关于工业区余热系统在井筒保温中的应用

王 飞

(潞安环能股份公司 五阳煤矿，山西 长治 046205)

五阳煤矿南丰工区进风井冬季送风加热采用蒸汽供暖，热负荷约6 500 kW。工区目前供暖热源为两台8 t/h的燃气蒸汽锅炉，采用间断节气供热方式，锅炉房年耗气量约120万m3，费用达485.8万元，给企业造成巨大的经济负担。另一方面，南丰工区现有许多工业余热、废热资源未被回收利用而直接排放，造成能源的极大浪费。

1 工业区进风井冬季供暖热负荷及场地内热源分析

1.1 井口防冻所需热负荷

南丰工区进风井进风量约为15 000 m3/min。根据《煤炭工业采暖通风及供热设计规范》MT/T5013-96及《煤矿安全规程》规定，经过计算进井口冬季防冻供热负荷：按照最低温度-18 ℃考虑，则井口冬季防冻所需的热负荷最高为6 500 kW。

1.2 可利用的余热量核算

南丰工区目前投运的瓦斯发电机组共14台，坡下有4台，坡上有10台，都位于坡上。

1) 瓦斯发电机组高温缸套水余热。高温缸套水是发电机组的防冻液，成分是乙二醇水溶液。单台瓦斯发电机组的高温缸套水流量设定为40 m3/h，14台的总流量为560 m3/h，按照冬季进出机组水温70 ℃/60 ℃考虑，温差为10 ℃，热回收率80%，则所有的高温缸套水余热量为4 402 kW。

2) 瓦斯发电机组烟气余热。单台发电机组的出口烟气温度定为400 ℃，每台机组烟气流量2 000 N·m3/h，烟气比热容约是1.38 kJ/(N·m3·℃)。计划机组出口位置新建烟气换热器将烟温从400 ℃降到120 ℃，热回收率按照80%计算。瓦斯发电站的14台发电机组全开时，可回收的热量为2 405 kW。

3) 矿井水余热。目前矿井水产水量7 000～8 000 m3/d，余热利用按7 000 m3/d(250 m3/h)计算，冬季水温按9 ℃计算。矿井水按照余热利用后回水温度5 ℃计算，可回收4 ℃温差的热量，换热效率按照80%考虑，约929 kW。

加载率暂时按90%计算，回收率按照70%计算，单台余热回收设备可利用的热量为157.5 kW。

5) 瓦斯抽放泵站余热。瓦斯抽放站循环水总流量为40 m3/h，冬季出水水温为35 ℃，进水水温为25 ℃，通过冷却塔向外散热。换热效率按照80%考虑，则可利用的余热量为372 kW。

经过以上计算，可供利用的总余热量8 265 kW。

1.3 余热核算结果

通过对以上4处热源进行分析，总余热量约为8 265 kW，而该工业区进风井热负荷约为6 500 kW。经过对比，该工业区余热资源完全可以替代该进风井井筒冬季保温需求。

2 余热利用技术分析

余热利用技术主要针对南丰工区各处余热点的热量进行处理和回收，采暖季高温缸套水通过板式换热器制取热水给井口空气加热器的冷风预热。主要包括以下几大系统：瓦斯发电机组尾气余热系统、高温缸套水余热系统、矿井水余热利用系统、空压机余热利用系统和瓦斯抽放站循环水余热系统。

2.1 瓦斯机组尾气余热利用系统

该工区瓦斯发电机组共14台，一期4台地势稍低，10台在地势稍高的坡上。单台功率均约420 kW，烟气量2 000 N·m3/h，烟气温度400 ℃。坡下的4台机组尾部出口烟气汇合后新上1台烟气换热器；坡上南侧的5台机组出口高温烟气汇合成一处，北侧的5台机组出口烟气汇合成一处，各上1套烟气换热器，这样瓦斯发电站房总共需要3套烟气换热器系统。尾部高温烟气从瓦斯发电机组出来，经过烟气换热器与软化水交换热量，高温烟气换热后由400 ℃降至约120 ℃，降温后通过引风机和烟囱排放。软化水先注入余热水箱，通过水泵与高温尾气在烟气换热器中充分换热，温升为10 ℃，最终可产出高达90 ℃的热水。所有3台烟气换热器产出的热水汇合进入余热水箱，温度达到85～90 ℃，经余热水泵工作汇合后的热水分成两部分。一部分通过板式换热器给二次侧的高温缸套水补热，这样可将缸套余热水的温度由63 ℃提高到约69 ℃。尾气处理设备全部放置在瓦斯发电站房后的露天水平段，软化水制取设备可放置在旁边的泵房，板式换热器、余热水箱、水泵等放置在新设的换热站房中。

