礦區工業余熱綜合利用研究與應用范文

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1實施余熱利用的必要性

鶴煤公司于2016年完成了44臺燃煤鍋爐拆除和20臺燃氣鍋爐安裝工作，在運行過程中主要存在以下缺點：（1）運行費用高。經統計，燃氣鍋爐每年需要消耗1435．5萬m3天然氣，按照2．74元／m3，每年需耗費3000多萬元。（2）氣源不穩定。天然氣鍋爐易受氣源影響，一旦天然氣供應不足，鍋爐無法運轉，嚴重影響礦井供暖。如2017年底，全國出現“氣荒”，導致各礦天然氣不足，嚴重影響職工取暖和井口供暖。綜上所述，燃氣鍋爐運行費用高，受氣源不穩定影響大；通過對各礦可利用工業余熱熱源詳細分析，均具備余熱利用的條件，且礦井余熱資源綜合利用運行費用低，投資回收期短，一次投資、終身受益。鑒于此，降低企業用熱成本，充分利用礦井余熱資源，為職工洗浴用水、冬季井筒供暖和辦公采暖提供保障，實現節能減排，決定對鶴煤公司本部礦井三礦、中泰、六礦、八礦、九礦、十礦實施工業余熱綜合利用。

2余熱利用技術簡介

礦井工業余熱綜合利用技術主要有3種，分別為：空壓機余熱回收技術、瓦斯發電機組煙氣余熱回收利用和礦井水低焓余熱水源熱泵回收利用技術。2.1空壓機余熱回收技術。空壓機工作時，把電能轉化為機械能，機械能又轉化為風能；在機械能轉換為風能過程中，油氣混合物得到強烈的壓縮，溫度大幅升高。高溫的油氣混合物經過油氣分離器分離，再通過油冷卻器和風冷卻器冷卻，熱量被冷卻水或冷卻風吸收［1］。通過高效換熱裝置，高溫的油和空氣分別進入換熱器油循環和空氣循環回路，將熱量置換到二次側循環水中（通常油溫可降至60～80℃，空氣溫度降低至25℃），可獲得大量的熱水，用于洗浴和井筒保溫。該技術不但可以實現余熱回收，而且能夠保證空壓機的穩定連續工作。2.2瓦斯發電煙氣余熱回收技術。瓦斯發電機在運行的過程中，高溫燃燒的瓦斯氣體排出煙氣通常在550℃左右，且該熱量較為穩定，因此可以通過在瓦斯發電機組排煙管處布置1臺高效復合煙氣余熱回收器，將瓦斯發電機組所排放高溫煙氣熱量置換到二次側循環水中，水受熱升溫，通常溫度可達到80～90℃［2］。2.3礦井水低焓余熱水源熱泵回收利用技術。在煤炭開采過程中，伴生的還有礦井水，需排出地面以確保礦井安全生產，礦井水通常位于較深的地層中，溫度與地溫相近，其水溫相對恒定，因此大量的地溫礦井水也可以通過一定的技術，將熱量提取出來。水源熱泵技術是將以水為載體的低焓熱能通過少量的電能輸入，將低焓熱能提取并置換到二次側循環中，轉換為可以直接利用的熱能［3］。深井水和礦井排水的水溫一般比當地平均氣溫高1～2℃（鶴壁市平均氣溫為14．2℃），水溫約為16℃，基本保持恒溫，對熱泵穩定運行十分有利。100t／h水利用5℃溫差作為熱泵低位熱源，可提供約700kW的熱量。

3余熱利用方案實例

因篇幅有限，選取具有典型代表性的九礦新副井，對余熱利用方案的設計和實施為案例進行介紹。3.1九礦新副井可利用熱源分析。新副井工業場地可利用的熱源有瓦斯發電煙氣及冷卻水、瓦斯抽放泵站冷卻水、空壓機余熱、礦井排水、礦井排風。九礦新副井安裝有3臺600kW瓦斯發電機，正常運行2臺，1臺備用。空壓機房安裝有4臺空壓機：2臺DLG200（250kW）型空壓機、1臺LGD315／077AN（315kW）型空壓機、1臺SA350W86K（350kW）型空壓機。正常運行1臺315kW或1臺350kW空壓機，每天運行24h，250kW空壓機每天運行6h。新副井瓦斯抽放泵房安裝有4臺瓦斯抽放泵：2臺2BEC52型水環真空泵（250kW），2臺2BEC62型水環真空泵（355kW）。正常運行250kW和355kW瓦斯抽放泵各1臺。新井總排水量3000m3／d。九礦新副井熱平衡見表1。3.2九礦新副井余熱利用方案。新副井工業場地余熱綜合利用總體方案：采用礦井水、空壓機、瓦斯發電機組、瓦斯抽放泵站冷卻水余熱綜合利用。（1）空壓機余熱利用方案。每臺空壓機獨立配置油氣雙回收洗浴水加熱器，與空壓機油氣分離器后側的油管和氣管分別連接（原冷卻系統自動控制切換投運），共用循環加熱泵組和儲備水箱。配套根據回流油溫度自動控制加熱泵組工作的自控系統，保證空壓機平穩工作［4］。（2）瓦斯發電機組余熱利用方案。每臺瓦斯發電機組的煙氣排出管安裝高效復合煙氣余熱回收器，安裝在每臺瓦斯發電機組的煙氣排出管（阻力不得影響機組的正常工作），采用SUS304以上材質的板式水水換熱器間接生產洗浴水。高溫循環采用軟化水，加熱側采用開式系統。（3）礦井水余熱回收余熱利用方案。采用水源熱泵技術從礦井水處理站清水池將低位熱焓提升為可直接利用的高位熱量，采用開式循環加熱的方式進行洗浴水加熱［5］。（4）瓦斯抽放泵站冷卻水余熱利用。采用湍流螺旋管管殼式換熱器，將冷卻水中的熱能回收利用，實現供暖。

