煤矿热能综合利用系统设计方案及优化

郑凯

摘 要：根据国家相关环保政策对燃煤锅炉淘汰规定，袁店一井煤矿现有供暖采用中利电厂集中供暖+空压机余热+瓦斯发电机组余热利用+空气源热泵机组。其中余热综合利用系统的成功应用，为矿井节约资金投入，具有很高的利用和发展前景。

关键词：环境保护;余热利用;节约成本;设计优化

1  项目背景

根据国家相关环保政策，35 T/h以下的传统燃煤锅炉房必须关停，袁店一井煤矿现有三台10T/h锅炉，所以急需考虑采用其他供热方式来保证矿井冬季安全生产和职工日常生活供汽需求。

目前临涣地区可供选择的热源点只能是临涣中利电厂，电厂现有容量为4×300MW级机组，一期工程建设2×300MW，采用国产引进型循环流化床锅炉（CFB）的燃煤发电机组，已分别于2009年3月和5月投产。二期建设2×330MW国产循环流化床锅炉（CFB）的燃煤发电机组，分别于2013年6月和7月底并网发电。

目前，我矿主要存在两种余热可以加以利用。一是瓦斯发电机组余热：矿场区西南角瓦斯电厂现安装有14台发电机机组，其中500kW发电机机组6台，700kW发电机机组5台，800kW发电机机组3台，实际运行一般不低于3-4台，排烟温度500度。二是空压机余热：矿场区压风机房现安装有英格索兰压风机6台MM200型压风机，采用风冷，正常情况下不低于2台压风机运行，6台轮换使用。

全矿洗浴人数2000余人，全年日均用热水约700吨，水源为经净水站处理后的深井水，原水硬度为12-13㎎mol/L。矿井热水泵房设有池浴池一个，体积为300m3，淋浴池2个，体积合计400m3。

2  袁店一井煤矿供暖原则及改造方案

2.1  供暖原则

现有工广供热管网全覆盖，供暖面积大，24小时全天候供暖，时间长，现有供热方式不环保、不节能。

改造坚持原则：

（1）保障井口及重要车间冬季供暖。

（2）保障浴池采暖及职工洗浴。

（3）办公区域、职工宿舍、食堂，冬季采用空调供暖。

2.2  改造方案

结合矿井实际，袁店一井煤矿供暖采用中利电厂集中供暖+空压机余热+瓦斯发电机组余热利用。其中，中利电厂集中供暖解决井口及重要车间冬季供暖问题，空压机余热+瓦斯发电机组余热解决浴池洗浴，为保障余热利用系统的可靠性，在空压机余热、瓦斯发电机组余热基础上再建设空气源热泵机组一套。

（1）中利电厂集中供暖

矿井目前的供热负荷如下：

利用临涣中利电厂低热值蒸汽，安装中利电厂至袁店一井煤矿供暖管路，在中利电厂与各用汽点之间有塌陷区、农田、道路等，供热管道线路选择根据实际情况，采用架空敷设的方式，架空管道采用焊接，管径计算根据规范，按最大小时供汽量进行计算，同时考虑一定的富裕量，设备及架空管道主保温材料采用高温玻璃棉制品，采用厚度为0.5mm的彩钢板保护。埋地管路采用复合管中管，管道设计尽可能利用跨越和走向转折及调整管道高差产生自然的 π型、L型和 Z型自然补偿。为减少压损，没有自然补偿的平直管段采用无推力套筒补偿器。

（2）余热综合利用系统

空压机余热+瓦斯发电机组余热+空气源热泵机组解决浴池洗浴。各分系统单独设立保温水箱，其中余热利用系统采用内外循环独立设计，通过板式换热器实现热能的传递，余热利用系统出水温度可调整，达到设定温度后自动输送至现有热水泵房池浴池及淋浴池内。系统实现全自动控制，实现无人值守自动化操作，将矿现有热水泵房淋浴、池浴控制纳入整个系统。

3  余热综合利用系统设计

3.1  原有热水泵房淋浴、池浴控制系统

热水泵房有三个集水池，其中两个淋浴池，一个池浴池，池内热水蒸汽加热后，淋浴泵、池浴泵將水打至用水地点。具体如图1所示：

3.2 余热利用系统使用后热水泵房淋浴、池浴控制系统

（1）瓦斯发电机组余热利用装置：瓦斯发电机组烟道安装烟气余热回收热水锅炉，采用二次换热，加装可拆板式换热器，一次侧采用烟气——水换热，二次侧采用水（内循环）——水（外循环）换热，一次侧不结水垢，通过热水循环管道把热水送至集水箱，再通过供水泵送至淋浴、池浴水。内循环管路分为南北两路系统，当一路出问题后，不影响另一路系统的安全运行，具备南北两路系统同时运转的设计。

