煤礦清潔能源供熱設計探討

羅 申 國

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 煤礦供熱負荷及供熱介質參數

煤礦供熱主要包括生產和行政福利建筑采暖熱負荷、進風井井筒防凍熱負荷和生活熱水三部分，其中井筒防凍部分占50%以上，生活用熱負荷一般在10%以下。生活用熱負荷為全年性熱負荷，采暖熱負荷和井筒防凍熱負荷為采暖季熱負荷。

煤礦供熱介質主要有熱水、蒸汽、熱風和導熱油幾種介質。供暖時，行政福利建筑供水溫度不大于85 ℃，工業建筑熱水供水溫度不大于95 ℃；使用熱泵時，熱水供水溫度不大于60 ℃。井筒防凍供熱系統中，采用熱水供熱時，供水溫度不小于75 ℃，嚴寒地區不小于95 ℃；采用熱泵供熱時，供水溫度不小于50 ℃；采用蒸汽供暖時，壓力不小于0.3 MPa。采用熱泵機組供生活熱水時，供水溫度不小于50 ℃，浴池熱水加熱2 h，淋浴水加熱3 h；直接換熱時加熱1 h；余熱制備熱水設貯熱水箱(罐)，浴水加熱3 h～5 h。

2 煤礦清潔能源供熱方式及特點

替代燃煤鍋爐的清潔能源供給技術主要有集中供熱、空氣壓縮機和瓦斯電站余熱、燃油燃氣鍋爐、瓦斯蓄熱氧化裝置、熱泵、電加熱和太陽能等，技術路線及特點如下：

1)集中供熱：利用集中供熱管網供熱可靠，投資省，運行費用低，流程如圖1所示。

2)余熱：主要為空氣壓縮機組和內燃機瓦斯電站余熱。空氣壓縮機運行過程中會散發大量的熱量，由循環冷卻水或潤滑油帶走，通過加裝板式換熱器可換取50 ℃～60 ℃洗浴熱水，或利用水源熱泵技術回收產生70 ℃～75 ℃熱水，用于供暖。不同機型的空氣壓縮機組可回收的熱量不同，但一般在65%以上。利用煤礦瓦斯通過內燃機發電過程中，只有約40%的能量轉化為電能，其他能量排放到煙氣和冷卻水系統，以及機組本體表面輻射散熱。以1.8 MW機組為例，輸入能量中40%轉化為電能，煙氣34.4%，冷卻水23.1%，輻射熱2.5%。內燃機余熱主要有煙氣、高溫冷卻水和低溫冷卻水余熱三部分，通過余熱鍋爐回收煙氣余熱可產生蒸汽或高溫熱水，用于發電或供熱，通過板式換熱器回收高溫冷卻水余熱，換取60 ℃～85 ℃熱水，用于供暖或洗浴熱水；通過板式換熱器換取低溫冷卻水余熱可提供洗浴熱水或利用水源熱泵技術回收產生50 ℃～60 ℃熱水，用于供暖。余熱供暖穩定可靠，投資省，可優先考慮。

3)燃氣(油)鍋爐：利用井下抽采煤礦瓦斯、地面抽采管輸煤層氣、柴油、液化石油氣等作為燃料。瓦斯濃度大于30%可直接燃燒，就近從抽放泵站接入，沒有運輸問題；煤層氣、柴油和液化石油氣通過汽車運輸，需在鍋爐房旁建設儲罐儲存，一次投資小，但燃料成本較高，且冬季雨雪天氣燃料運輸存在問題。

4)瓦斯蓄熱氧化裝置：因風排瓦斯存于礦井通風中，濃度較低，而抽放泵站之中存在低濃度瓦斯，二者都不能被直接利用，將其與礦井乏風或空氣摻混至濃度1.0%，通過瓦斯蓄熱氧化裝置氧化，通過余熱鍋爐產生蒸汽或熱風用于供熱或井筒防凍。