2.2 高温缸套水余热利用系统

1) 井口加热室原来共有10台蒸汽热风机(空气加热器)，矿区锅炉房产出的饱和蒸汽在热风机中与冷空气进行换热，制取热风后汇入井口，单台风量为50 000 m3/h。对全部热风机进行改造，换热段变成两级，第一级热源为热水，第二级为蒸汽(仍然由锅炉房供应)，室外冷风先后与热水和蒸汽进行换热升温后进入井口。

2) 瓦斯发动机高温缸套水防冻液出水温度约70 ℃，回水约60 ℃，温差一般在10 ℃。坡下的4台机组的缸套水原采用冷却塔进行水冷散热，坡上的10台机组原采用风冷散热模块，由于距离较远，先将单台机组的缸套水通过板换与循环水进行换热。高温缸套水换热后温度由70 ℃降为60 ℃回到发电机组中，二次侧热水由50 ℃升为63 ℃，升温后的热水通过水箱汇集，汇合后的热水量约350 m3/h，管径为DN300。

为了进一步提高进入空气加热器的水温，二次侧的循环水从水箱出来后再与烟气换热器的热水换热，温度升到约69 ℃，之后通过循环水泵进入空气加热室10台热风机的第一级换热段，将室外冷风从-10 ℃升温到约17 ℃，热水换热降温到50 ℃再回到汇集水箱中，一个循环完成，非采暖季缸套水通过瓦斯发电机组自带的冷却塔或者风冷散热器降温，之后回到电机循环工作，不再给空气加热器工作。

随着科学技术的发展，无人机遥感技术目前已经在我国地质灾害检测中得到了初步应用。通过无人机遥感技术给地质灾害监测带来了极大的便利，具有良好的发展前景。无人机遥感技术由简单的传感装置，任务载荷系统以及无人机主机三部分构成。通过这三部分的工作可以实现最快速度的高精准度测绘工作，应急救援工作以及地质灾害全面评估工作。无人机遥感技术有着巨大的开创潜力，希望通过本文可以对相关人士有所帮助，开创出更加新颖具有实际意义的无人机遥感技术在地质灾害监测中的应用。

2.3 矿井水余热利用系统

矿井水通过2台水源热泵提取热量，制取的热水先集中进入缓冲水箱，再经循环水泵打到板式换热器给高温缸套水的供暖水回水补热。水源热泵机组从一侧矿井水中吸取热量，通过少量的高位电能输入，使另一侧的热水温度升高，供风冷换热器回水补热升温，实现了低位热能向高位热能的转化。

矿井水侧的进出口温度为9 ℃/5 ℃，主管径DN200。水源热泵冷凝器侧的进出口温度为58 ℃/65 ℃，主管径DN150。水源热泵制取的热水通过缓冲水箱和水泵进入板式换热器，将空气加热室风冷换热器的回水从50 ℃升温到52.5 ℃，循环水降温成58 ℃回到水源热泵冷凝器侧，一个循环完成。

2.4 空压机余热系统

南丰工区共有4台空压机，由于其中1台长期备用，故给3台空压机安装换热器。将空压机油气分离器出油口对接到换热器进油口上，将换热器出油口对接到空压机温控阀处，经过降温换热制取热水。3台设备制取的热水先集中进入汇集水箱，再经循环水泵打到井口加热室的室内暖气片系统，降温后回到汇集水箱。

2.5 瓦斯抽放站循环水余热利用系统

南丰工区瓦斯抽放站循环冷却水40 m3/h，出水40 ℃进冷却塔冷却后进入冷却水池，潜水泵抽取水池冷却水进抽放泵再次循环冷却。余热利用设计在水池新增2台潜水泵，通过橡胶管连接将水池热水供给坡下瓦斯发电围墙外换热设备，一次侧采暖系统补水或回水作为冷却水循环水，二次侧使用抽放泵站水池水，通过板换设备将抽放泵站热量提取汇集到余热站房水箱。

