基于多种余热资源利用的供热系统应用研究

朱 剑，魏晓峰，方 星，冯非凡

(通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031)

在矿井建设、生产过程中通常存在着余废热资源，如空压机余热、矿井回风余热等，有效利用此类资源可减少一次能源消耗，提高能源利用效率[1]。花草滩煤矿位于甘肃省张掖市山丹县东部，其建筑物供暖、井筒防冻及浴室供热负荷由3台10 t/h燃煤链条炉排蒸汽锅炉供热。目前，锅炉已运行近10 a，出现出力不足、锈蚀、损坏等现象。为贯彻“高效运营、绿色环保”的矿井建设发展理念，结合煤矿生产实际和政策要求[2，3]，淘汰现有燃煤锅炉，新增热源并改造现有供热系统，以解决煤矿用热问题。根据现场调研情况，煤矿周边无区域集中热源可资利用，且当地燃气与燃油供应不足。通过调查分析煤矿生产过程中产生的余热资源，本研究提出了一种基于空气能、空压机余热及回风余热利用的供热方案。该方案利用煤矿优质余热资源供热，投资运行费用低，对减少一次能源消耗及碳排放具有积极意义，经济效益和环境效益显著。

1 煤矿热负荷

煤矿热负荷分为建筑物供暖、浴室供暖及井筒防冻三部分。其中，建筑物供暖由室内散热器系统供应，热媒为热水，运行温度65/50 ℃，供暖总热负荷8232.2 kW；浴室供热分为浴室加热和洗衣、烘干供热，加热热媒为0.3～0.4 MPa饱和蒸汽，浴室供热热负荷2431.6 kW；井筒防冻采用工业热风器，分别布置在井口两侧的空气加热室内，确保井口进风温度达到2 ℃以上，井筒防冻热负荷3724.0 kW。热负荷汇总见表1。

表1 热负荷汇总

2 煤矿余热资源分析

针对煤矿工艺特征，发掘其生产过程中产生的余热资源。同时，找出煤矿所在地自然环境中可利用的余热资源。

2.1 煤矿回风余热

煤矿回风温度受室外气温影响较小，冬季相对稳定，是一种可资利用的低温热源。煤矿回风热能提取的回风风量大，如果增加换热设备不当很可能会增加阻力，造成煤矿通风机电机负荷加大，浪费电能，甚至会影响煤矿通风质量[7]。根据现场调研，花草滩煤矿回风风量、温度和湿度全年较为稳定，且随着井下开拓的延深，进风量、回风量同步增加，可采用煤矿回风热能提取装置直接换热提取回风余热。冬季时煤矿回风风量为5953 m3/min，回风温度22 ℃，相对湿度69%；根据回风余热提取方式不同，提取热量后的回风温度为2～12 ℃，可从煤矿回风余热中提取的热量4800～2600 kW。花草滩煤矿通风方式为副井进风，主井回风，主副井距离150 m。进、回风井的距离和周边场地均具备布置回风余热设施的条件。因此，回风余热是该项目优质的余热资源。

2.2 矿井水余热

目前，矿井水正常排水量约100 m3/h，排水温度20 ℃左右，考虑到矿井水处理过程散热损失，取冬季可利用温差为10 ℃，则矿井水余热量约1100 kW。为了达到煤矿废水零排放，矿方将采用先进技术手段在井下对矿井水进行处理及综合利用，逐步减少矿井水上井量，最终达到矿井水全部井下利用。因此，不考虑矿井水余热资源利用。

2.3 空压机余热

煤矿空压机房设置4台风冷式螺杆空压机(3用1备)，单台电功率为250 kW。根据现场实际运行情况，煤矿最少2台空压机24 h运行，第3台根据井下生产情况进行调整。空压机在运行时，约有80%的电能转化为热量，通过风冷或者水冷的方式排放到空气中，该部分热量中有82%可被回收利用，计算可得：空压机运行24 h可制备的热水量(即每天热水产量)为226 m3，满足煤矿每日150 m3洗浴用水量需求。目前，空压机余热利用技术成熟、设备市场化水平较高，并已广泛应用于厂矿企业的洗浴、供暖等领域[8-11]。因此优先利用该余热资源。

