洁能改造技术在矿山工业广场供热的应用

杨东蕻

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业有限公司，山西 忻州 036000）

为了减少矿山燃煤锅炉对环境的影响，计划淘汰燃煤锅炉，采用清洁能源供热技术服务于矿山日常生产活动迫在眉睫[1-3]。北辛窑煤业有限公司积极响应国家对于环境保护新要求，采用清洁能源改造技术，代替传统的“燃煤粉”技术，有效实现了矿山工业广场井筒避寒和建筑保暖[4-6]。

1 项目概况

北辛窑煤业位于山西省忻州市宁武县，设计生产能力4 Mt/a，服务年限54 a。矿井工业广场设有三台20 t/h 煤粉锅炉，对工业广场办公楼、工业建筑、井口防冻、生活热水等进行供热。矿井井筒（含主、副斜井、进风立井三个进风点）进风量共计15 265 m3/min，回风量平均为15 623 m3/min，矿井水平均排量10 000 m3/d。空压机房内使用2 台空压机，制氮机房内使用4 台空压机，洗浴、生活用热水300～500 m3/d。根据煤矿余热资源及配电负荷剩余情况，采用直冷式深焓取热乏风热泵技术联合涌水源热泵技术进行工业场地井筒防冻供热，采用空压机余热回收技术进行工业场地洗浴供热，工业场地建筑采暖部分由天然气锅炉进行补充。

2 矿井热负荷需求计算

1）井筒防冻热负荷

矿井工业广场进井筒分别为主斜井、副斜井和进风立井。冬季极端最低平均温度为-28 ℃，入井混合温度为2 ℃，井筒防冻热负荷计算如式（1）。

式中：Q为热负荷，kW；a为富裕系数，取1.1；Gr为矿井进风量，m3/s ；V为空气密度，取1.13 kg/m3；C为空气比热容，kJ/（kg·℃），取1.01；t为冬季室外最低平均温度，取t=-28 ℃。

主斜井进风量为3200 m3/min，副斜井进风量为5081 m3/min，进风立井进风量为6984 m3/min。经计算可得：主斜井井筒防冻热负荷2 007.4 kW，副斜井井筒防冻3 190.1 kW，进风立井井筒防冻4 383.9 kW。

2）生活热水热负荷

全矿生活用水最大量为500 m3/d，场区自来水平均温度按12 ℃计算，生活热水按45 ℃计算，生活用热水热负荷计算如公式（2）。

式中：C为水的比热，4.2 kJ/（kg·℃）；M为每日用水总量，kg；△T为水温差，℃。

可得Q=69.3 GJ。热量为802.1 kW。工业广场热负荷汇总表见表1。

表1 工业广场热负荷汇总表

3 矿井可利用低温热源分析

1）洗浴废水低温热源

职工澡堂最大用水量为500 m3/d。在浴池集中排放废水过程，洗浴废水排水温度按35 ℃考虑，通过换热器后温度为15 ℃。洗浴废水可提供的热量Q1=C×M×△T=486.1 kW，洗浴废水再通过热泵机组，排放温度为4 ℃，洗浴废水可提供的热量为Q2=C×M×△T=267.4 kW，热泵机组可提供热负荷为Q3=343.8 kW。洗浴废水低温热源提供总热量为Q废水=Q1+Q2+Q3=829.9 kW。

2）矿井回风低温热源

回风井的总回风量为15 623 m3/min，冬季回风温度相对恒定为7～8 ℃，相对湿度为80%，采用双级提热技术，一级提热后温度按2 ℃，二级提热后温度按-4 ℃。一级换热可提取的热量为：

二级换热可提取的热量为：

式中：Lh为风井回风量，260.4 m3/s；ρ为回风空气密度，1.13 kg/m3；H为回风热回收前焓值，风温8 ℃，相对湿度80%，焓值为23.4 kJ/kg；H1为回风一级热回收后焓值，风温2 ℃，相对湿度100%，焓值14.5 kJ/kg；H2为回风二级热回收后焓值，风温-4 ℃，焓值3.3 kJ/kg。

