礦井工業(yè)廢棄能源綜合利用研究與應(yīng)用

許來燦

(焦作煤業(yè)(集團)科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454000)

焦煤公司中馬村礦位于河南省焦作市東北8 km，行政區(qū)劃屬焦作市馬村區(qū)管轄，核定生產(chǎn)能力100萬t/a，是河南省中型礦井?，F(xiàn)有1臺10 t/h燃氣鍋爐，在采暖季為礦井提供供暖及洗浴用水，非采暖季利用建材廠2臺2 t/h余熱鍋爐加外購熱水方式為礦井提供洗浴用水，夏季降溫主要依靠空調(diào)。2021年，中馬村礦綜合能源消費量為9 922.14 t標準煤，其中供暖消耗天然氣757 724 m3，巨大的天然氣用量不僅增加了礦井的綜合能源消耗量，且?guī)砹顺林氐慕?jīng)濟負擔(dān)，必須對現(xiàn)有的供暖方式進行改造或革新[1-5]。

1 礦井余熱資源

1.1 熱源分析

目前，礦井可利用的工業(yè)廢棄能源主要包含以下4項。

(1)礦井水排水。礦井排水量約2 200 m3/h，排水溫度16～20 ℃，可為礦井水余熱利用提供優(yōu)質(zhì)水源，礦井水可回收熱量為852 kW/h(水溫由18 ℃降至10 ℃)。

(2)建材廠煙氣余熱。中馬村礦建材廠可利用散排熱煙氣余熱量511 kW/h，日產(chǎn)80 ℃熱水170 m3，轉(zhuǎn)換為50 ℃熱水，所產(chǎn)熱水量為329 m3/d。

(3)空壓機余熱。中馬村礦礦內(nèi)和羅莊分別安裝4臺螺桿式壓風(fēng)機，2座壓風(fēng)機房正常生產(chǎn)時各運行1臺，為井下安全生產(chǎn)提供壓風(fēng)。礦內(nèi)空壓機可利用余熱量90 kW/h，按進水溫度18 ℃，出水溫度50 ℃計算，所產(chǎn)熱水量為58 m3/d；羅莊空壓機余熱可利用量140 kW/h，按進水溫度18 ℃、出水溫度50 ℃計算，所產(chǎn)熱水量為90 m3/d。

(4)瓦斯發(fā)電站余熱。中馬村礦羅莊瓦斯發(fā)電站共有600 kW燃氣發(fā)電機組6臺，正常生產(chǎn)時開機1臺。瓦斯發(fā)電站可利用余熱量300 kW/h，按進水溫度18 ℃、出水溫度50 ℃計算，所產(chǎn)熱水量為193 m3/d。

礦井余熱資源見表1。

表1 礦井余熱資源Tab.1 Mine waste heat resources

1.2 冷熱負荷需求計算

(1)建筑冷負荷計算。由現(xiàn)場統(tǒng)計，中馬村礦需改造的風(fēng)盤末端制冷面積約2.4萬m2，末端冷負荷指標90 W/m2，則需要配置的總冷負荷為2 160 kW。

(2)建筑熱負荷計算。由現(xiàn)場統(tǒng)計，中馬村礦采暖季需供暖面積為2.4萬m2，末端熱負荷指標70 W/m2，則需要配置的總熱負荷為1 680 kW。

(3)洗浴熱水熱負荷計算。礦井職工洗浴日平均用水量為220 m3(夏季)/285 m3(冬季)(80 ℃)，轉(zhuǎn)換為50 ℃熱水，每天所需熱水量為426 m3(夏季)/552 m3(冬季)。

1.3 可利用性分析

礦內(nèi)空壓機余熱利用需另外增加換熱設(shè)備1套，費用約為86萬元，空壓機年產(chǎn)熱水價值約16.4萬元。羅莊空壓機和瓦斯發(fā)電站余熱利用系統(tǒng)建設(shè)費用約為95萬元，每天可產(chǎn)出50 ℃熱水283 m3，所生產(chǎn)熱水不能滿足礦內(nèi)需求，且羅莊距離礦井較遠，將熱水運回礦內(nèi)需安排運輸車輛和人員，增加運輸安全風(fēng)險，運輸過程中水溫下降多，對比效益較低，不具備可行性。

中馬村礦建設(shè)2臺全熱回收機組對礦井水廢棄熱源進行回收利用，同時搭配建材廠余熱熱源所產(chǎn)熱水，即可滿足礦井采暖、制冷、洗浴用水需求，不需再投入其他系統(tǒng)建設(shè)費用。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計原則

利用水源熱泵技術(shù)實現(xiàn)職工洗浴熱水的供應(yīng)、地面生產(chǎn)、生活區(qū)域冬季供暖、夏季供冷的問題，在已實施余熱利用和鍋爐節(jié)能運行管理措施的基礎(chǔ)上，對中馬村礦進行“去鍋爐化改造”，滿足全年包括辦公樓、宿舍樓、浴室、行政福利及民用建筑冬季采暖需求和夏季供冷需求，燃氣鍋爐保留，作為應(yīng)急熱源和極端天氣井筒防凍使用。