5)熱泵技術：煤礦主要有乏風、井下排水、洗浴廢水、水環真空泵冷卻水等低溫熱源可以回收利用。空氣源熱泵技術直接提取大氣熱量產生40 ℃～50 ℃熱水，通過井筒空氣加熱機組送熱風。礦井回風水源熱泵技術是通過回風與水換熱將熱量傳遞至水中，再通過水源熱泵提取熱量產生40 ℃～45 ℃熱水，用于冬季供暖和井筒防凍、夏季制冷、全年供應洗浴熱水，效率高、阻力小、噪聲小。礦井回風空氣源熱泵技術利用蒸發器直接換取乏風中的熱能，取熱后乏風溫度可低至-10 ℃，能效比達3.7，與水源熱泵相當，具有可自動沖洗、實現無縫滾動除霜、降低換熱器風阻、提高傳熱效率、取熱箱與熱泵機房的間距可以達到400 m等優點。

6)電加熱：紅外線電加熱管在電能的驅動下，可將空氣加熱，將電能轉化為熱能，后經風機將熱風送到井口，用于井筒防凍。系統簡單、投資省。

7)太陽能：太陽能供熱具有節能環保、裝置靈活、運行投資成本低等優點，但受季節性、天氣影響較大，陰雨天無法滿足太陽能蓄熱需求，供熱穩定性差；占地面積大，無法實現大規模集中供熱。

3 三種常用供熱方案比選

下面以某煤礦進風井井筒防凍供熱為例，井筒進風井通風量7 300 m3/min，按室外極端最低平均溫度-21.9 ℃加熱至2 ℃，所需熱負荷為4 250 kW，對電加熱熱風爐、礦井回風空氣源熱泵和空氣源熱泵三種方案進行技術經濟比較。

3.1 紅外線電加熱供熱方案

設計4臺紅外線電加熱熱風爐，每臺熱風爐的風量32 830 m3/h，風機功率22 kW，加熱功率1 063 kW，單臺總功率1 063+22=1 085 kW，用電設備8臺，總用電負荷4 340 kW；設3臺2 500 kVA廠變，2運1備，3回6 kV電源引入；設置3臺6 kV高壓開關柜，2運1備。單臺熱風爐長度5 000 mm，寬度2 500 mm，高度3 200 mm。土建只需做設備基礎。采用計算機+智能儀表自動控制方式。

該方案總投資約721.31萬元，包括土建、設備、安裝、電源改造及其他費用。運行成本包括電費、折舊和攤銷等費用，運行成本估算見表1。

表1 紅外線電加熱方案運行成本分析

3.2 礦井回風空氣源熱泵供熱方案

礦井回風溫度較低，經乏風取熱箱后進入礦井回風熱泵機組，礦井回風熱泵利用此低溫熱源產生55 ℃/45 ℃熱水，后通過板式換熱器產生50 ℃/40 ℃防凍液，進入井口加熱室礦井加熱機組，與室外空氣交換熱量，將其加熱后送入井口房內，再與室外空氣混合至2 ℃以上后送到井下。工藝流程如圖2所示。

回風井通風量為10 246 m3/min，排風溫度10 ℃以上，相對濕度90%；按提取后乏風溫度1 ℃、提取溫差9 ℃計算，可提取的熱量為3 648 kW，經乏風熱泵機組(能效比3.7)轉化后，可產生5 000 kW熱量，能夠滿足極端最低溫度(-21.9 ℃)選井筒防凍供熱負荷需求。

安裝5臺礦井回風源熱泵，單臺制熱能力860 kW，取熱能力625 kW，最大功耗235 kW。單機配4臺乏風取熱箱，每臺取熱箱取熱量156 kW，風量30 738 m3/h，進風10 ℃/90%，出風1 ℃/90%，共20臺。選用煤礦專用防凍型高效熱水盤管加熱機組4臺，單臺加熱量1 100 kW，風量67 500 m3/h，進風溫度-21.9 ℃，出風溫度20 ℃。選用2臺2.2 MW板式換熱器,2臺一次循環泵KQL200/300-37/4，1用1備；2臺二次循環泵KQL200/370-55/4，1用1備。風井新增用電負荷設備14臺，設備安裝容量1 421 kW，選用2臺1 600 kVA廠變，1運1備，2回6 kV電源引入。土建包括乏風取熱室建筑、井口加熱室、設備基礎等。

