湯玲玲 祝 健 姚 曜 劉 饒

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某礦井余熱資源利用系統(tǒng)研究

湯玲玲 祝 健 姚 曜 劉 饒

（合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009）

通過對某礦區(qū)礦井余熱資源的調(diào)查與分析，應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，開展廢熱和余熱的回收利用分析與設(shè)計(jì)。利用少量的電能，采用回風(fēng)熱泵技術(shù)和壓風(fēng)機(jī)余熱回收技術(shù)，供應(yīng)礦區(qū)地面建筑采暖、職工洗浴和井筒防凍用熱的需要，取代傳統(tǒng)鍋爐房，節(jié)約煤炭的消耗量，減少環(huán)境的污染。

礦井回風(fēng)；壓風(fēng)機(jī)余熱；回收利用；經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

在我國，能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃燒，特別是煤炭礦物燃燒產(chǎn)生大量的CO2、SO2等有害氣體，所帶來的環(huán)境問題不可小覷[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦井的通風(fēng)中以及壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中含有大量熱能，利用礦井回風(fēng)源熱泵技術(shù)和壓風(fēng)機(jī)余熱回收技術(shù)回收其能量，對于改變傳統(tǒng)的煤礦供熱模式有著重要的變革意義，同時(shí)對節(jié)能減排工作同樣具有重要意義[2]。本課題的研究項(xiàng)目位于安徽省鳳臺縣城西20km處，行政區(qū)劃隸屬于鳳臺縣岳張集鎮(zhèn)。課題擬結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，應(yīng)用現(xiàn)有的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，開展余熱回收利用分析與設(shè)計(jì)，采用礦井回風(fēng)熱泵和壓風(fēng)機(jī)余熱回收新技術(shù)，為工業(yè)場地建筑提供冬季供暖、井口防凍，以及廠區(qū)全年的生活熱水提供熱源，研究和實(shí)踐“低碳運(yùn)行生態(tài)礦山建設(shè)”的理念。

1 工作原理

礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)由礦井回風(fēng)換熱器和擴(kuò)散塔（二者共同構(gòu)成回風(fēng)換熱裝置）、動力裝置、集水池、匯水槽及附件組成。礦井回風(fēng)熱回收系統(tǒng)的核心裝置是回風(fēng)換熱器。礦井回風(fēng)在風(fēng)機(jī)作用下壓入擴(kuò)散塔內(nèi)，從而使礦井回風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退?、均勻、穩(wěn)定的氣流，該氣流與回風(fēng)換熱器中噴淋出的高密度的霧化水滴充分接觸，從而完成氣水之間的熱濕交換，交換后的礦井回風(fēng)通過擋水板排至大氣，噴淋水進(jìn)入?yún)R水槽，然后輸送至熱泵機(jī)組，系統(tǒng)圖[3]如圖1。

礦井壓風(fēng)機(jī)是一個(gè)能耗比較大的礦井常用動力設(shè)備，在礦井壓風(fēng)機(jī)工作過程中，一部分熱能轉(zhuǎn)變成壓縮空氣的勢能，一部分熱能以廢熱的形式被排放到空氣中浪費(fèi)掉。同時(shí)，為降低空壓機(jī)的油溫，還需要消耗電能開動冷卻風(fēng)機(jī)來降低油溫，以保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行。利用壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的高溫油氣的熱能，通過高效熱交換器，將熱能傳遞給常溫水。如圖2原理圖所示，通過能量轉(zhuǎn)換，在降低壓縮機(jī)油溫度同時(shí)，將生活熱水進(jìn)行預(yù)加熱，實(shí)現(xiàn)廢熱回收[4]。

圖1 礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)圖

圖2 壓風(fēng)機(jī)熱回收原理圖

2 工程概況

2.1 礦風(fēng)井場總耗熱量計(jì)算

（1）7000m2地面建筑采暖，采暖室內(nèi)溫度要求18-24℃；

（2）全年約300位工作人員洗浴熱水制備，洗浴熱水溫度要求>45℃；

（3）措施進(jìn)風(fēng)井冬季防凍加熱，其進(jìn)風(fēng)量2200-2500m3/min，冬季要求進(jìn)風(fēng)溫度>2℃。

經(jīng)計(jì)算，建筑采暖最大負(fù)荷為648kW，洗浴熱水制備最大負(fù)荷195kW，井口防凍加熱負(fù)荷1725kW，見表1。

表1 供熱負(fù)荷

2.2 礦井余熱資源調(diào)查與分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該煤礦風(fēng)井場具有開放利用價(jià)值的余熱資源情況如下表。

