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唐家会矿矿井水余热利用技术探究

2020-11-23 559 上传者：管理员

摘要：针对唐家会矿厂区原有供热系统能力不足的问题,对矿井水热源进行分析,通过与传统锅炉供热进行对比,项目实施后较燃煤锅炉可大幅降低系统运行成本。同时该套清洁供热系统也能够在非采暖期部分时间可为职工提供洗浴热水,降低锅炉运行成本。该方案的设计不仅有力助推了矿井节能减排工作,也为矿井水资源的保护与利用提供了全新的思路。

关键词：
余热利用
供热系统
煤矿
矿井水
节能环保
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华兴能源有限责任公司唐家会矿位于鄂尔多斯市薛家湾镇，矿井投产后，由于煤炭运销的需要，新建了铁路储装运系统，新增5.6MW热负荷，原有燃煤锅炉供热系统能力不能满足，需对现有供热系统进行扩容。

此外，为了解决非采暖季职工洗浴用热需求，采用一台10t/h燃煤蒸汽锅炉供热，存在诸多弊端:(1)非采暖期单独供应洗浴热水时配置偏大;(2)由于间歇供热，锅炉的闷炉时间长，热效率低;(3)锅炉配套辅机运行，电能消耗大;(4)采用蒸汽直接加热方式，大量较高成本的软水资源无法回收，软水制备系统运行成本高;(5)为了满足环保要求，需要对锅炉进行脱硫脱硝处理，运行费用高。故采用10t/h燃煤蒸汽锅炉供热，不仅能耗高，资源浪费大，同时会产生大量的污染[1,2,3,4,5]。

1、供热途径

1.1 空压机余热

矿井现有空压机房1座，内设螺杆式空压机4台，单台机组输入功率为185kW，采用风冷模式。空压机现使用2台，采用空压机余热利用技术回收热量，考虑空压机的管路损失，回收热量按照空压机输入功率的70%计算，则空压机可提取热量为:

空机余热利用系统可提取热量为259kW，可提取热量小，投资约200万元，性价比不高，该方案的余热利用暂不考虑。

1.2 矿井回风余热

矿井回风风量为8520m3/min，风机出口温度低(15℃)，全部热能回收投资约3200万元，建设投资高，暂不利用。

1.3 燃气锅炉

由于准格尔旗地区现未通燃气，采用燃气锅炉无气源，本方案无实现的前提条件，不予考虑。

1.4 燃煤锅炉

工业场地锅炉房现有SZL10-2.45-AⅡ型蒸汽锅炉3台，其中两台用于井筒防冻用热，一台用于浴室用热;SZL14-1.0/115/70-AⅡ型热水锅炉2台，用于矿井及选煤厂采暖用热;由计算可知，采暖热负荷缺口为5600kW，需对原锅炉房进行扩建，安装一台SZL14-1.0/115/70-AⅡ型热水锅炉并配套相关附属设备，缺点如下:(1)采用燃煤锅炉存在国家环保政策趋严带来的投资决策风险，且初期投资没有明显优势，系统复杂，运行成本高，维护管理难度大;(2)需对现有锅炉房进行扩建，新增锅炉本体安装、上煤、除渣、除尘脱硫、锅炉给水及供电、控制系统均需单独建立系统，建设工期长。

1.5 矿井水余热利用

据现场实测，并参考历史和将来涌水量预计，矿井日排水量均大于10000m3/d，矿井排水量取7920m3/d，采暖季最低排水水温取23℃、最高排水温度26℃，通过污水源热泵机组提热至8℃(最低可提取至5℃)，则矿井中水可提取的热量为:

Q1max=4.2×7920×(26-8)÷103=598.75GJ，即6930kW。

Q1min=4.2×7920×(23-8)÷103=498.96GJ，即5775kW。

热泵机组提取矿井中水蕴含热量取最小值，机组综合能效比取5，则系统可提供的热负荷为:Q1=5775×1.25=7218.75kW(热泵机组消耗的电能转化的热能系数为0.25)。

采用污水源热泵回收矿井中水热量可供给热量为7218.75kW，蕴含热量大，热源稳定，可满足新增5600kW的供热负荷需求，热源富余约30%。矿井中水余热利用系统。优点如下:(1)可根据供热需求逐级调节;(2)符合国家节能环保政策及节能减排要求;(3)配电系统简单，装机容量小，自动化程度高;(4)与现有管网连接，在初寒期及末寒期可不使用燃煤锅炉;(5)投资回收期短，相较于电极锅炉或电阻锅炉，投资回收期仅需2年左右。缺点:系统初投资偏大[6,7,8,9,10]。

综合对比初投资、运行费用，建设工期，同时结合当下及未来国家环保政策要求，建议采用矿井中水余热利用系统作为工业场地供热扩容方案。

2、矿井水余热利用方案

该方案中采用矿井排水作为热源，利用热泵技术提取矿井水的热量，通过少量的高位电能输入，将水的温度提升至45～50℃后通过增压机组送入矿井供热系统，解决5600kW的供热缺口。同时在非采暖季取代燃煤锅炉为浴池制备洗浴热水，做到节能减排、绿色环保，实现企业与环境的和谐发展。