代入数值计算可得：一级换热可提取的热量Q1=2 618.8 kW，二级换热可提取的热量Q2=3 295.6 kW。采用乏风源热泵机组回收矿井回风二级换热量，热泵机组能效比按2.7 计算，则热泵系统可提供热负荷为5 234.2 kW。

3）矿井水低温热源

矿井水平均排水量为10 000 m3/d，排水温度为9～10 ℃，通过热泵后温度为4 ℃，矿井水可提供的热量为：Q=C×M×△T=2 430.6 kW。采用矿井水源热泵机组回收矿井水余热，热泵机组能效比按3.2计算，则系统可提供热负荷为3 535.4 kW。

4）空压机、制氮机低温热源

余热利用装置充分利用了空压机高温油气中的热能。在压缩空气站内设4 台WL-280H 型余热利用装置，与空压机1 对1 配置，则空压机可提供热负荷为：280×2×0.7=392 kW。在制氮机房内设4台WL-250H 型余热利用装置，与空压机1 对1 配置，则空压机可提供热负荷为：250×4×0.7=700 kW。

低温热源汇总见表2。工业广场采暖季最大热负荷为38 729 kW，现有低温热源有矿井水余热、矿井回风余热、洗浴废水余热、空压机和制氮机余热，可充分利用所有低温热源，可提供的最大热负荷为13 310.3 kW。矿井工业广场非采暖季只有生活热水热负荷802.1 kW，为了最大限度节省运行费用，非采暖季使用空压机余热和制氮机余热可提供的热负荷为1092 kW，满足热负荷需求，运行费用大大降低。

表2 低温热源汇总表

4 工业广场清洁能源供热技术供热改造

4.1 热源与热负荷

1）洗浴废水余热利用系统

洗浴废水余热全部用来加热生活热水，采暖季运行，洗浴废水余热可提供热负荷为829.9 kW，生活热水所需热负荷为802.1 kW，满足使用要求。

2）矿井水+矿井回风+空压机+制氮机余热利用系统

空压机余热可提供热负荷为392 kW，制氮机余热供热量为700 kW，矿井水余热利用热泵系统可提供热量为3 535.4 kW，矿井回风一级换热量为2 618.8 kW，矿井回风二级换热泵系统可提供热量为5 234.2 kW，矿井回风距离进风立井很近，一级换热量2 618.8 kW 全部用来预热进风立井进风，而进风立井总热负荷为4 383.9 kW，需要补充热量为1 765.1 kW，因此空压机+制氮机+矿井水+矿井回风热泵系统剩余热量为8 096.5 kW，用于解决回风井附近建筑物采暖。

3）燃气锅炉系统

建筑采暖及主、副斜井井筒防冻热负荷为33 543 kW，“空压机+制氮机+矿井水+矿井回风热泵系统”，采暖供热缺口25 446.5 kW，采用燃气锅炉系统。同时燃气锅炉向热泵机房板式换热器引一趟分支管路，作为热泵系统备用热源。热源与热负荷对应关系见表3。

表3 热源与热负荷对应关系

4.2 经济性分析

本项目通过空压机、制氮机余热利用系统、矿井水余热利用系统、洗浴废水余热利用系统、矿井回风余热利用系统和燃气锅炉技术，解决北辛窑煤矿工业广场建筑采暖、井筒防冻、生活热水问题，实现绿色能源回收利用、节能减排的目标。

（1）环保效益。项目实施后将实现废热回收，变废为宝，符合国家循环经济、节能减排等产业政策和山西省委省政府转型发展的总体要求。每年节约煤炭783.5 t，减排二氧化碳2 037.2 t，减排二氧化硫15.7 t，减排氮氧化物7.8 t。

（2）经济效益。项目实施后年运行费用为3 029.05 万元，较煤粉锅炉运行费用低。

（3）社会效益。项目实施后将实现污染物零排放的目标，为山西省碧水蓝天的奋斗目标做出贡献。

5 结语

本项目通过空压机、制氮机余热利用系统、矿井水余热利用系统、洗浴废水余热利用系统、矿井回风余热利用系统和燃气锅炉技术，解决北辛窑煤矿工业广场建筑采暖、井筒防冻、生活热水问题，实现绿色能源回收利用、节能减排的目标，切实解决实际问题，环保效益突出、经济效益可观、社会效益显著。