠斷開，防止單臺壓風機余熱回收系統停機時有反水現象發生。

（3）低溫空氣源熱泵機組，在淋浴、池浴水箱溫度和水量不夠的情況下自動運行。

（4）系統智能化運轉，做到無人值守。控制系統具備自動開機、停機、重新啟動等，監測系統工作狀態，包括正常運行壓力、進出水溫度、油溫、流量、停機、故障信息等。

有獨立水質處理設備，防止供水系統結垢和腐蝕。集水箱根據水箱液位（可調）和水箱水溫控制（可調），各水箱根據需要設定水位和水溫，通過供水泵及電磁閥開閉實現功能。熱水采用恒壓供水，變頻控制。

4? 余熱綜合利用系統經濟效益

冬季供暖結束后，從中利電廠供汽，因蒸汽用量少，熱損大，不經濟，采用余熱綜合利用系統，解決職工洗浴。

冬季供暖結束，經現場流量計計量，中利電廠供汽量每月約1800t，每噸180元，每月費用1800×180=32.4萬元。

采用余熱綜合利用系統，運行成本主要是設備運轉電費。空壓機余熱利用系統4臺3kW水泵，2臺4kW水泵，一用一備;瓦斯發電機組余熱利用系統2臺15kW，4臺11kW，一用一備;空氣源熱泵正常運轉2臺，每臺33kw，水泵4臺11kW，4臺7.5kW，一用一備。按24小時使用計算，電費按平均電價0.68元/度，月度費用為：（2×3+1×4）+（1×15+2×11）+（2×33+2×11+2×7.5）×0.68×24×30=7.344萬元。

從上可以看出，采用余熱綜合利用系統解決職工洗浴，大大縮減了礦井開支，具有很高的經濟效益。

通過實踐證明，瓦斯發電機組余熱、空壓機余熱、空氣源熱泵技術綜合利用，以清潔、綠色能源取代了燃煤鍋爐供熱，在為礦井帶來巨大的直接經濟效益的同時起到節能減排的作用[1]。另外空壓機余熱技術的應用，它可以有效提高設備利用率、延長設備壽命和降低事故停機率。

隨著人們節能和環保意識的提高，新舊動能轉換的大趨勢下，礦井余熱利用技術的研究和應用必將越來越受到重視，具有廣闊的應用前景。因此，有必要對礦井余熱利用技術的應用進行系統深入的研究， 并將其充分應用于實踐。

5? 余熱綜合利用系統優化

5.1? 內循環水質采用軟化水。

由于瓦斯發電機組、空壓機一次側內循環水溫較高，我礦水質硬度較大，雖有水質處理裝置（硅磷晶），但水質硬度仍然存在。內循環系統雖相對穩定，每天仍需補少量水，特別是檢修后放水重新補水，長期使用后，熱水鍋爐、板式換熱器、管路結垢問題很難處理。故重新設計一趟軟化水內循環補水管路，用于內循環補水。

5.2? 空氣源熱泵機組加裝板式換熱器，采用二次換熱。

由于空氣源熱泵機組為開式循環，長期使用，水質硬度大，導致空氣源熱泵機組內換熱器結垢損壞，管路堵塞，故采用二次換熱系統保證設備長期高效運轉。板片式換熱器，是用薄金屬板壓制成具有一定波紋形狀的換熱板片，然后疊裝，用夾板、螺栓緊固 而成的一種換熱器。工作流體在兩塊板片間形成的窄小而曲折的通道中流過，冷熱流體依次通過流道，中間有一隔層板片將流體分開，并通過此板片進行換熱。板式換熱器的結構及換熱原理決定了其具有結構緊湊，占地面積小，傳熱效率高，操作靈活性大，應用范圍廣，熱損失小，安裝和清洗方便等特點。兩種介質的平均溫差可以小至1℃，熱回收效率可達98%以上[2]。

參考文獻：

[1] 王曉晴.礦井回風余熱全回收利用裝置[P]. CN201381870[專]/，2010-01-13.

[3] 趙宗燠. 余熱利用與鍋爐節能[M].寧夏： 寧夏人民出版社，1984.