矿区工业余热综合利用研究与应用范文

1实施余热利用的必要性

鹤煤公司于2016年完成了44台燃煤锅炉拆除和20台燃气锅炉安装工作，在运行过程中主要存在以下缺点：（1）运行费用高。经统计，燃气锅炉每年需要消耗1435．5万m3天然气，按照2．74元／m3，每年需耗费3000多万元。（2）气源不稳定。天然气锅炉易受气源影响，一旦天然气供应不足，锅炉无法运转，严重影响矿井供暖。如2017年底，全国出现“气荒”，导致各矿天然气不足，严重影响职工取暖和井口供暖。综上所述，燃气锅炉运行费用高，受气源不稳定影响大；通过对各矿可利用工业余热热源详细分析，均具备余热利用的条件，且矿井余热资源综合利用运行费用低，投资回收期短，一次投资、终身受益。鉴于此，降低企业用热成本，充分利用矿井余热资源，为职工洗浴用水、冬季井筒供暖和办公采暖提供保障，实现节能减排，决定对鹤煤公司本部矿井三矿、中泰、六矿、八矿、九矿、十矿实施工业余热综合利用。

2余热利用技术简介

矿井工业余热综合利用技术主要有3种，分别为：空压机余热回收技术、瓦斯发电机组烟气余热回收利用和矿井水低焓余热水源热泵回收利用技术。2.1空压机余热回收技术。空压机工作时，把电能转化为机械能，机械能又转化为风能；在机械能转换为风能过程中，油气混合物得到强烈的压缩，温度大幅升高。高温的油气混合物经过油气分离器分离，再通过油冷却器和风冷却器冷却，热量被冷却水或冷却风吸收［1］。通过高效换热装置，高温的油和空气分别进入换热器油循环和空气循环回路，将热量置换到二次侧循环水中（通常油温可降至60～80℃，空气温度降低至25℃），可获得大量的热水，用于洗浴和井筒保温。该技术不但可以实现余热回收，而且能够保证空压机的稳定连续工作。2.2瓦斯发电烟气余热回收技术。瓦斯发电机在运行的过程中，高温燃烧的瓦斯气体排出烟气通常在550℃左右，且该热量较为稳定，因此可以通过在瓦斯发电机组排烟管处布置1台高效复合烟气余热回收器，将瓦斯发电机组所排放高温烟气热量置换到二次侧循环水中，水受热升温，通常温度可达到80～90℃［2］。2.3矿井水低焓余热水源热泵回收利用技术。在煤炭开采过程中，伴生的还有矿井水，需排出地面以确保矿井安全生产，矿井水通常位于较深的地层中，温度与地温相近，其水温相对恒定，因此大量的地温矿井水也可以通过一定的技术，将热量提取出来。水源热泵技术是将以水为载体的低焓热能通过少量的电能输入，将低焓热能提取并置换到二次侧循环中，转换为可以直接利用的热能［3］。深井水和矿井排水的水温一般比当地平均气温高1～2℃（鹤壁市平均气温为14．2℃），水温约为16℃，基本保持恒温，对热泵稳定运行十分有利。100t／h水利用5℃温差作为热泵低位热源，可提供约700kW的热量。

3余热利用方案实例

因篇幅有限，选取具有典型代表性的九矿新副井，对余热利用方案的设计和实施为案例进行介绍。3.1九矿新副井可利用热源分析。新副井工业场地可利用的热源有瓦斯发电烟气及冷却水、瓦斯抽放泵站冷却水、空压机余热、矿井排水、矿井排风。九矿新副井安装有3台600kW瓦斯发电机，正常运行2台，1台备用。空压机房安装有4台空压机：2台DLG200（250kW）型空压机、1台LGD315／077AN（315kW）型空压机、1台SA350W86K（350kW）型空压机。正常运行1台315kW或1台350kW空压机，每天运行24h，250kW空压机每天运行6h。新副井瓦斯抽放泵房安装有4台瓦斯抽放泵：2台2BEC52型水环真空泵（250kW），2台2BEC62型水环真空泵（355kW）。正常运行250kW和355kW瓦斯抽放泵各1台。新井总排水量3000m3／d。九矿新副井热平衡见表1。3.2九矿新副井余热利用方案。新副井工业场地余热综合利用总体方案：采用矿井水、空压机、瓦斯发电机组、瓦斯抽放泵站冷却水余热综合利用。（1）空压机余热利用方案。每台空压机独立配置油气双回收洗浴水加热器，与空压机油气分离器后侧的油管和气管分别连接（原冷却系统自动控制切换投运），共用循环加热泵组和储备水箱。配套根据回流油温度自动控制加热泵组工作的自控系统，保证空压机平稳工作［4］。（2）瓦斯发电机组余热利用方案。每台瓦斯发电机组的烟气排出管安装高效复合烟气余热回收器，安装在每台瓦斯发电机组的烟气排出管（阻力不得影响机组的正常工作），采用SUS304以上材质的板式水水换热器间接生产洗浴水。高温循环采用软化水，加热侧采用开式系统。（3）矿井水余热回收余热利用方案。采用水源热泵技术从矿井水处理站清水池将低位热焓提升为可直接利用的高位热量，采用开式循环加热的方式进行洗浴水加热［5］。（4）瓦斯抽放泵站冷却水余热利用。采用湍流螺旋管管壳式换热器，将冷却水中的热能回收利用，实现供暖。