2.1 矿井涌水量预计及水温

根据矿地质部门提供的资料，矿井十年内涌水量均在400m3/h以上，日排水量大于10000m3/d。根据每年10月15日至次年4月14日矿井排水水温实测数据，水温为23～26℃。

2.2 热负荷分析

2.2.1 矿井水热量计算

矿井水水量按照目前最低水量7920m3/d计算，根据热能计算公式:

式中，C为水的比热，4.2kJ/(kg·℃);M为日用水总量，kg;△T为水温差，℃。

则可提供的热能为Q=4.2×103×7920×103×(23-8)=498.96×109J=498.96GJ。

换算成热负荷为(498.96×109÷3600÷1000÷24)×1.25=7218.75kW(热泵机组消耗的电能转化为热能的热能系数为0.25)。

2.2.2 非采暖季洗浴供热计算

洗浴热水每日总计340m3，其中淋浴用水160m3，浴池用水为180m3。根据《公共浴室给水排水设计规程》(CESC108:2000)3.2.1规定，考虑管道及水箱热损等，淋浴热水水温按42℃，浴池热水水温按45℃计。自来水平均温度取10℃。日洗浴水加热热负荷:Q=C×M×△T=4.2×160×(42-10)÷103+4.2×180×(45-10)÷103=47.96GJ。

综上可知，矿井水可提取的热量为498.96GJ，可提供的热负荷为7218.75kW，大于采暖季供热缺口5600kW，可以满足供热扩容需求;非采暖季每日加热340m3洗浴热水所需热量为47.96GJ，热源热量498.96GJ，远大于热负荷，故非采暖季利用热泵机组制备洗浴热水完全可行。

2.3 设备选型

矿井水水量按照目前最低水量7920m3/d计算，可提供的热能为7218.75kW。按照新增5600kW热负荷需求，采暖加热机组选用两台制热量为2800kW的热泵机组。因矿井水氯离子含量高达400mg/L，所以热泵机组选用污水源热泵机组。

建筑采暖热媒采用50/35℃热水，洗浴采用40～45℃热水，系统运行流程如下:

1)采暖季。在现有的地面污水处理站较大中水池内设潜水泵，将中水送至热泵机房，通过采暖用热泵机组提热达到排放温度后返回较小中水池。循环水经过热泵机组加热后，给至新敷设的DN400管路，通过室外管道输送至负荷区。

2)非采暖季。在现有的地面污水处理站较大中水池内设潜水泵，将中水送至热泵机房，通过采暖用热泵机组提热达到排放温度后返回较小中水池。循环水经过热泵机组加热后，送入室外45m3水箱，经给水泵送至新敷设的DN108管路，通过室外管道输送至浴池。

3、效益分析

3.1 经济效益

3.1.1 矿井水余热利用年运行费用

采暖季运行电费=设备耗电量×时间×电价×修正系数=1238×24×180×0.5×0.65=173.82万元;非采暖季运行电费=设备耗电量×时间×电价=1238×3×185×0.5=28.79万元;设备维护费:28万元。年运行费用(不包含现有锅炉采暖季运行费用)为173.82+28.79+28=230.61万元。

3.1.2 燃煤锅炉年运行费用

1)参考现有燃煤锅炉运行费用，测算采用一台20t/h热水锅炉供热，采暖季每日耗煤量为45t，吨煤价格取200元计算，实际平均月耗电2.5万kW·h，则新增燃煤锅炉采暖季运行费用包括:燃煤费用，45×180×200=162万元;电费，2.5×0.5×6=7.5万元;锅炉年检及维护费用5万元;其他费用(脱硫脱硝等)90万元;增加人工费用，3人×0.6万元/(月·人)×6月=10.8万元。则采暖季新增运行费用为162+7.5+25+90+10.8=295.3万元。

2)矿井非采暖季运行一台10t/h燃煤锅炉作为热源，日耗煤量为10t，吨煤单价200元，月耗电1.67万kW·h，则非采暖季运行费用包括:燃煤费用，10×185×200=37万元;电费，1.67×0.5×6×0.4=2.01万元;维护费用10.85万元;人工费用(非采暖季)30.24万元;其他费用(脱硫脱硝等)8万元;非采暖季运行费用，37+2.01+10.85+30.24+8=88.1万元;则年运行费用(不包含现有锅炉采暖季运行费用)为295.3+88.1=383.4万元。

对比可知，矿井水余热利用年运行费用比燃煤锅炉年运行费用节省383.4-230.61=152.79万元。

3.2 社会效益

项目实施后将实现废热回收，变废为宝，符合国家循环经济、节能减排等产业政策和内蒙古自治区政府转型发展的总体要求。同时可实现污染物零排放，为国家碧水蓝天奋斗目标做出贡献。

4、结语

利用矿井水源热泵技术，提取24～26℃矿井外排水中的热量，把废水中的低品位热能转化为高品位热能，解决矿井新增负荷扩容问题。切实解决实际问题，又节约了成本;同时，使得水源热泵技术有了新的应用领域，拓宽了应用空间，环保效益突出、经济效益可观、社会效益显著。

参考文献：

[1]李萌.矿井水水源热泵技术在煤矿中的应用[J].能源与环保,2012(12):73-74.

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[3]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社出版,2006.

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[5]田刚,李晓东,陈申迅.水源热泵在空调中的设计与应用[J].哈尔滨商业大学学报,2004,20(2):230-233.

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