張利軍

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

2018年6月，山西省下發(fā)《關(guān)于印發(fā)山西省大氣污染防治行動計劃的通知》，明確提出10月1日前，所有在用燃煤鍋爐排放大氣污染物達(dá)到特別排放限值標(biāo)準(zhǔn)，基本淘汰35 蒸t/h及以下燃煤鍋爐(含煤粉鍋爐)[1]。根據(jù)新的環(huán)保要求，新元煤礦冀家垴風(fēng)井場地燃煤熱風(fēng)爐和鍋爐需要進(jìn)行脫硫脫硝改造才能達(dá)到特別排放限值標(biāo)準(zhǔn)要求，改造工程需要大額投資，而且隨著環(huán)保壓力的進(jìn)一步加大，排放指標(biāo)進(jìn)一步降低[2]，將來可能有進(jìn)一步投資的可能性。因此，冀家垴風(fēng)井場地考慮進(jìn)行清潔能源改造。

目前煤礦替代燃煤鍋爐供熱清潔能源形式主要有燃?xì)忮仩t、電鍋爐和余熱回收利用[3]。選用燃?xì)忮仩t供熱，天然氣的供應(yīng)量不穩(wěn)定，特別是冬季采暖季節(jié)，頻繁出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況，而且運(yùn)行費(fèi)用居高不下；采用電鍋爐供熱，涉及負(fù)荷大，需進(jìn)行電力增容，工業(yè)用電電價偏高，大幅提升了系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用?；谏鲜隹紤]，該礦擬采用余熱資源綜合利用方式解決供熱問題。

煤礦的余熱資源主要包含乏風(fēng)余熱、礦井水(冷卻水)余熱、空壓機(jī)余熱和瓦斯發(fā)電廠余熱4種資源。在上述4種余熱資源的利用中，空壓機(jī)余熱資源和瓦斯發(fā)電廠余熱資源可以視為免費(fèi)余熱，僅循環(huán)水泵做功消耗電費(fèi)，同時還可以解決機(jī)組的冷卻問題，是煤礦余熱資源利用的首選；其次為礦井水(冷卻水)余熱資源，相比乏風(fēng)余熱，其投資相對較低，相比空氣源熱泵機(jī)組[4]，其機(jī)組運(yùn)行COP高，耗電量小，相比天然氣鍋爐和電鍋爐，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效果顯著；再次為乏風(fēng)余熱資源，乏風(fēng)余熱是煤礦必定有的余熱資源，且其排風(fēng)溫度穩(wěn)定，余熱量大，是不可多得的節(jié)能環(huán)保資源。在冀家垴風(fēng)井場地，上述4種資源同時存在，結(jié)合冀家垴風(fēng)井場地的壓風(fēng)機(jī)、瓦斯抽放泵、楊德電廠瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱資源條件，本項目考慮首先采用壓風(fēng)機(jī)與瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱，其次采用瓦斯抽放泵余熱來滿足冀家垴風(fēng)井場的供熱需求，替代燃煤熱風(fēng)爐與燃煤鍋爐供熱，以徹底解決燃煤熱風(fēng)爐與燃煤鍋爐供熱存在的環(huán)保問題[4]。

1 供熱負(fù)荷及余熱資源分析

1.1 供熱負(fù)荷

1.1.1 進(jìn)風(fēng)井場口防凍

冀家垴風(fēng)井場地進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量為20 000 m3/min，冬季極端最低溫度平均值為-23 ℃，通過計算可知，冀家垴的井口保溫防凍負(fù)荷為10 460 kW，考慮1.05的管網(wǎng)損失系數(shù)[5]，冀家垴實際井口保溫防凍負(fù)荷為10 983 kW。

1.1.2 建筑采暖負(fù)荷

根據(jù)煤礦現(xiàn)場資料整理，得出了建筑采暖負(fù)荷情況，其中建筑采暖面積約為30 000 m2，單位面積采暖指標(biāo)取100 W/m2，則采暖總負(fù)荷為3 000 kW?？紤]1.05管網(wǎng)損失系數(shù)，冀家垴的實際建筑采暖負(fù)荷為3 150 kW。