4各矿井余热利用方案

（1）三矿新副井。可利用热源为矿井排水、瓦斯发电、空压机，采用矿井水、空压机、瓦斯发电余热综合利用。（2）中泰矿业。可利用热源为矿井排水、空压机、瓦斯发电，采用矿井水、空压机、瓦斯发电余热综合利用。（3）六矿。可利用热源为矿井排水、空压机，采用矿井水、空压机余热综合利用。八矿工业广场：工业广场无可利用余热，未进行余热利用。（4）八矿新副井。可利用余热为矿井排水、空压机，采用矿井水余热利用。（5）九矿老工业场地。可利用余热为矿井排水，采用矿井水余热利用。（6）九矿新副井。可利用热源为矿井排水、空压机、瓦斯发电，采用矿井水、空压机、瓦斯发电余热综合利用。（7）十矿。可利用热源为空压机，采用空压机余热利用。

5余热利用运行效果

鹤壁矿区工业余热综合利用工程实施2年多来，基本实现了担负全年制取洗浴热水负荷，采暖季运行燃气锅炉提供采暖和井筒保温负荷，在非采暖季停运燃气锅炉，只运行余热综合利用系统；九矿还实现了夏季通过水源热泵机组制冷代替传统的空调制冷。工业余热综合利用工程极大地优化了矿区供热结构，减少了矿井天然气用量，降低了矿井供热运行费用，减少了二氧化硫和粉尘等污染物排放，改善了职工工作、生活环境，达到了预期的运行使用效果。

6经济和社会效益分析

鹤壁矿区余热综合利用项目与现有燃气锅炉相比较，大大降低矿井天然气用量，最大限度减少了冬季天然气供应不足对矿井安全生产的制约。余热利用工程全部竣工、投运后，全年共计节约运行费用约1330．6万元，项目总投资共计约1894．43万元，各矿投资回收期为0．8～2年，总体投资回收期1．42年，具有明显的经济效益和社会效益。余热综合利用与现有燃气锅炉年运行费用对比见表2。余热综合利用工程投运后，每年可节约标准煤15834t；相应地每年CO2排放量减少411684t，SO2排放量减少31668t，NOx排放量减少11717t，粉尘排放量减少17417t。环保效益特别显著，改善了职工生存环境，为国家倡导煤炭企业绿色环保贡献了力量。

7结论

鹤壁矿区从2015年下半年开始，对整个矿区的余热资源进行了调查、分析，提出了矿区余热资源利用的总体规划。2016年开始实施，由鹤煤公司机电部牵头，组织设计处、九矿等单位提出了具体实施方案，在没有外部技术支持的情况下独立完成了具体的工程设计，一期工程、二期工程分别于2016年底和2018年10月投入运行。余热综合利用系统投入使用后，矿井工业场地的采暖、洗浴及井筒保温，优先使用工业余热，不足部分则使用燃气锅炉作为补充。余热综合利用工程投运2年多来经验表明，研究利用各种可再生能源、余热资源，是提高煤矿企业经济效益、实现环境可持续发展的必由之路。（1）对矿区空压机油烟余热、瓦斯发电机组烟气余热、矿井水余热进行综合利用，可有效取代燃气锅炉，节约了天然气资源，有效缓解了天然气紧张状况，保证了井筒供暖和职工取暖，效果显著。（2）煤矿烟气余热运用余热锅炉产生热水，冬季用于供暖和制备洗浴用水，夏季用于制冷（办公室空调制冷）和制备洗浴用水，工程的利用率高。（3）对鹤壁矿区的可利用余热资源进行了调查，提出的总体利用规划符合鹤煤实际情况，制定的技术路线正确，方案合理、可行。（4）煤矿余热实现回收利用的关键在于定位烟气余热的品位，找出高效、节能的利用方式。本项目在前人研究成果的基础上，对矿井水余热、瓦斯发电烟气余热和压风机余热等的回收利用技术和途径进行了研究，实现了多种余热的综合利用，取得了有实际利用价值的成果，为鹤壁矿区乃至河南能源化工集团公司各矿井提供了一整套可资借鉴的煤矿余热综合利用的经验。但是由于时间和资金等因素的限制，还有诸多方面有待深入研究：①本项目重点对瓦斯发电烟气余热、压风机余热等高品位余热资源的回收利用进行了研究，而对生活废水、洗浴废水等余热资源尚未实现有效利用，有待进一步研究利用。②煤矿实现多种余热资源的综合利用后，目前尚处于分散运行、人工操作的状态。因此，研究实现多种余热利用系统的集中控制或自动控制，将会是未来煤矿余热利用的趋势，也必将更有助于提高煤矿企业的经济效益和环境效益。

作者:黄涛 单位:鹤壁煤业（集团）有限责任公司