該方案總投資1 445.92萬元，包括土建、設備、安裝、電源改造及其他費用。運行成本包括水電費、工資、維修折舊和攤銷等費用，運行成本估算如表2所示。

表2 礦井回風空氣源熱泵方案運行成本分析

3.3 空氣源熱泵供熱方案

室外空氣溫度低，在空氣源熱泵機組中與水交換熱量，產生45 ℃/40 ℃熱水，熱水經熱水型雙級礦井加熱機組將空氣加熱至20 ℃，期間空氣依次經過風機、空氣加熱器和電加熱器，進入井口房，室外空氣與其混合至2 ℃以上送入井下。考慮到空氣源熱泵能效隨環境溫度影響大(環境空氣-15 ℃時，能效比2.5；-21.9 ℃時，能效比2.0)，裝機功率大，本方案以空氣源熱泵為基峰熱源，電輔助作為調峰熱源的供熱模式，根據工程經驗電輔比例取30%。電加熱在室外環境溫度低于-15 ℃時開啟。工藝流程如圖3所示。

井筒防凍熱負荷4 250 kW，電加熱按30%、低溫空氣源熱泵按70%計算，熱泵承擔負荷2 975 kW，電加熱承擔負荷1 275 kW。安裝34套制熱量(7 ℃)138 kW的低溫空氣源熱泵，單臺功耗43.4 kW，-15 ℃工況下制熱量約為108 kW，-21.9 ℃工況下制熱量約87 kW，熱水溫度40 ℃/45 ℃，循環水流量24 t/h，水阻損失5 m H2O。設計選用煤礦專用防爆組合式新風機組4臺，單臺供熱量1 100 kW(含電加熱319 kW)，加熱系統總供熱能力4 400 kW。一次循環泵KQL200/285-30/4(Z)，共3臺，2用1備。風井新增用電負荷設備42臺，設備安裝容量2 924.8 kW，選用3臺1 600 kVA廠變，2運1備，3回6 kV電源引入。

該方案總投資1 073.24萬元，包括土建、設備、安裝、電源改造及其他費用。運行成本主要包括水電費、工資、維修折舊和攤銷等費用，運行成本估算如表3所示。

表3 空氣源熱泵方案運行成本分析

續表

紅外線電加熱爐、礦井回風空氣源熱泵和空氣源熱泵三種方案的技術經濟指標對比如表4所示。

表4 三種方案技術經濟指標對比

集中供熱比較穩定可靠；回收空氣壓縮機和瓦斯電站余熱投資較省、同時節約能源、屬國家鼓勵項目；燃瓦斯氣鍋爐或瓦斯蓄熱氧化機組投資較少、運行成本低、變廢為寶；變壓器容量富余、熱負荷不大、井筒防凍供熱方式為熱風爐的風井，可采用投資少、系統簡單、運行可靠的紅外線電加熱爐方案；在變壓器容量有限、有礦井回風和空閑場地的，可采用裝機容量少、節省電能的礦井回風空氣源熱泵方案，無回風資源則可采用空氣源熱泵+電加熱方案；陽光充足的地方太陽能可用于洗浴熱水供熱。

4 結語

通過上述比較，結合多個煤礦供熱改造方案，每個煤礦都不盡相同，應針對各個煤礦供熱負荷大小、距離和供熱時間，核實不同供熱熱源大小、穩定性，對供熱工況分析，方案擬定多種供熱方案，進行技術經濟比較，確定供熱方案，并對主要設備參數選型，與燃料、供水、供電、管線敷設、土建廠房及選址、環保排放等相關專業密切配合，優化供熱方案，設計出清潔環保、安全可靠、經濟實用的供熱系統。