煤炭企业应用清洁能源替代燃煤锅炉项研究

李梦哲

摘 要：开滦唐山矿业分公司，是开滦集团所属的大型主力生产矿井之一，始建于1878年，至今已有130多年的历史，现有员工8500多人，近十年来，原煤产量始终保持在400万吨/年左右的高位水平。员工更衣室洗浴用热现有热源为燃煤锅炉，按照唐山市整治燃煤锅炉的相关文件精神，燃煤锅炉要求停用改用清洁能源。通过对矿井水余热、空压机余热、太阳能等清洁能源的调研分析和数据测算，确定投资少、见效快的洗浴用热方案，保证职工洗浴用热。项目实施后，不但现有余热资源得到了充分利用，而且停用燃煤锅炉，达到实现节能减排的目标。

关键词：清洁能源；热源；管网规划

一、工作定位

在唐山矿业公司A、B区实施水源热泵这一清洁能源技术，合理开发利用我公司丰富的矿井水资源，用于员工洗浴、夏季宿舍空调和冬季井口暖风，给企业员工创造良好的生产和生活环境，是我公司大力推进科学发展工业园区建设，实现公司转型发展目标的重要组成部分，最终目标是通过大力推进循环经济与新技术应用，把山矿建设成循环经济型矿井。

二、总体思路

我公司A、B区男、女更衣室全年都有洗浴热水需求，热水供应量2260吨/天。冬季B区井口暖风和夏季A区职工宿舍降温也需要一定的用能需求。目前A、B区均采用燃煤热水锅炉供热，没有夏季降温措施，为了减轻节能减排的压力以及满足职工宿舍夏季空调的需要，拟采用矿井水水源热泵系统来满足上述冷热需求。矿井污水经泵房排至地面经净化水厂做处理后，首先应用水源热泵技术提取其中热能进行综合利用，实现建筑物及井口的采暖和洗浴热水，可以节约大量能源，也能减少污染物排放。提取完能量的矿井水水质和水量并没有改变，仍然可以保证我公司本身生产工业用水。

三、可行性分析与规划设想

我公司拥有丰富的矿井水资源，矿井涌水量每小时约1200m3，水温20℃左右，非常适用于水源热泵的应用，目前大部分矿井水并未加以利用而白白排放掉。矿井水水源热泵系统运行简单、效率高，与常规燃煤锅炉相比节能减排效果明显。A区中央锅炉房建造年代久远，热源效率低，热网损失大，系统设计落后，能源浪费严重，运行费用居高不下，尤其是污染物排放超标，并且早已达到设计使用年限，存在较大的安全隐患，急需改造，在A区率先应用水源热泵技术尤为必要。水源热泵技术在国内已日趋推广，在集团公司内部，如范各庄矿、吕家坨矿和矿山公园等单位已投入使用，并取得了较好的效果。它具有高效、节能、经济、环保、安全等优点。它的特点如下：

1、利用1KW的能量可供60～100平方米的面积取暖、制冷。

2、能量输入与输出之比：供热状态约1：4.2，制冷状态约1：5.8。

3、初投资是其他中央空调的2/3～4/5。

4、使用过程中不释放任何对环境有害的气体，不破坏水

资源。

5、不存在任何爆炸、燃烧的安全隐患，操作简单、运行稳定可靠、适用面广。

（一）A区水源热泵规划设想

A区利用水源热泵提取矿井水的余热资源，用于加热洗浴用水和夏季为职工宿舍提供冷气。

1、A区职工浴室和宿舍楼现状

我公司A区职工浴室通过中央锅炉房高温热水和矿井净化水，经混合到一定的温度，来满足职工洗浴。A区男浴室（简称大更）现有地下混凝土水池4个，每个水池约30立方，共120立方；女更保温水箱正常蓄洗浴水15立方；大更楼上的蓄水箱有3个，分别为25立方、20立方、20立方，共65立方。A区职工浴室洗浴水蓄水能力共计为200立方。

A区职工4700人左右，按照每人每次洗浴用水0.2m3计算，每天淋浴用水量940m3，池浴水池近30m3，按每个池浴水池2次换水计算，大约需用水量为60m3，全天淋浴及池浴洗浴水共计1000m3。热泵系统的设计加热能力应保证满足职工洗浴最大用水量并留有余量。

设计计算参数

全年洗浴总天数：365天洗浴水温度：45℃

矿井水温度：20℃洗浴用水原始温度：20℃

洗浴水用量：0.2t /人次

全天设计用水量（45℃）：1000立方米

二休宿舍楼（不包括4层办公区）共3层，每层长60米，宽18米，共3240平米；1#、2#、5#、8#宿舍楼每栋为3层，每层长52米，宽18米，4幢共11232平米；6#、7#宿舍楼每栋为3层，每层长60米，宽18米，共3240平米。九栋宿舍楼共有542间职工宿舍，总建筑面积为17712平米。夏天，为充分利用机组的冷负荷，实现“一机二用”，即在获得洗浴水的同时，通过增加管路设施，把冷却水输送到宿舍楼，实现住宿职工夏季冷气的要求。

