姜濤

摘要： 根據(jù)國家環(huán)保政策對(duì)燃煤鍋爐淘汰規(guī)定，田陳煤礦北井采用礦井余熱方式解決礦工洗浴熱水，以及生活辦公采暖和井口冬季保溫及防凍；夏季亦可制冷用于井下降溫和職工生活。

Abstract： According to the national environmental protection policy on the elimination of coal-fired boilers， the north well of Tianchen Coal Mine adopts the mine waste heat to solve the miners' bathing hot water problem， as well as the living office heating and wellhead winter insulation and antifreeze； in the summer， it also can be used for cooling the well and employees.

關(guān)鍵詞： 風(fēng)井；余熱；利用技術(shù)；研發(fā)

Key words： air shaft；waste heat；utilization technology；R&D;

中圖分類號(hào)：TD72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）21-0116-02

0 引言

根據(jù)國家環(huán)保政策對(duì)燃煤鍋爐淘汰規(guī)定，田陳煤礦北井鍋爐屬于被淘汰之列，明確規(guī)定必須停止運(yùn)行。為此田陳煤礦北井采用礦井余熱方式解決礦工洗浴熱水，以及生活辦公采暖和井口冬季保溫及防凍；夏季亦可制冷用于井下降溫和職工生活。

1 目前田陳北井鍋爐運(yùn)行基本情況概述

田陳煤礦北井目前常駐5個(gè)采掘及機(jī)電區(qū)隊(duì)，常駐職工約900人，使用1臺(tái)4T/h和1臺(tái)2T/h燃煤蒸汽鍋爐，供北井工廣區(qū)域職工洗浴和冬季采暖，副井口保溫防凍。

1.1 北井供暖及洗浴基本要求 ①工業(yè)廣場(chǎng)建筑冬季供暖（面積9735m2）。冬季供暖要求新建系統(tǒng)供暖面積大于10000m2，并留有20%以上的余量，系統(tǒng)供水溫度：45-50℃，要求室內(nèi)溫度不低于24℃；副井口進(jìn)風(fēng)量7100m3/min，副井筒進(jìn)風(fēng)溫度≥5℃。供暖時(shí)間為120天，即11月15日至次年3月15日。天氣發(fā)生異常情況時(shí)，應(yīng)提前或延長供暖時(shí)間±10天。浴室、更衣室需根據(jù)天氣情況提前或延長供暖時(shí)間30天。②洗浴熱水（400立方/天）。洗浴熱水要求：池浴水高于45℃，淋浴水適當(dāng)高于45℃以上，全天洗浴熱水按400m3設(shè)計(jì)。浴室內(nèi)噴淋設(shè)施承包方須重新設(shè)計(jì)，重新安裝噴頭和自動(dòng)控制閥門，人離水停，節(jié)約用水。③夏季澡堂更衣室及食堂供冷（面積2000m2）。夏季系統(tǒng)冷水溫度，達(dá)到7～12℃，風(fēng)機(jī)盤管具備除濕功能，總供冷面積大于2000m2，要求室內(nèi)溫度不高于24℃。④副井口夏季制冷：90天。具體運(yùn)行時(shí)間，據(jù)氣溫情況確定。夏季至少運(yùn)行一臺(tái)機(jī)組專向井口供冷，且具備除濕功能，副井口進(jìn)風(fēng)量7100m3/min。下井口進(jìn)風(fēng)溫度比井上氣溫最少降低6℃，必要時(shí)可進(jìn)一步降溫。

1.2 實(shí)際熱力負(fù)荷需求情況 ①廣場(chǎng)建筑采暖熱負(fù)荷：681kW；②副井口保溫與防凍熱負(fù)荷：1946kW；③洗浴熱水負(fù)荷：580kW；④總熱負(fù)荷3207kW。

1.3 北井燃煤鍋爐運(yùn)行費(fèi)用情況 目前田陳北井共有鍋爐司機(jī)、水質(zhì)化驗(yàn)工、兼職維修工等共10人，年統(tǒng)計(jì)燃料約1833噸。北井燃煤鍋爐年運(yùn)行費(fèi)用265.1萬元。

2 北井可供利用的余熱情況分析

2.1 可利用熱源分析 ①礦井通風(fēng)機(jī)乏風(fēng)情況：田陳煤礦北井礦井排風(fēng)量7100m3/min，冬季排風(fēng)溫度>22℃，相對(duì)濕度85%。夏季排風(fēng)溫度28℃，相對(duì)濕度>90%。②空壓機(jī)余熱利用情況：目前安裝有空壓機(jī)4臺(tái)，其中60 m3/h三臺(tái)，30 m3/h一臺(tái)，正常時(shí)，一臺(tái)60m3立方/h空壓機(jī)常時(shí)運(yùn)行，另一臺(tái)30m3/h空壓機(jī)間斷運(yùn)行（約10h/d）。③有一座污水處理站可供利用。污水處理量約400 m3/d，溫度18℃左右。

2.2 可利用熱源能力計(jì)算： ①礦井乏風(fēng)可提取供熱量：4918kW；②空壓機(jī)供熱量：321kW；③余熱總熱負(fù)荷：5239kW。