1.1.3 供熱總負(fù)荷(見表1)

表1 冀家垴井場地供熱總負(fù)荷

1.2 余熱資源分析

1.2.1 壓風(fēng)機(jī)余熱資源

冀家垴風(fēng)井場有壓風(fēng)機(jī)7臺，功率250 kW，6用1備，水冷方式，采用SMEET高效余熱回收機(jī)組從壓風(fēng)機(jī)油系統(tǒng)取熱，壓風(fēng)機(jī)余熱量可按以下方式計算[6]：

Qy=Nnkφ

(1)

式(1)中：Qy——壓風(fēng)機(jī)余熱量，kW；

N——壓風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量，250 kW；

n——運(yùn)行臺數(shù)(6臺)；

K——熱回收率(70%)；

φ——壓風(fēng)機(jī)平均加載率(90%)。

代入公式(1)得：Qy=250×6×0.7×90%=945 kW。

1.2.2 瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱資源

冀家垴楊德電廠目前有26 臺瓦斯發(fā)電機(jī)組，單臺發(fā)電功率500 kW，額定工況下煙氣量2 787 kg/h，煙氣溫度550 ℃，平均使用20臺。

(1)瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱量。煙道出口煙氣流量為2 787 kg/h，煙氣溫度550 ℃，經(jīng)余熱鍋爐換熱后煙氣溫度為150 ℃，煙氣由550 ℃降為150 ℃時，每小時釋放的熱量為[7]：

Q=ρL(h1-h2)

(2)

式(2)中：L——煙氣流量，m3/h；

ρ——煙氣密度，kg/m3；

h1——煙道出口煙氣溫度550 ℃時煙氣焓值，kJ/kg；

h2——取熱后150 ℃時煙氣焓值，kJ/kg。

代入公式(2)得：Q=447 kW

余熱鍋爐換熱效率為80%，20臺機(jī)組每小時可回收熱量：

Q=20×447×80%=7152(kW)

(2)瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫缸套水余熱。高溫缸套水出水溫度約70 ～80 ℃，回水約60～70 ℃，循環(huán)水量約30 t/h，按利用溫差5 ℃進(jìn)行計算，則20臺可以回收的余熱量計算式為[8]：

Q=20cρVΔt

(3)

式(3)中：Q——熱量，W；

c——水的比熱容，4.186 8 kJ/(℃·kg)；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

V——單位時間循環(huán)水體積，m3；

Δt——溫差，℃。

代入公式(3)得瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫缸套水可利用的余熱量：Q=3 483 kW。

(3)20臺500 kW瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱總量=瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱量+發(fā)電機(jī)組高溫缸套水余熱[7]：7152+3483=10635(kW)。

1.2.3 瓦斯抽放泵冷卻水余熱資源

冀家垴風(fēng)井場有瓦斯抽放泵：900 kW×4，3用1備；1400kW×2，1用1備；1600kW×2，1用1備；冷卻水循環(huán)泵200 m3/h×2，1用1備，100 m3/h×2，1用1備，溫差約在10～15 ℃。

冷卻水余熱量計算式為[9]：

Qy=cρVηΔt

(4)