2.4 空气能

空气能，是指空气中所蕴含的低品位热能。根据热力学第二定律，热量不可能从低温热源传到高温热源而不引起其他变化。所以，要利用低品位热能-空气能时，需要采用空气源热泵技术，从空气中吸收热量并传到高温物体或环境。目前，我国空气源热泵技术已广泛应用于民用、工业建筑物供暖和热水供应[4-6]。花草滩煤矿地处严寒地区，热泵选型是保证空气能有效利用和供暖效果的关键。双极型空气源热泵能在严寒条件下有效利用空气能供暖，同时可避免普通型空气源热泵在同类条件下运行时存在的吸气比容大、吸气压力降低、压比增大、排气温度过高，导致能效比(EER)急速下降的问题。该型热泵由低温级和高温级两个独立的冷媒系统耦合组成，低温级通过其冷媒优良的低温环境蒸发性能，从环境中吸取低品位热能转移至高温级。高温级运用其冷媒高冷凝温度低系统压力的物理性质，通过冷凝蒸发器的耦合使压缩机维持在合适的压比，可稳定制取供暖热水，使系统能效比保持在较高水平，保证供暖效果。因此，优先考虑使用空气能。

2.5 太阳能

项目所处地区太阳能年辐射量属一类地区，太阳能资源丰富。经计算，该地区太阳能集热器产生1 m3热水需要的建筑面积约为15 m2。由于该项目实施主要位于工业场地内，可利用的地面场地有限，且建构筑物多为车间、行政办公等已有建筑物，屋顶改造难度大。综合考虑热负荷情况，当其他能源不能满足供热改造需求时，再考虑利用太阳能。

3 供热改造方案

依据煤矿用热负荷、余热资源分布特点及供热方案设计原则，确定了一种基于煤矿余热资源利用的供热系统：建筑物供暖由空气源热泵系统供应，浴室洗浴由空压机余热利用系统供应，井筒防冻由低温热管回风余热利用系统供应。

1)空气源热泵系统。空气源热泵系统由双级高温热泵机组[12]、水泵、补水定压装置及水箱等组成。其中，双级高温热泵机组通过两个独立冷媒系统耦合运行，能在极低温度空气中提取低品位热能，以确保供暖系统在当地严寒气候条件下正常运行。考虑到煤矿工业场地与公司驻地距离3 km，且各区域内供暖建筑物分布疏密不均，空气源热泵供暖系统采用分布式布置，将区域内距离相近的供暖建筑物作为一个供暖区域，共划分为7个系统区域，每个区域设置空气源热泵设备和辅助设备机房一座，并利用就近的室外供暖管网。系统热负荷及热泵机组配置详见表2。

表2 系统热负荷及热泵机组配置

2)空压机余热利用系统。空压机余热利用系统主要设备包括空压机热回收机组、水-水换热器、循环水泵、管路等，通过换热器提取空压机中的部分压缩热，制得60/50 ℃热水，通过间接连接换热系统将洗浴用水加热至45 ℃，洗衣烘干用蒸汽供应改造为电加热方式。

