礦井水余熱利用技術(shù)在趙固一礦的設(shè)計與應(yīng)用

　　摘要:為了解決礦井目前采用燃?xì)忮仩t供暖燃?xì)赓M用高、氮氧化物超標(biāo)以及燃?xì)饩o缺的問題，有效替代鍋爐，充分實現(xiàn)節(jié)能減排，對一些具有豐富礦井水資源的礦井，在項目可行性論證的基礎(chǔ)上，提出了采用熱泵技術(shù)實現(xiàn)礦井水余熱資源利用的解決方案。介紹了熱泵工作原理和技術(shù)參數(shù)，對系統(tǒng)方案和設(shè)備組成、機組配置進行研究，然后對礦井水余熱系統(tǒng)運行費用和采用燃?xì)忮仩t運行費用進行了分析對比。

　　研究得出，采用礦井水余熱利用經(jīng)濟，比燃?xì)忮仩t每年節(jié)約費用269.41萬元，2.6年即可收回成本，經(jīng)濟效益顯著。在降低煤礦生產(chǎn)成本同時，減少了環(huán)境污染，滿足礦井冬季供暖、夏季制冷以及日常洗浴用熱水的需求，實現(xiàn)替代鍋爐，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞:余熱利用,節(jié)能減排,水源熱泵,熱水供暖

　　0引言

　　趙固一礦位于輝縣市冀屯鄉(xiāng)，生產(chǎn)能力核定為300萬t/a。礦內(nèi)主要建筑包括行政辦公樓9000m2、區(qū)隊辦公樓3910m2、2號—4號宿舍樓20100m2、1號宿舍樓10105m2、洗煤廠辦公樓500m2、聯(lián)合建筑5000m2、機電樓1000m2、食堂1800m2等，建筑面積約為51000m2。礦井行政辦公樓為中央空調(diào)系統(tǒng)，其余建筑為水暖型暖氣片散熱裝置，項目實施前采用燃?xì)忮仩t供暖，主要存在如下問題:①礦井經(jīng)營成本增加，正常供暖無法保證。

　　由于全國范圍內(nèi)燃煤鍋爐的取締，天然氣需求量急劇增加[1]，導(dǎo)致天然氣價格上漲，運行費用急劇增加，同時出現(xiàn)了氣荒現(xiàn)象[2]，燃?xì)忮仩t無法正常運行，給礦井生產(chǎn)帶來了隱患，職工正常供暖無法保障。②氮氧化物超標(biāo)[3]。燃煤鍋爐改燃?xì)忮仩t后，雖然大大降低了煙塵、二氧化硫排放量，但在用燃?xì)忮仩t氮氧化物排放值是高于國家規(guī)定的150mg/m3。

　　為進一步降低供暖運行費用，確保供暖效果，促進環(huán)保工作的順利開展，減少礦井廢氣排放量，實現(xiàn)達標(biāo)排放[4-5]，經(jīng)過調(diào)研，目前國內(nèi)很多礦井采用空壓機余熱利用[6]、主通風(fēng)機排出的廢氣[7]、礦井水余熱利用方式，但是空壓機余熱利用存在產(chǎn)生熱水少，不能滿足礦井需求的缺點，而主通風(fēng)機廢氣投資成本高，在擴散塔上施工難度大[8]。

　　結(jié)合趙固一礦實際情況，礦井水資源豐富，且水溫四季保持在18℃以上，計劃應(yīng)采用熱泵技術(shù)實現(xiàn)礦井水余熱綜合利用技術(shù)，此技術(shù)在國內(nèi)已日趨成熟[9]，冬季滿足所有建筑物供暖，夏季需滿足行政辦公樓供冷，并且常年給澡堂提供300m3/d的洗浴熱水，滿足日常洗浴需要。

　　1項目可行性

　　趙固一礦礦井水涌水量正常為850m3/h，經(jīng)過水處理設(shè)備后的水溫在18℃以上，水源熱泵系統(tǒng)的制熱量按照將礦井水降低到8℃的熱能計算[10]，水源熱泵每天提取礦井水的熱能可提供的制熱量為237240kW。按照0.07kW/m2計算，礦井每天熱負(fù)荷為85680kW;按300m3/d洗浴用水量計算，用熱量為10467kW。則每天需要熱量96147kW<237240kW。水源熱泵的制熱量可滿足礦井冬季供暖及職工洗浴的熱負(fù)荷需求，因此采用水源熱泵提取礦井水的熱能替代鍋爐，實現(xiàn)礦區(qū)供暖及供熱是可行的[11]。