式(4)中：Qy——余熱量，W；

c——水的比熱容，4.186 8 kJ/(℃·kg)；

ρ——水的密度，1 000 kg/m3；

V——單位時間循環(huán)水體積，m3；

η——換熱效率，%；

Δt——溫差，℃。

代入公式(4)得瓦斯抽放泵冷卻水余熱量：Qy=2 090 kW

則水源熱泵供熱量：Qr=Qy+Qy/2.5=2926(kW)。

1.3 余熱資源匯總

根據(jù)上述計算，余熱資源供熱能力匯總?cè)绫?所示。

表2 冀家垴井場地余熱資源匯總

根據(jù)上述計算，供熱需求負(fù)荷為14 133 kW，余熱資源供熱量14 506 kW，完全可以滿足供熱需求。

2 余熱利用方案設(shè)計

2.1 供熱系統(tǒng)設(shè)計原則

針對新元煤礦特點(diǎn)和余熱利用的技術(shù)難題，為順利解決煤礦井口保溫和建筑采暖需求，遵循以下原則進(jìn)行設(shè)計。

仿真實驗平臺建設(shè)應(yīng)切合自身情況，以提高實驗教學(xué)質(zhì)量為目的，堅持走自主研發(fā)道路。宜成立仿真實驗協(xié)會，對仿真實驗平臺建設(shè)進(jìn)行規(guī)范和監(jiān)管。建設(shè)過程中，宜由主管部門牽頭統(tǒng)籌資源，聯(lián)合研發(fā)。建成后，宜交專業(yè)職能部門接管運(yùn)營，提高共享服務(wù)能力和社會效益。

(1)采用余熱資源綜合利用，確保井口及建筑采暖供熱需求。本礦井余熱資源分散，單獨(dú)利用電廠余熱資源和空壓機(jī)余熱資源及瓦斯抽放泵余熱資源都無法解決井口及建筑采暖供熱需求，針對這種情況，通過智能自控系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)組煙氣余熱、發(fā)電機(jī)組缸套余熱、空壓機(jī)余熱、瓦斯抽放泵余熱集中收集到余熱回收機(jī)房，然后分別送至井口和各建筑采暖位置，從根本上解決了余熱資源分散、井口和建筑采暖需求熱量不足的問題。

(2)采用多系統(tǒng)獨(dú)立并聯(lián)布置，靈活高效使用各種余熱資源。在本項目的余熱資源利用中，制熱量按照提取10 ℃溫差的熱能計算，瓦斯抽放泵設(shè)計供水溫度50 ℃，余熱資源形成供熱能力2 900 kW；空壓機(jī)設(shè)計供水溫度50 ℃，余熱回收機(jī)組可形成供熱能力1 050 kW(單機(jī)供熱能力175 kW，7臺空壓機(jī)按工作6臺考慮)；發(fā)電機(jī)組煙氣余熱設(shè)計供水溫度70 ℃，可形成供熱能力8 500 kW(單機(jī)供熱能力425 kW，26臺機(jī)組按工作20臺考慮)；發(fā)電機(jī)組缸套水余熱設(shè)計供水溫度70 ℃，可形成供熱能力5 000 kW(單機(jī)供熱能力250 kW，26臺機(jī)組按工作20臺考慮)。

由上述系統(tǒng)可知，不同系統(tǒng)的工作環(huán)境和設(shè)計供水溫度均不同，因此以往簡單地將各系統(tǒng)并聯(lián)使用在水力上很難實現(xiàn)平衡。本系統(tǒng)通過在各個加熱系統(tǒng)上加裝比例電動閥對每個系統(tǒng)的流量實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時，每個系統(tǒng)在并聯(lián)使用的同時，也可以單獨(dú)供應(yīng)對應(yīng)的井口加熱機(jī)組。在其中一個系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定時，其余系統(tǒng)可以快速為其進(jìn)行補(bǔ)充，實現(xiàn)井口和建筑采暖的恒定供熱。

(3)采用智能控制系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，在保證井口保溫防凍和建筑采暖需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低能耗，實現(xiàn)超低費(fèi)用運(yùn)行。

由于煤礦余熱利用工程的不確定性和復(fù)雜性，導(dǎo)致現(xiàn)有的控制大多還局限在人工控制或者簡單的通過監(jiān)測實際溫度來調(diào)整閥門開度，無法實現(xiàn)精準(zhǔn)、快速調(diào)控。本項目采用人工智能技術(shù)，預(yù)測預(yù)判的方法，可根據(jù)環(huán)境變化快速準(zhǔn)確地計算出最優(yōu)的優(yōu)化控制方案。例如，當(dāng)環(huán)境溫度驟降，使得井口溫度小于目標(biāo)溫度時，系統(tǒng)能夠提前預(yù)知井口溫度變化，并且預(yù)測稍后一段時間的環(huán)境溫度變化趨勢，及時反應(yīng)并準(zhǔn)確地計算出當(dāng)前熱水閥門的目標(biāo)開度，從而準(zhǔn)確、快速并且平穩(wěn)地引導(dǎo)系統(tǒng)回到目標(biāo)溫度。系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的同時可節(jié)約大量熱源。其控制優(yōu)化主要原理見圖1。