3)回风余热利用系统。目前，国内煤矿回风余热利用方式主要有：喷淋式换热+热泵、气-液间壁式换热+热泵、低温热管。①喷淋式换热+热泵方式通过取热水和回风直接接触提取热能，系统由喷淋间、循环泵、储水及补水系统组成，设备设施多、运维工作量大，受制于回水温度影响，其取热温差小，能耗、水耗较大。②气-液间壁式换热+热泵方式通过闭式循环水系统换热，在添加乙二醇后可实现较大温差取热，能耗和水耗与喷淋式换热+热泵方式相当。③低温热管方式利用风-风间壁方式通过热管将回风加热进风，可实现大温差取热，系统设备少，运维工作量小，能耗和水耗均小于其他二种方式，对矿井通风系统运行基本无影响。当地干燥缺水、冬季严寒，结合三种回风余热利用方式特点，确定采用低温热管方式，该方式系统简单、运行成本低、检修维护方便，负荷适应性强，且不存在结冰风险，场地条件满足设备和风管布置需求。低温热管回风余热利用系统主要包括低温热管换热机组和风阻平衡诱导风机，后者可平衡换热器增加的风阻并提高换热效果[13-15]。系统采用间壁换热方式，利用热管工质的气化吸热过程提取煤矿回风中的低温热能，通过热管工质冷凝放热过程加热煤矿进风，实现煤矿回风和进风的热量交换，满足井口防冻的进风要求。煤矿余热资源利用供热系统如图1所示。

图1 煤矿余热资源利用供热系统示意

4 效益分析

4.1 投资运行费用

该项目以电热水锅炉供暖、供热方案作为对比。根据前述分析，煤矿供暖期最大热负荷14107.8 kW，需安装3台4.9 MW电热水锅炉，供暖期3台运行，非供暖期1台运行。锅炉检修在非供暖期进行。利用现有锅炉房热交换设备、循环水泵、补水定压设备、水处理等设备及供回水管路，改造现有锅炉房供配电系统，同时对现有井筒防冻供热设备及室外管网、现有浴室供热管网进行改造。该方案工程直接投资额为650万元。其中，建筑物供暖系统改造直接投资额420万元；浴室供热系统改造直接投资额20万元；井筒防冻系统改造直接投资额210万元。根据花草滩煤矿平均电价0.522元/(kW•h)，电锅炉系统热效率取0.95，供暖系统一天运行20 h，一年运行172 d，可以计算出年运行费用为2390.96万元。

采用煤矿余热资源供热系统方案时，工程直接投资额为5997.23万元，各分项投资详见表3。空气源热泵冬季供暖平均热效率取1.9，供暖期运行。空压机余热加热系统主要耗电设备为循环水泵，全年运行。低温热管回风余热利用系统主要耗电设备为10台轴流风机，按供暖季全部开启考虑。经计算，以上总运行费用为775.26万元。

表3 供热方案经济比较

综上所述，煤矿余热供热方案虽然初期投资较高，但其运行费用远低于电热水锅炉供热方案。3.3 a后，煤矿余热供热方案的经济指标优势将得到凸显，每年节约运行费用1615.7万元。两种方案初投资、运行费用计算见表3。

4.2 环境效益

若采用电热水锅炉方案，年耗电量约4580.39万kW•h。当采用煤矿余热资源供热方案时，年耗电量1485.17万kW•h，年节约电量3095.22万kW•h，折标煤30383.66 t。按照国家发改委研究院推荐的经验数据，每节约1 t标准煤，减排2.4567 t CO2，0.0165 t SO2，0.0156 t NOx，烟尘减排0.0096 t，经折算，系统年减排量如下：74643.56 t CO2，501.33 t SO2，473.99 t NOx，烟尘 291.68 t。

5 结 论

通过分析花草滩煤矿余热资源和热负荷，提出了一种煤矿余热资源供热系统方案，确定煤矿建筑物供暖采用空气源热泵方式，浴室供热采用空压机余热利用系统，井筒防冻采用煤矿回风余热热管加热系统，能够解决花草滩煤矿取消燃煤锅炉后建筑物、浴室及井筒的供暖、供热问题，与采用电热水锅炉方案对比，其系统运行费用可节约1615.7万元/a，且减排优势明显，远期经济、环保效益十分显著。该方案结合煤矿所在地能源供应情况，因地制宜利用煤矿优质余热资源供暖、供热，在保证煤矿安全生产的同时，可促进煤炭企业能源结构调整，降低投资运行成本，响应国家节能减排、循环经济的政策要求，对建设低碳煤矿具有积极意义。