2.2 設(shè)計內(nèi)容

考慮設(shè)備的冗余性和部分負荷狀況下的高效性，合理調(diào)整利用礦區(qū)熱源，建設(shè)1個智能化無人值守?zé)岜谜荆簾岜谜窘ㄔO(shè)地點選放在原燃煤鍋爐房，節(jié)約投資預(yù)算資金，提取熱源為礦井水，配置2臺MCRH0400全熱回收機組，所產(chǎn)生的總熱(冷)負荷為3 100 kW(2 982 kW)，滿足礦區(qū)采暖、制冷、洗浴用水需求。根據(jù)采暖和制冷負荷，需同時開2臺滿足采暖和制冷需求。全熱回收機組夏季運行狀態(tài)：全熱回收機組在給830臺風(fēng)盤供冷的同時副產(chǎn)熱水。全熱回收機組冬季運行狀態(tài)：全熱回收機組能夠?qū)崿F(xiàn)在全天分別為建筑物供暖和職工洗浴提供熱源、熱水，實現(xiàn)供暖及熱水管路的任意切換[6-10]。

2.3 余熱回收利用系統(tǒng)工作原理

水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、節(jié)資、冷暖兩用，運行靈活且無污染的新型中央空調(diào)系統(tǒng)[11-15]。通過輸入少量的電能，在冬季把熱量從礦井水中提取出來，升高溫度后供給室內(nèi)采暖；夏季把室內(nèi)的熱量提取出來，釋放到低溫地能中去。

水源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備由板式換熱器、水源熱泵機組、系統(tǒng)循環(huán)水泵、自動化控制、風(fēng)機盤管和管道閥門管件等組成。水源熱泵機組工作原理如圖1所示。

圖1 水源熱泵工作原理Fig.1 Working principle of water source heat pump

3 效益分析

3.1 水源熱泵系統(tǒng)運行費用

水源熱泵系統(tǒng)運行費用主要包括系統(tǒng)電費和維修費，年運行費用共計159.2萬元。

(1)系統(tǒng)電費。①冬季制熱電費。制熱總功率700 kW，供暖季按120 d，平均每天運行時間20 h，總耗電量為168萬kWh，折合標準煤206 t，系統(tǒng)運行電費按0.58元/kWh計算，電力消費97.44萬元。②夏季制冷電費。制冷功率為500 kW，夏季按120 d，平均每天運行時間12 h，總耗電量為72萬kWh，折合標準煤88 t，系統(tǒng)運行電費按0.58元/kWh計算，電力消費41.76萬元。

(2)維修費。2臺水源熱泵機組年維護費用約為20萬元。

綜上，水源熱泵系統(tǒng)年運行總費用為159.20萬元(表2)。

表2 水源熱泵系統(tǒng)運行總費用Tab.2 Total operating cost of the water source heat pump system

3.2 傳統(tǒng)燃氣鍋爐及空調(diào)系統(tǒng)運行費用

燃氣鍋爐及空調(diào)運行費用主要包括燃氣費、系統(tǒng)電費、人工費、設(shè)備維護費等，每年共計運行費用420.89萬元。

(1)燃氣鍋爐燃料費。2021年，中馬村礦供暖共消耗天然氣757 724 m3，折合標準煤1 007 t，天然氣價格為4元/m3，燃料消耗303.89萬元。

(2)燃氣鍋爐電費。對于燃氣鍋爐而言，循環(huán)水泵是主要耗電設(shè)備，其他電耗暫忽略不計。根據(jù)中馬村礦洗浴系統(tǒng)的水泵功率及鍋爐本體等耗電量實測，洗浴耗電費17萬元。

(3)燃氣鍋爐維護費及人工費。維護費按歷年實際發(fā)生額加權(quán)平均計算約10萬元/a，人工按6人計算，工資30萬元/a。

(4)空調(diào)電費。中馬村礦夏季空調(diào)制冷負荷為2 160 kW，分體空調(diào)能效比3.0，平均每天運行時間12 h，總耗電量為103.68萬kWh，折合標準煤126.59 t，統(tǒng)運行電費按0.58元/kWh計算，電力消費60萬元。

綜上所述，傳統(tǒng)燃氣鍋爐及空調(diào)系統(tǒng)運行費用為420.89萬元(表3)。

表3 傳統(tǒng)的燃氣空調(diào)系統(tǒng)運行總費用Tab.3 Total cost of running conventional gas and air conditioning systems

3.3 全年運行成本對比分析

由表2、表3可知，水源熱泵系統(tǒng)年運行費用為159.20萬元，傳統(tǒng)燃氣鍋爐及空調(diào)系統(tǒng)年運行費用為420.89萬元，礦井余熱綜合利用方式最經(jīng)濟。相比傳統(tǒng)的燃氣鍋爐加空調(diào)系統(tǒng)，水源熱泵系統(tǒng)每年節(jié)約費用261.69萬元，降低能源消費量840 t標準煤，經(jīng)濟價值巨大，降低了中馬村礦綜合能耗，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

在“雙碳”背景下，企業(yè)的減排降耗及節(jié)能環(huán)保被提到了首要的位置和高度，中馬村礦的余熱回收項目極大地減少了企業(yè)的能源使用總量，在實現(xiàn)企業(yè)能效水平提高的前提下，減少了碳排放總量，為企業(yè)自身的發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟效益，項目對于同類型企業(yè)的推廣和應(yīng)用具有很高的參考價值和工程意義。