表2 風(fēng)井場余熱資源情況統(tǒng)計(jì)

2.3 余熱量計(jì)算

（1）壓風(fēng)機(jī)余熱量

式中：Q為壓風(fēng)機(jī)余熱量，kW；為壓風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量，180kW；為運(yùn)行臺數(shù)，2臺；為平均加載率，75%；為熱回收率，65%。由式（1）得，Q為214kW。

（2）礦井回風(fēng)余熱量計(jì)算[5]

根據(jù)調(diào)查了解，該煤礦回風(fēng)風(fēng)量約6500-8500m3/min，溫度按15℃，相對濕度60%，經(jīng)過綜合取熱裝置后，設(shè)計(jì)排風(fēng)溫度2℃，相對濕度95%計(jì)算其余熱量，具體如下：

式中：Q為礦井回風(fēng)余熱量，kW；為設(shè)計(jì)回風(fēng)量，6500m3/min；為回風(fēng)密度，1.22kg/m3； H為回風(fēng)進(jìn)入綜合取熱器焓值，31kJ/kg；0為回風(fēng)經(jīng)綜合取熱器后焓值，設(shè)計(jì)12.5kJ/kg；60為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。由式（2）得，Q為2445kW。

（3）張集礦井風(fēng)井場余熱量匯總。

表3 余熱量匯總

該煤礦風(fēng)井場余熱量總計(jì)2659kW，其余熱量完全滿足風(fēng)井場供熱負(fù)荷2568kW的需求。

3 余熱利用的實(shí)施方案

根據(jù)風(fēng)井場壓風(fēng)機(jī)余熱資源情況，其熱量規(guī)模、連續(xù)性、穩(wěn)定性等指標(biāo)完全滿足該場地洗浴熱水供熱需求，故可采用該壓風(fēng)機(jī)余熱作為該洗浴熱水系統(tǒng)供熱熱源[6]。壓風(fēng)機(jī)余熱約214kW，選擇壓風(fēng)機(jī)余熱回收設(shè)備3臺，平均回收熱量為107kW，兩用一備，與壓風(fēng)機(jī)一一對應(yīng)，且連鎖運(yùn)行，采用單獨(dú)的室外管網(wǎng)系統(tǒng)。

回風(fēng)熱泵主機(jī)可選配2臺SRSL-1210，制熱量：1220kW，熱水供回水溫度：50℃/45℃，采暖季2臺主機(jī)運(yùn)行，室外設(shè)置兩套管網(wǎng)系統(tǒng)，由機(jī)房內(nèi)的集分水器接出，一套為建筑采暖用，另一套給措施井口加熱用，其他季節(jié)停用。

為了確保井筒內(nèi)的溫度滿足生產(chǎn)要求，便于運(yùn)行管理，節(jié)約能源，進(jìn)風(fēng)井空氣加熱設(shè)計(jì)選用某煤礦專用防凍型空氣加熱設(shè)備共計(jì)6臺，制熱量：303kW，風(fēng)量：15000m3/h，總供熱能力為1818kW。

4 系統(tǒng)投資估算

根據(jù)供熱系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及其主要設(shè)備選配情況[7]，經(jīng)計(jì)算該煤礦風(fēng)井場余熱回收供熱系統(tǒng)項(xiàng)目總投資約為524萬，詳見表4。

表4 余熱供熱系統(tǒng)投資估算

5 系統(tǒng)效益分析

5.1 能耗分析

（1）洗浴熱水制備系統(tǒng)全年能耗[8]

該系統(tǒng)全年只有兩臺水泵耗電，每臺1.5kW，全年365天24小時(shí)運(yùn)行，則其全年電耗為：1.5×2×365×24/10000=2.63萬kWh。

（2）建筑采暖與措施井防凍加熱系統(tǒng)

冬季運(yùn)行2臺熱泵、1臺熱水循環(huán)泵和6臺加熱機(jī)組，冬季采暖季120天，每天24小時(shí)運(yùn)行，其電耗為：（169×2×0.4+45+3×6）×120×24/10000 =57.08萬kWh。