　　2系統(tǒng)設(shè)計及原理

　　水源熱泵系統(tǒng)是一種高效、節(jié)能、節(jié)資、冷暖兩用，運行靈活且無污染的新型中央空調(diào)系統(tǒng)[12]。通過輸入少量的電能，在冬季把熱量從礦井水中提取出來，提高溫度后供給室內(nèi)采暖;夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到低溫地能中去[13]。目前常用有常溫機組和高溫機組[14]，項目制洗浴熱水采用常溫螺桿式熱泵機組，供暖采用高溫型螺桿式熱泵機組，冬季制熱出水可達55℃。(1)制冷劑采用R134a的高溫環(huán)保型制冷劑。常溫機組的制冷COP值≥6.5，制熱COP值≥4.2;高溫機組的制冷COP值≥5.4，制熱COP值≥3.0。(2)配置1臺全熱回收型螺桿機組，滿足夏季洗浴熱水加熱與行政辦公樓制冷的聯(lián)供方案，系統(tǒng)設(shè)計能效比達7(夏季時)。

　　配置3臺高溫螺桿機組，滿足全礦供暖需求。常溫機組出現(xiàn)故障時，可投入高溫機組臨時代替運行，乙方需做好管路切換。(3)螺桿式水源熱泵機組共設(shè)計4臺。單臺設(shè)備壓縮機配置需2臺或以上，制冷回路數(shù)量與壓縮機數(shù)量匹配，設(shè)備能量12.5%～100%無級調(diào)節(jié)。(4)系統(tǒng)方案。水源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備由板式換熱器、水源熱泵機組、系統(tǒng)循環(huán)水泵、自動化控制、風(fēng)機盤管和管道閥門管件等組成[15]。

　　(5)水源熱泵機組選型。根據(jù)冷熱負(fù)荷參數(shù)，初步方案擬選用螺桿式水源熱泵機組4臺，其中1臺常溫地源熱泵(冷水)機組(表1，MWH280型)，3臺高溫?zé)岜脵C組。(6)系統(tǒng)運行。①冬季:3臺高溫機組工作，1臺常溫機組備用。其中2臺用于供暖，1臺用于提供生活熱水。②夏季:1臺常溫機組空調(diào)供冷，1臺高溫機組提供洗浴熱水[16]。③春、秋季節(jié):1臺機組提供洗浴熱水[17-19]。

　　3效益分析

　　(1)費用對比。

　　燃?xì)忮仩t每年天燃?xì)馐褂昧?29.31萬m3，目前天燃?xì)赓M用為4.5元/m3，需燃?xì)赓M用581.89萬元。礦井水余熱利用裝置運行后，夏季運行1臺熱泵(冷水)機組(252kW)供澡堂洗浴，每月用電量15萬kWh，按照電費0.62元/kWh計算，電費每月9.3萬元。

　　非采暖期4—11月份合計電費74.4萬元;冬季運行1臺252kW機組、2臺391kW機組，每天實際電量2.1萬kWh，每月電量63萬kWh，電費39.06萬元，采暖期12、1、2、3月份合計電費156.24萬元，全年礦井水余熱利用系統(tǒng)電費消耗230.64萬元。另外，主副井井口電加熱器用電量132萬kWh，電費81.84萬元。礦井水余熱利用、主副井電加熱全年使用電費312.48萬元，較使用天燃?xì)鉁p少費用269.41萬元。礦井水余熱利用裝置共投入資金721萬元，2.6年即可收回成本。

　　(2)供暖效果對比。

　　采用燃?xì)忮仩t供暖時，由于冬季是燃?xì)庥昧康母叻迤�，用氣量緊張，燃?xì)夤�司實施了限供，從而造成了生活區(qū)供暖效果差。礦井水余熱利用系統(tǒng)運行后，能夠連續(xù)穩(wěn)定的進行供暖，效果較好。

　　4結(jié)論

　　(1)項目兼顧環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展需要，根據(jù)“節(jié)約資源、保護環(huán)境、發(fā)展經(jīng)濟”的技改方針，把生產(chǎn)和節(jié)能、環(huán)保工作有機地結(jié)合起來，為企業(yè)的長期生存奠定堅實的基礎(chǔ)。

　　(2)利用礦井水余熱替代燃?xì)忮仩t后，水源熱泵消耗1kW的能量，可產(chǎn)生6kW以上的熱量或冷量，與使用天然氣鍋爐相比，每年可節(jié)約運行費用為269萬元。

　　(3)項目實施后，消除了環(huán)境大氣和熱污染，水源熱泵機組的運行沒有污染、沒有燃燒、沒有排煙，不產(chǎn)生任何廢棄物，促進了礦區(qū)節(jié)能環(huán)保工作的正常開展。既達到了環(huán)保的要求，又節(jié)約經(jīng)濟成本，具有實實在在的經(jīng)濟效益和社會效益。

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