圖1 余熱資源利用智能控制系統(tǒng)原理示意

2.2 綜合余熱資源利用系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱資源利用

瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱資源利用主要包括瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱資源回收和缸套水余熱資源回收[10]。余熱回收是通過在發(fā)電機(jī)組煙道出口和發(fā)電機(jī)組冷卻水管道上分別加裝一套余熱回收裝置，經(jīng)過換熱器加熱后供給熱用戶，冷卻后的循環(huán)水再被送回?zé)煹莱隹诤桶l(fā)電機(jī)組冷卻水管道上余熱回收裝置加熱，如此循環(huán)往復(fù)。瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱資源利用示意如圖2所示。

圖2 瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱資源利用示意

2.2.2 空壓機(jī)余熱資源利用

圖3 空壓機(jī)余熱資源利用示意

2.2.3 瓦斯抽放泵余熱資源利用

煤礦瓦斯抽放泵余熱，主要是從其冷卻水系統(tǒng)中取熱，采用水源熱泵技術(shù)提升其熱源溫度后用于風(fēng)井防凍與建筑采暖等，在本項目中其主要作用是在極端天氣下為井口防凍提供熱量。

2.3 熱源方案確定

根據(jù)余熱資源及負(fù)荷計算，選定26臺型號SMEET-GTSH-250/1.0的缸套水余熱回收機(jī)組、26臺型號SMEET-XFRG-6B的煙氣余熱回收機(jī)組、7臺型號SMEET-YFH-16的空壓機(jī)余熱回收機(jī)組和2臺型號SMEET-SYZ-1450GMR2的冷卻水源熱泵機(jī)組共同進(jìn)行供熱，四大系統(tǒng)通過主管網(wǎng)并聯(lián)，供至換熱機(jī)房，由換熱機(jī)房集中供至井口加熱和建筑采暖，同時，各熱源同時可以單獨(dú)向?qū)?yīng)的井口加熱機(jī)組進(jìn)行供熱，實現(xiàn)熱量和系統(tǒng)的優(yōu)化。每個系統(tǒng)上均設(shè)置流量控制閥門，根據(jù)仿真計算和現(xiàn)場調(diào)教，使得各系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境溫度自動進(jìn)行流量和溫度的控制，最終實現(xiàn)井口的保溫防凍和建筑采暖。

3 綜合余熱系統(tǒng)運(yùn)行分析

本項目采用余熱資源綜合利用，確保井口及建筑采暖供熱需求；采用多系統(tǒng)獨(dú)立并聯(lián)布置，靈活高效使用各種余熱資源[12]；采用智能控制系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，在保證井口保溫防凍和建筑采暖需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低能耗，實現(xiàn)超低費(fèi)用運(yùn)行。系統(tǒng)施工于2020年12月下旬完成后，進(jìn)行了運(yùn)行測試。

取2021年1月份每天3點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)記錄結(jié)果，繪制環(huán)境溫度和井口溫度隨時間變化曲線，如圖4所示。

圖4 井口溫度、環(huán)境溫度隨時間月變化曲線

由上述數(shù)據(jù)和曲線可得如下結(jié)論：

(1)在出風(fēng)溫度基本恒定的情況下，各系統(tǒng)的供水溫度基本恒定，穩(wěn)定供熱。即采用多系統(tǒng)綜合余熱資源利用技術(shù)，實現(xiàn)了井口的穩(wěn)定供熱；

(2)在環(huán)境溫度波動較大的情況下，通過合理的流量和溫度調(diào)控，使得井口混風(fēng)溫度維持在2～4 ℃，在保證穩(wěn)定供熱的同時，最大程度的節(jié)約了余熱資源。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)與效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1.1 原燃煤熱風(fēng)爐和鍋爐運(yùn)行費(fèi)用