3 余热系统建设及调试运行中存在主要问题及解决办法

原设计中对空气加热室内的暖风机蒸汽板换全部拆除，并对暖风机风道进行改造，将热水换热器安装至蒸汽换热器前段，对整个换热系统进行重新安装，预计施工工期需要一个月。

经过对原暖风机内的换热机组进行调研，经过论证，把原有的蒸汽4组换热器，拆除两组，保留原有蒸汽系统的1/2换热能力，将余热利用换热器安装至风机至原有蒸汽换热器之间。这样节约原有拆除蒸汽换热系统的1/2工期，安装工期100%。同时不破坏原有风道及蒸汽供暖系统在。优化施工方案后，原燃气锅炉蒸汽供暖系统的正常运行不受影响。同时又缩短了风道改造的工期，使得风机内部换热系统改造时间缩短了2/3,缩短此处工期20 d，加快了整个工程的施工进度。

工程系统调试过程中，对比原燃气锅炉供暖风机温度低20 ℃。原有暖风机的给风量与额定风量存在差距，致使热风给风量与井筒整体进风量占比较低。而原设计井筒进风量15 000 m3/min。按风机额定50 000 m3/h(833.3 m3/min)，暖风补给量为8 000 m3/min，冷风补给量7 000 m3/min，暖风占比53%。按风机额定50 000 m3/h(833.3 m3/min)，实测9台风机给风量约560 m3/min，1 台进风量约300 m3/min。实测暖风补给量约5 340 m3/min。实测约13 000～14 000 m3/min。暖风占比38.14%～41%。

对调试中存在的问题进行优化解决。为了解决暖风占比偏低的问题，经过现场调研利用南丰工区闲置4台额定风量80 000 m3/h的暖风机，通过修建供风风道、增加暖风机用于供暖，经过实测，每台风机给风量约为850 m3/min，新增暖风量约3 400 m3。集合原有10台风机的实测风量5 340 m3/min，使得暖风供风量达到8 000～8 700 m3/min，暖风占比达到57%～62%(按井筒进风量13 000～14 000 m3/min核算)。有效提升井筒供热保温效果。

4 余热系统在井筒保温中供暖效果

经过对设计及调试运行中存在的问题优化，在运行过程中对供暖效果进行多次监测。得出如下结论：

1) 主系统换热温降在室外温度-3 ℃～0 ℃之间时，温降约为5℃。在不启用水源热泵、瓦斯套缸水余热、烟气余热，取热效率为60%～70%时，开启11台风机(3台新增风机、8台原风机)，暖风给风量约6 500～7 100 m3/min。出风温度为30 ℃～33 ℃，冷空气增温约33 ℃，混合进风温度约15 ℃～17 ℃。

2) 在室外温度-11 ℃时，在未开启水源热泵补热的情况下，开启风机11台，主系统温降7 ℃，井口混合进风温度约10 ℃。

3) 根据以上数据测算，在室外温度-16 ℃时，混合进风温度约2.6 ℃。

4) 在启动水源热泵补热及有效利用瓦斯发电站的余热，基本满足极端天气-18 ℃时井筒保温要求。

5) 基本可以替代现有南丰燃气锅炉，年节约天然气约120万m3。节约燃气成本约400万元，节能能耗1 463 t标准煤，减排氮氧化物及烟尘。通过分享节能收益的模式，较以往采用燃气锅炉供暖可节约成本约100余万元。隐含经济效益约300余万元(为了节约天然气，以往采用夜间烧炉保温，白天不烧的模式供暖，而余热利用则是24 h供暖。)

5 结 语

随着国家节能减排的政策发展，合理地开发利用煤矿企业现有或潜在的余热资源。将余热应用于冬季井筒保温，一方面节约了常规供暖模式天然气、电能等能源。另一方面降低了企业的冬季供暖成本，同时又做到了降耗减排的效果。对工矿企业的节能减排、降本增效具有重大的意义。