2、实施方案

2.1热源选择

有三种方案可供选择：一是从洗浴后的废水中提取余热，但是洗浴后的废水和生活污水混合排入污水蓄水池，分开有一定的难度，故另考虑其它的余热资源。二是使用社区净化水厂处理过的矿井水，水量大，水温比较稳定，而且水质良好，缺点是用水成本较高。三是把9道巷和11道巷泵房排出的矿井水经洗煤净化水厂做处理后，利用热泵技术，加热后作为洗浴用水。但该水厂处理能力有限，可能不能满足热泵的需要。

2.2机房选址

经实地勘查，我们把水源热泵机房的位置初步确定在洗煤净化水厂西侧。此处做机房选址，既不影响矿山公园的规划又临近供水管道，取水的距离短，换热方便。

2.3管网规划

员工洗浴部分准备充分利用更衣室内的原有设备和管路，如三处的洗浴水蓄水池：大更地下的120立方混凝土水池、女更的15立方保温水箱，大更楼上的65立方不锈钢蓄水池，更衣室内的管路也基本保持不动。

职工宿舍夏季空调需要铺设从水源热泵机房到宿舍区的室外管网，安装组合式空调机组、末端用户设备等设备设施。

（二）B区水源热泵规划设想

B区主要是利用水源热泵加热洗浴用水和冬季为九、十号井提供井口暖风防冻。目前，B区实施水源热泵技术的瓶颈问题是矿井水排放量不足，缺少矿井水处理厂。随着科学发展工业园区建设的逐步深化，公司积极、稳妥地推进了矿井水处理工程：A区向B区调水工程正在进行，A区11水平为调水服务的蓄水池工程已经完工，输水路线与方案已经确定，准备铺设管路。705泵房直排工程按照计划快速实施，机械部分已经基本安装完毕，完成了10道水闸墙、支筑电缆沟、泵房打底、调修轨道等各项配套工程。电控设备已通过验收，井上管路基本安装完毕，目前开始铺设高压电缆和电气设备的安装工作，预计到4月底可以实现排水。B区新建净化水厂工程正在进一步细化方案，待集团公司批准后尽快施工建设，争取年内投入使用。上述矿井水处理工程为B区实施水源热泵技术创造了有利条件。

1、B区职工浴室现状

B区职工浴室通过风井锅炉房热水经换热后，来满足职工洗浴需求。B区男、女浴室各有一个保温水箱，每个约25立方，共50立方；东小更保温水箱最大容积为20立方，干更蓄水箱约40立方。B区职工浴室洗浴水蓄水能力共计为110立方，蓄水量偏低，需要循环开泵蓄水。

B区职工5500人左右，按照每人每次洗浴用水0.2m3计算，每天淋浴用水量1100m3，池浴水池近80m3，按每个池浴水池2次换水计算，大约需用水量为160m3，全天淋浴及池浴洗浴水共计1260m3。

设计计算参数：

全年洗浴总天数：365天洗浴水温度：45℃

矿井水温度：20℃洗浴用水原始温度：20℃

洗浴水用量：0.2t /人次

全天设计用水量（45℃）：1260立方米

2、实施方案

2.1热源选择

把705泵房排出的矿井水经新建净化水厂处理后，利用热泵技术，加热后做为洗浴用水。

2.2机房选址

由于B区工业广场的整体规划还没有最后确定，机房选址待定。我们初步把水源热泵机房的位置暂定在新建净化水厂附近，便于取水，成本较低。

2.3管网规划

B区水源热泵管网受到B区整体规划的影响很大。如综合楼不拆除，员工洗浴准备利用更衣室内的原有设备和管路；如果新建大型更衣室，则需要重新铺设管路。

B区水源热泵在采暖期供应井口暖风需要重新铺设管路，安装空调主机。矿井口和巷道送风的室外计算温度为-21℃，井口处的送风温度不得小于2℃。采暖时间为本年的11月15日至翌年的3月15日，采暖期120天，与民用建筑采暖期相同。

四、方案优化

水源热泵系统是利用水源热泵提取矿井水中的热量，该系统可以全年正常运行，不会受外界环境影响。能效比远远高于燃煤、电等常规能源方式，运行费用也较高。

为进一步降低水源热泵的运行成本，两个区域的职工洗浴项目可以利用太阳能作为补充。使用太阳能的优点是运行费用低，缺点是应用太阳能需要较大的场地来安装太阳能集热器，还应有较大的储热水箱，另外天气情况对太阳能集热系统有很大的影响，如遇连续阴雨天气，会导致系统无法满足职工洗浴需求。

本规划可以做以下优化：以水源热泵机组提热为主，增加太阳能辅助供热。实际安装时，根据现场情况选择尽量大的太阳能集热器面积。随着太阳能吸收热量的增加，水源热泵机组的用电量会相应的减少。无论天气如何，在不影响职工洗浴的情况下，最大程度的降低系统的运行费用，充分的节能减排。