新元公司冀家垴風(fēng)井場地原有燃煤熱風(fēng)爐和鍋爐運(yùn)行費(fèi)用見表3。

表3 原有燃煤熱風(fēng)爐及鍋爐運(yùn)行費(fèi)用

由表1數(shù)據(jù)得，本項目采暖季總供熱量為：(10983×0.5+3150×0.6)×150×24/10000=2303萬kW·h (8.29萬GJ)

即該風(fēng)井場目前燃煤鍋爐單位供熱量運(yùn)行費(fèi)用指標(biāo)為：663.8/2303=0.3 元/kW·h(80.07元/GJ)，是本余熱利用項目的10倍。

4.1.2 余熱資源綜合利用運(yùn)行費(fèi)用

通過實際運(yùn)行，該項目在150 d的供暖季中，實測運(yùn)行費(fèi)用如表4所示。

表4 余熱資源綜合利用運(yùn)行費(fèi)用

同理，本項目單位供熱量運(yùn)行費(fèi)用為：66.1/2303=0.03 元/(kW·h)(8.0元/GJ)。城市集中采暖費(fèi)用60～80元/GJ，只有城市集中采暖費(fèi)用的1/7～1/10；較原有該風(fēng)井場燃煤鍋爐每年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用598萬元。

4.1.3 投資回收期

燃煤熱風(fēng)爐與燃煤鍋爐如果新建除塵、脫硫脫硝系統(tǒng)，根據(jù)市場價格，每臺燃煤鍋爐與燃煤熱風(fēng)爐需要達(dá)到目前環(huán)保要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，需增加的環(huán)保投資約為80萬，環(huán)保改造費(fèi)用至少為480 萬元。

則本項目新增投資為：(1754.12-480)=1274.12(萬元)；

增量投資回收期為：1274.12÷(663.8-66.1)=1274.12/598=2.1(a)；

靜態(tài)總投資回收期為：1754.12÷598=2.9(a)。

項目設(shè)備投資1 115.3萬元，配套工程638.82萬元，總投資約1 754.12萬元，靜態(tài)總投資回收期約為3 a，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4.2 環(huán)保效益分析

該項目在150 d的供暖季中，實測耗電量為115.63 萬kW·h，余熱回收利用供熱系統(tǒng)耗電量相當(dāng)于消耗標(biāo)煤量為(1 kW·h=0.32 kg標(biāo)煤)：115.63×10000×0.32÷1000=370 t。

燃煤蒸汽鍋爐每年消耗原煤9 500 t，原煤發(fā)熱量為23.01 MJ/kg，折合標(biāo)煤量為7 464 t，則余熱回收利用供熱系統(tǒng)節(jié)約的標(biāo)煤量為：7464-370=7094(t)。

本項目減排率為：7094÷7464×100%=95.04(%)。

可以減少的各種污染物排量見表5。

表5 減少污染物排放量

改造后系統(tǒng)耗電量115.63萬kW·h/a，折算標(biāo)煤370 t/a，節(jié)能減排率達(dá)95.04%，相當(dāng)于減排SO2、NOx、PM2.5和灰渣總計8 916.7 t，具有可觀的環(huán)保效益。

5 結(jié) 論

新元煤礦余熱資源利用是多種熱源同時供熱維持供熱平衡的一次重大突破。該系統(tǒng)的應(yīng)用，充分利用了煤礦余熱資源，回收了壓風(fēng)機(jī)和瓦斯抽放泵站余熱，改善了壓風(fēng)機(jī)和瓦斯抽放泵站運(yùn)行條件；對瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱進(jìn)行回收利用，減少了瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣帶來的環(huán)保問題；回收瓦斯發(fā)電機(jī)組缸套水余熱，利用瓦斯發(fā)電機(jī)組的散熱，減少瓦斯發(fā)電機(jī)組本身風(fēng)冷散熱的電消耗。所回收余熱資源完全能夠滿足新元煤礦冀家垴風(fēng)井場地井筒防凍及建筑采暖等供熱需求，取代了燃煤鍋爐，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著，對建設(shè)綠色礦山具有重要的戰(zhàn)略意義。