4各礦井余熱利用方案

（1）三礦新副井。可利用熱源為礦井排水、瓦斯發電、空壓機，采用礦井水、空壓機、瓦斯發電余熱綜合利用。（2）中泰礦業。可利用熱源為礦井排水、空壓機、瓦斯發電，采用礦井水、空壓機、瓦斯發電余熱綜合利用。（3）六礦。可利用熱源為礦井排水、空壓機，采用礦井水、空壓機余熱綜合利用。八礦工業廣場：工業廣場無可利用余熱，未進行余熱利用。（4）八礦新副井。可利用余熱為礦井排水、空壓機，采用礦井水余熱利用。（5）九礦老工業場地。可利用余熱為礦井排水，采用礦井水余熱利用。（6）九礦新副井。可利用熱源為礦井排水、空壓機、瓦斯發電，采用礦井水、空壓機、瓦斯發電余熱綜合利用。（7）十礦。可利用熱源為空壓機，采用空壓機余熱利用。

5余熱利用運行效果

鶴壁礦區工業余熱綜合利用工程實施2年多來，基本實現了擔負全年制取洗浴熱水負荷，采暖季運行燃氣鍋爐提供采暖和井筒保溫負荷，在非采暖季停運燃氣鍋爐，只運行余熱綜合利用系統；九礦還實現了夏季通過水源熱泵機組制冷代替傳統的空調制冷。工業余熱綜合利用工程極大地優化了礦區供熱結構，減少了礦井天然氣用量，降低了礦井供熱運行費用，減少了二氧化硫和粉塵等污染物排放，改善了職工工作、生活環境，達到了預期的運行使用效果。

6經濟和社會效益分析

鶴壁礦區余熱綜合利用項目與現有燃氣鍋爐相比較，大大降低礦井天然氣用量，最大限度減少了冬季天然氣供應不足對礦井安全生產的制約。余熱利用工程全部竣工、投運后，全年共計節約運行費用約1330．6萬元，項目總投資共計約1894．43萬元，各礦投資回收期為0．8～2年，總體投資回收期1．42年，具有明顯的經濟效益和社會效益。余熱綜合利用與現有燃氣鍋爐年運行費用對比見表2。余熱綜合利用工程投運后，每年可節約標準煤15834t；相應地每年CO2排放量減少411684t，SO2排放量減少31668t，NOx排放量減少11717t，粉塵排放量減少17417t。環保效益特別顯著，改善了職工生存環境，為國家倡導煤炭企業綠色環保貢獻了力量。

7結論

鶴壁礦區從2015年下半年開始，對整個礦區的余熱資源進行了調查、分析，提出了礦區余熱資源利用的總體規劃。2016年開始實施，由鶴煤公司機電部牽頭，組織設計處、九礦等單位提出了具體實施方案，在沒有外部技術支持的情況下獨立完成了具體的工程設計，一期工程、二期工程分別于2016年底和2018年10月投入運行。余熱綜合利用系統投入使用后，礦井工業場地的采暖、洗浴及井筒保溫，優先使用工業余熱，不足部分則使用燃氣鍋爐作為補充。余熱綜合利用工程投運2年多來經驗表明，研究利用各種可再生能源、余熱資源，是提高煤礦企業經濟效益、實現環境可持續發展的必由之路。（1）對礦區空壓機油煙余熱、瓦斯發電機組煙氣余熱、礦井水余熱進行綜合利用，可有效取代燃氣鍋爐，節約了天然氣資源，有效緩解了天然氣緊張狀況，保證了井筒供暖和職工取暖，效果顯著。（2）煤礦煙氣余熱運用余熱鍋爐產生熱水，冬季用于供暖和制備洗浴用水，夏季用于制冷（辦公室空調制冷）和制備洗浴用水，工程的利用率高。（3）對鶴壁礦區的可利用余熱資源進行了調查，提出的總體利用規劃符合鶴煤實際情況，制定的技術路線正確，方案合理、可行。（4）煤礦余熱實現回收利用的關鍵在于定位煙氣余熱的品位，找出高效、節能的利用方式。本項目在前人研究成果的基礎上，對礦井水余熱、瓦斯發電煙氣余熱和壓風機余熱等的回收利用技術和途徑進行了研究，實現了多種余熱的綜合利用，取得了有實際利用價值的成果，為鶴壁礦區乃至河南能源化工集團公司各礦井提供了一整套可資借鑒的煤礦余熱綜合利用的經驗。但是由于時間和資金等因素的限制，還有諸多方面有待深入研究：①本項目重點對瓦斯發電煙氣余熱、壓風機余熱等高品位余熱資源的回收利用進行了研究，而對生活廢水、洗浴廢水等余熱資源尚未實現有效利用，有待進一步研究利用。②煤礦實現多種余熱資源的綜合利用后，目前尚處于分散運行、人工操作的狀態。因此，研究實現多種余熱利用系統的集中控制或自動控制，將會是未來煤礦余熱利用的趨勢，也必將更有助于提高煤礦企業的經濟效益和環境效益。

作者:黃濤 單位:鶴壁煤業（集團）有限責任公司