2.3 余熱利用結(jié)論 通過分析計(jì)算，礦井乏風(fēng)及空壓機(jī)可提供的供熱能為5239kW，實(shí)際需要的熱負(fù)荷為3207kW，完全可以滿足用熱需求。

2.4 礦方可利用的設(shè)施 ①可利用鍋爐房現(xiàn)有沉降水池改造為新建系統(tǒng)調(diào)節(jié)水池，可利用現(xiàn)有鍋爐房及值班室改造為新建系統(tǒng)機(jī)房。②可提供6000V接入口給乙方新安裝的箱變供電。③可利用現(xiàn)有地暖和暖氣片采暖及管路系統(tǒng)，但必須滿足采暖要求，現(xiàn)有換熱機(jī)組需要更換。

3 擬采用的熱能綜合利用技術(shù)

3.1 空壓機(jī)余熱回收利用技術(shù)方案 空壓機(jī)工作最終是一個(gè)等溫壓縮過程，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量熱能，實(shí)際運(yùn)行中大約超過65%以上的功率會(huì)產(chǎn)生熱能，僅有40%左右功率產(chǎn)生空氣勢(shì)能。目前壓風(fēng)機(jī)采用水循環(huán)加冷卻塔方式給予壓縮機(jī)冷卻，以保證壓風(fēng)機(jī)正常工作。

余熱利用方案擬采用外置高效換熱器，改造目前水冷卻方式，提取空壓機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，而且冷卻效果更優(yōu)異，可回收余熱制備最高75℃的熱水，用于洗浴。

空壓機(jī)熱水機(jī)特點(diǎn)：①可以很簡單全自動(dòng)清洗換熱器的水垢；②節(jié)能效果好（節(jié)能60%）；③解決水/油可能滲透的問題；④控制油溫，空壓機(jī)油溫在80～90℃；⑤回收空壓機(jī)軸功率的60%，產(chǎn)熱水量多；⑥水溫的精準(zhǔn)控制，進(jìn)水溫度10～20℃，循環(huán)一次產(chǎn)生熱水溫度高達(dá)60℃；⑦圓管結(jié)構(gòu)油道順暢，阻力小，油氣壓降??；⑧提高空壓機(jī)的產(chǎn)氣量8～10%；⑨減少冷卻系統(tǒng)60%的負(fù)荷；⑩使用壽命達(dá)10年以上；{11}能為工廠降低能耗3～7%。

3.2 礦井乏風(fēng)換熱技術(shù) 目前的礦井乏風(fēng)換熱技術(shù)噴淋水風(fēng)水換能方式：噴淋式回風(fēng)換熱系統(tǒng)是采用二次循環(huán)方式（即風(fēng)-水熱交換，水-氟利昂熱換熱器交換兩個(gè)過程）。主要包括擴(kuò)散塔、回風(fēng)換熱器、循環(huán)水池、熱源水循環(huán)泵等?；仫L(fēng)換熱器噴淋水在換熱器和擴(kuò)散塔中與回風(fēng)充分接觸換熱后，經(jīng)管路匯流至循環(huán)水池。熱源水循環(huán)泵將循環(huán)水池的水供至水源熱泵機(jī)組，為其提供熱源，之后返回回風(fēng)換熱水池完成熱源水循環(huán)，換熱循環(huán)水泵將從熱泵機(jī)組提取熱量后的循環(huán)水再次送入回風(fēng)換熱器，完成換熱水水循環(huán)。其基本原理就是利用氟利昂液態(tài)氣態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生吸熱與放熱過程進(jìn)行熱能交換，制備熱水或冷水，也就是日常的空調(diào)機(jī)原理。其物理學(xué)原理是利用“淋水式表焓取熱”原理，將熱量轉(zhuǎn)換到循環(huán)水中，再用熱泵回收循環(huán)水中熱量的辦法，回收乏風(fēng)的余熱。

4 余熱回收利用技術(shù)方案

利用礦井乏風(fēng)余熱、空壓機(jī)余熱，建設(shè)“田陳煤礦北井余熱綜合利用項(xiàng)目”用于田陳煤礦北井建筑的冬季供暖及副井口保溫與防凍、全年職工洗浴熱水制備及夏季澡堂更衣室、食堂供冷的需求。熱泵機(jī)組根據(jù)熱負(fù)荷的大小調(diào)節(jié)運(yùn)行數(shù)量，關(guān)閉機(jī)組的同時(shí)關(guān)閉機(jī)組的電動(dòng)閥，減少循環(huán)水量。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組和水泵的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。全系統(tǒng)采用集中控制，參控設(shè)備約50臺(tái)，采用計(jì)算機(jī)+PLC控制。根據(jù)主要工藝流程，集控系統(tǒng)包括熱泵機(jī)房系統(tǒng)、回風(fēng)換熱系統(tǒng)、井口空氣加熱系統(tǒng)等。