（3）該煤礦風(fēng)井場余熱供熱系統(tǒng)全年總電耗：59.71萬kWh。

5.2 投資與運(yùn)行費(fèi)用分析

（1）能源費(fèi)用

按當(dāng)?shù)仄骄妰r(jià)計(jì)算0.68元/kWh計(jì)算，該煤礦風(fēng)井場余熱供熱系統(tǒng)全年供熱電能消耗費(fèi)用為：59.71×0.68=40.6萬元。

（2）年運(yùn)行管理費(fèi)用

余熱供熱系統(tǒng)運(yùn)行管理人員需配置約3人，平均年人工資福利按5萬元計(jì)算，其管理費(fèi)用約15萬元。

（3）系統(tǒng)設(shè)備年維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用

該系統(tǒng)總投資約524.44萬元，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，可按總投資的2%計(jì)算該系統(tǒng)年運(yùn)行保養(yǎng)費(fèi)用：524.44×0.02=10.5萬元。

（4）余熱供熱系統(tǒng)全年總運(yùn)行費(fèi)用：66.1萬元。

（5）如采用傳統(tǒng)燃煤蒸汽鍋爐供熱方式，根據(jù)前面的計(jì)算的最大設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷，需配置1臺6t/h蒸汽鍋爐。鍋爐房整體配電負(fù)荷約需60kW；燃煤蒸汽鍋爐全年綜合熱效率50%，年費(fèi)用合計(jì)為142萬元，計(jì)算見表5。

表5 燃煤鍋爐運(yùn)行費(fèi)用分析

5.3 效益分析

5.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)計(jì)算，如采用傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t總投資約為300萬，如采用余熱回收系統(tǒng)，總投資約為524.44萬，結(jié)合前面分析計(jì)算，本項(xiàng)目實(shí)施完成后，較燃煤蒸汽鍋爐供熱系統(tǒng)全年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用（142-66.1=74.1）75.9萬元。本項(xiàng)目較燃煤蒸汽鍋爐新增總投資約為（524.44-300=224.44）224.44萬元，其靜態(tài)投資回收期為：224.44/75.9=2.95年，可見本項(xiàng)目實(shí)施具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3.2 社會效益

本項(xiàng)目全年最大供熱負(fù)荷為2568kW，燃煤蒸汽鍋爐系統(tǒng)全年耗熱量為2.5萬GJ；余熱利用系統(tǒng)消耗電能79.18萬度；按我國煤電折算標(biāo)準(zhǔn)（1度電消耗0.298kg標(biāo)煤），本項(xiàng)目全年運(yùn)行相當(dāng)于消耗標(biāo)煤量為236噸；如采用燃煤鍋爐供熱，其全年綜合熱效率按50%計(jì)算，燃煤鍋爐需消耗標(biāo)煤1708噸。本項(xiàng)目實(shí)施后，可減少標(biāo)煤燃燒量1472噸，其節(jié)能減排率高達(dá)86%。減排的污染物量見表6，減排的環(huán)境價(jià)值見表7。

表6 污染物排放量

表7 減排環(huán)境價(jià)值

從上表看出：本項(xiàng)目實(shí)施后，可減排各種污染物約0.58萬噸，可獲得的環(huán)境效益約為33.1萬元。

6 結(jié)論

由以上統(tǒng)計(jì)計(jì)算及對比分析可得，采用礦井余熱資源利用系統(tǒng)，和燃煤鍋爐相比，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用97.1萬元，節(jié)約標(biāo)煤1472噸，減排各種污染物約0.58萬噸，可獲得的環(huán)境效益約為33.1萬元，具有顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[9]。礦井余熱資源利用系統(tǒng)，有效的提取了礦井回風(fēng)中的低品位能源和壓風(fēng)機(jī)的余熱，降低能耗，真正意義上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳高效運(yùn)行。

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Study on Waste Heat Resource Utilization System for a Mine

Tang Lingling Zhu Jan Yao Yao Liu Rao

( HeFei University of Technology, Hefei, 230009 )

Through the investigation and analysis of the waste heat of a certain coal mine, apply the advanced energy conservation technology to make the analysis and design on recycling of waste heat. The paper had a study on the heat pump technology and heat recovery technology, to supply heat for buildings in the industrial area in winter, wellhead freezing and everyday hot water, which replaces the conventional coal-fired boiler That will save the consumption of coal and reduces emissions of pollutants.

Mine return air; air compressor waste heat; recycle; economic analysis

1671-6612（2017）02-179-05

TU833

B

湯玲玲（1987-），女，在讀碩士研究生，E-mail：947760220@qq.com

祝 ?。?967-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：244532273 @qq.com

2015-12-09