（2）空压机余热利用装置：采用二次换热，加装可拆板式换热器，一次侧采用油——水换热，二次侧采用水（内循环）——水（外循环）换热，一次侧不结水垢，空压机余热回收产生热水，通过热水循环环管道把热水送至集水箱，再通过供水泵送至淋浴、池浴水箱。压风机余热回收不应影响压风机的安全运行，同时应考虑蓄水池满水后余热回收系统与原冷却系统的自动切换。当单台压风机停机时，对应的热回收装置水路能够断开，防止单台压风机余热回收系统停机时有反水现象发生。

（3）低温空气源热泵机组，在淋浴、池浴水箱温度和水量不够的情况下自动运行。

（4）系统智能化运转，做到无人值守。控制系统具备自动开机、停机、重新启动等，监测系统工作状态，包括正常运行压力、进出水温度、油温、流量、停机、故障信息等。

有独立水质处理设备，防止供水系统结垢和腐蚀。集水箱根据水箱液位（可调）和水箱水温控制（可调），各水箱根据需要设定水位和水温，通过供水泵及电磁阀开闭实现功能。热水采用恒压供水，变频控制。

4  余热综合利用系统经济效益

冬季供暖结束后，从中利电厂供汽，因蒸汽用量少，热损大，不经济，采用余热综合利用系统，解决职工洗浴。

冬季供暖结束，经现场流量计计量，中利电厂供汽量每月约1800t，每吨180元，每月费用1800×180=32.4万元。

采用余热综合利用系统，运行成本主要是设备运转电费。空压机余热利用系统4台3kW水泵，2台4kW水泵，一用一备;瓦斯发电机组余热利用系统2台15kW，4台11kW，一用一备;空气源热泵正常运转2台，每台33kw，水泵4台11kW，4台7.5kW，一用一备。按24小时使用计算，电费按平均电价0.68元/度，月度费用为：（2×3+1×4）+（1×15+2×11）+（2×33+2×11+2×7.5）×0.68×24×30=7.344万元。

从上可以看出，采用余热综合利用系统解决职工洗浴，大大缩减了矿井开支，具有很高的经济效益。

通过实践证明，瓦斯发电机组余热、空压机余热、空气源热泵技术综合利用，以清洁、绿色能源取代了燃煤锅炉供热，在为矿井带来巨大的直接经济效益的同时起到节能减排的作用[1]。另外空压机余热技术的应用，它可以有效提高设备利用率、延长设备寿命和降低事故停机率。

随着人们节能和环保意识的提高，新旧动能转换的大趋势下，矿井余热利用技术的研究和应用必将越来越受到重视，具有广阔的应用前景。因此，有必要对矿井余热利用技术的应用进行系统深入的研究， 并将其充分应用于实践。

5  余热综合利用系统优化

5.1  内循环水质采用软化水。

由于瓦斯发电机组、空压机一次侧内循环水温较高，我矿水质硬度较大，虽有水质处理装置（硅磷晶），但水质硬度仍然存在。内循环系统虽相对稳定，每天仍需补少量水，特别是检修后放水重新补水，长期使用后，热水锅炉、板式换热器、管路结垢问题很难处理。故重新设计一趟软化水内循环补水管路，用于内循环补水。

5.2  空气源热泵机组加装板式换热器，采用二次换热。

由于空气源热泵机组为开式循环，长期使用，水质硬度大，导致空气源热泵机组内换热器结垢损坏，管路堵塞，故采用二次换热系统保证设备长期高效运转。板片式换热器，是用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片，然后叠装，用夹板、螺栓紧固 而成的一种换热器。工作流体在两块板片间形成的窄小而曲折的通道中流过，冷热流体依次通过流道，中间有一隔层板片将流体分开，并通过此板片进行换热。板式换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑，占地面积小，传热效率高，操作灵活性大，应用范围广，热损失小，安裝和清洗方便等特点。两种介质的平均温差可以小至1℃，热回收效率可达98%以上[2]。

参考文献：

[1] 王晓晴.矿井回风余热全回收利用装置[P]. CN201381870[专]/，2010-01-13.

[3] 赵宗燠. 余热利用与锅炉节能[M].宁夏： 宁夏人民出版社，1984.