4.1 熱泵運(yùn)行方式：熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)根據(jù)熱水供回水的熱量和溫差進(jìn)行控制。開啟機(jī)組時(shí)開啟相應(yīng)機(jī)組電動(dòng)閥。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)先開啟供水設(shè)備、水處理設(shè)備，再開啟補(bǔ)水設(shè)備，補(bǔ)水完成后，開啟循環(huán)泵，待循環(huán)流量達(dá)到機(jī)組的要求后，開啟機(jī)組。關(guān)閉順序反之。

運(yùn)行方式選擇：本系統(tǒng)設(shè)有集中控制和就地控制兩種方式。集中控制又分為聯(lián)鎖自動(dòng)、聯(lián)鎖手動(dòng)和手動(dòng)三種方式，其中聯(lián)鎖自動(dòng)用于正常生產(chǎn)，自動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)各設(shè)備按程序自動(dòng)啟停；聯(lián)鎖手動(dòng)時(shí)，需按各設(shè)備間的聯(lián)鎖關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)界面啟停。手動(dòng)和就地時(shí)沒有聯(lián)鎖關(guān)系，只用于檢修和調(diào)試。

4.2 分季節(jié)運(yùn)行方案 ①冬季供暖季，運(yùn)行乏風(fēng)采熱系統(tǒng)水源熱泵機(jī)組工作向工廣建筑和井口供暖，另取部分熱能供洗浴用水，壓風(fēng)機(jī)取熱系統(tǒng)運(yùn)行供洗浴用水。②夏季供冷季，運(yùn)行乏風(fēng)采冷系統(tǒng)水源熱泵機(jī)組向工廣建筑和井口供冷，另取部分熱能供洗浴用水，壓風(fēng)機(jī)取熱系統(tǒng)運(yùn)行供洗浴用水。③春秋（非供暖、供冷）季供暖季，乏風(fēng)采暖系統(tǒng)水源熱泵機(jī)組停運(yùn)，只運(yùn)行壓風(fēng)機(jī)取熱系統(tǒng)供洗浴用水，不足部分運(yùn)行空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)充。

5 主要裝機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)概況

所選設(shè)備均為能耗指標(biāo)先進(jìn)的節(jié)能產(chǎn)品，如選用能效比高的變頻降膜式螺桿水源熱泵機(jī)組。熱水和熱源循環(huán)泵均采用變頻啟動(dòng)、調(diào)速控制，使水泵的設(shè)備功率輸出，隨系統(tǒng)所需水量的變化而變化，使其始終在高效區(qū)運(yùn)行。

6 采用的運(yùn)行模式

①冬季供暖費(fèi)用：冬季供暖期為120天，水源熱泵機(jī)組輸入功率為306.4kW。2臺(tái)熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行24小時(shí)/天，滿負(fù)荷運(yùn)行折算系數(shù)取0.6。循環(huán)水泵等其他設(shè)備功率按熱泵機(jī)組輸入功率的30%計(jì)算，電費(fèi)0.65元/度，則冬季水源熱泵運(yùn)行費(fèi)用為：306.4×120×24×0.6×0.65×1.3×2=89萬元。②熱泵機(jī)組制備洗浴熱水年運(yùn)行費(fèi)用：制洗浴熱水熱泵功率86kW，機(jī)組每天運(yùn)行16小時(shí)。循環(huán)水泵等其他設(shè)備功率按熱泵機(jī)組輸入功率20%計(jì)算，電費(fèi)0.65元/度，全年熱泵機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用：86×16×245×0.65×1.2=26萬元；新系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用：89+26=115萬元。本項(xiàng)目礦井單位不作任何投資，不承擔(dān)建設(shè)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，采用合同能源管理模式運(yùn)作，承包運(yùn)行六。期間礦方只需每年將節(jié)約的原來的運(yùn)行費(fèi)用按適當(dāng)比例和年限劃撥給投資方即可，所有的投資、管理、設(shè)備維護(hù)、系統(tǒng)運(yùn)行都交由投資方即可，礦方只享受服務(wù)，不用參與任何事情。第七年各項(xiàng)投資產(chǎn)權(quán)礦方。

7 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

①本項(xiàng)目中涉及一種風(fēng)塔換熱裝置，具體為一種礦井排風(fēng)風(fēng)塔二相流體高效逆流混合換熱系統(tǒng)。解決了目前礦井排風(fēng)換熱技術(shù)換熱效率低、飄水率高、建設(shè)成本高的問題。②本項(xiàng)目中涉及空壓機(jī)高效油-水換熱系統(tǒng)技術(shù)，解決了系統(tǒng)面臨的管道結(jié)垢、換熱效率低、清洗維護(hù)困難的問題。③系統(tǒng)春秋兩季提取生活中水的熱量制備洗浴熱水，達(dá)到廢水利用，節(jié)能環(huán)保的目的。該技術(shù)2017年8月開工，11月15日運(yùn)行，應(yīng)用完成后年節(jié)約資金100萬元，并且徹底解決燃煤鍋爐問題，節(jié)能量1365噸標(biāo)準(zhǔn)煤/年，減少二氧化碳排放3412噸/年，減少碳排放928噸/年，減少二氧化硫排放102噸/年，減少氮氧化物排放51噸每年，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

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