工矿企业余热资源利用的探索与实践

张娜，张彦禹，杨振瑞

(1.潞安职业技术学院，山西 长治 046204；2.山西常村大成节能有限责任公司，山西 长治 046204)

0 引言

工矿企业在生产生活过程中，建筑供暖、职工洗浴、衣服烘干等均需大量热能，企业往往采用燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉等制热系统，不仅建设及运行成本高，而且在大量能源消耗的同时污染物大量排放，污染环境。与此同时，企业生产过程中往往伴随着大量的余热资源，由于不被重视，全部被白白地浪费到大气中，比如：空压机余热、瓦斯泵站余热、主提升机余热、矿井水余热以及厂区空气余热等，充分利用会产生极大的社会和经济效益。

1 常规制热系统的弊端

传统制热系统为燃煤、燃气、电锅炉等，燃煤、燃气锅炉修建分别需要给煤机、引风机、锅炉、纯水系统、排烟系统、净化系统、给水泵等，投资巨大；同时系统运行需要消耗大量煤炭、燃气、电量、人工、配件等，导致运行成本较高，企业负担较重；燃煤、燃气的使用会导致大量氮氧化合物及硫化物产生，同时二氧化碳的排放导致温室效应加剧[1]。电锅炉使用首要条件就是电负荷满足，往往因电负荷不足导致建设成本上升；其次电锅炉运行消耗大量电能，运行成本较高；加之电锅炉本身运行安全问题不容忽视。

2 工矿企业综合余热利用背景

国内，工矿企业节能环保行动相对较迟，近年来，随着国家不断对锅炉淘汰政策的落实，各企业对如何利用新能源解决环保问题成了一个发展的必然之路。以空压机余热、电机余热、矿井水余热、瓦斯泵站水环真空泵余热等为代表的余热资源被不断挖掘利用，技术革新也不断进步，通过获取余热资源满足企业洗浴、供暖乃至衣服烘干等生产所需。但大部分研究领域单一，主要以自有产品和自有技术为主，未形成余热资源全覆盖的提取利用规模；市场多采用卖设备、做工程的合作模式，系统节能效益的保障和持久性较差。放眼世界，余热资源的充分利用体现的更为直观，土壤富含的热能、生活污水富含的热能、空气富含的热能等，多角度多方面进行余热深挖，通过热泵技术、热管技术、有机朗肯技术等将以往忽略的热能全部利用，真正实现可持续发展[2]。工矿企业目前对综合余热利用方面的研究还不完善，本项目的研究以此为背景，结合国内现有技术基础，通过对综合余热资源系统提热、换热、供热的研究，利用电控自动化、5G大数据物联网等技术实现无人值守智能化运行，达到了较好的环境和经济效益。

3 工矿企业综合余热利用实践研究

3.1 企业余热资源分析

通过对余热现场情况进行调研，空压机在运行过程中产生的高温油通过冷却风扇将热量释放到大气中，通过余热回收装置可将油中热能提取利用；瓦斯抽采使用水环真空泵在运行过程中需要水形成真空，水由于压缩及泵体自身发热等因素导致温度上升，常依靠冷却塔降温，以保证系统正常运行，矿井水经提升泵升井后，通过沉淀、反洗等工艺，达到地表三类水后外排，四季温度均匀维持在13 ℃左右，可通过热泵技术提取热能来补充热源；瓦斯发电机组运行过程中会产生60 ℃的高温缸套水和400～500 ℃的高温烟气，故通过专用换热设备提取其热能。

同时，根据对余热资源的提取利用进行了综合分析，将余热资源划分为三个阶梯，具体如下：

第一阶梯：余热资源量大、品质高、易回收。以空压机余热、瓦斯发电机缸套及烟气余热为例；第二阶梯：余热资源量大、品质不高，需专业技术进行回收利用。以矿井水、空气余热为例；第三阶梯：余热资源量较低、品质不高，需专业技术进行回收利用。以瓦斯泵站余热、土壤层余热为例。针对不同类别的余热资源，结合实际情况，在不影响设备正常生产的前提下，通过热能守恒定律对设备进行了余热改造，实现企业全年职工洗浴热水、冬季建筑供暖及井筒保温，既满足了生产需要，又充分利用了余热资源，达到余热综合利用和节能降耗的目标。

3.2 企业用热情况分析

工矿区常靠燃煤锅炉或燃气锅炉供职工洗浴、供暖等，用热负荷大，品质要求高，运行成本高。经测算，某矿井进风量为15 000 m3/min的井筒，按照最低温度零下18 ℃考虑，则井口冬季防冻所需的热负荷最高为6 500 kW[3]。办公区域总供暖面积按照15 000 m2计算，工业供暖热负荷指标80 W/m2计算，总计需(15 000×80)/1 000=1 200 kW热负荷。澡堂日需洗浴用水为30 m3，按照产水时间10 h，热负荷为100 kW。综上，总需热负荷为7 800 kW。

3.3 余热综合利用技术

通过设计余热资源提取方案，将不同区域热能进行综合利用，重点解决热量配置与企业需求相匹配的问题，并实现产供热智能化运行，主要设备与回收热能测算如表1、表2所示。

表1 主要设备与技术列表

表2 回收热能测算

3.4 取得的经济效益

余热综合利用，预计一年可节省燃煤燃气锅炉、电锅炉等运转费用、折旧费用、检修费用及配件费用等，共计370余万元。减少矿区燃气使用量每年至少120万立方米，年节约标煤2 500 t，减排二氧化碳6 500 t。

4 本项目的先进性总结

本项目的研究主题为余热综合利用，以节能降耗为宗旨，对能源进行二次利用，余热综合利用根据冷热交换的原理，将空压机运行中的高温热油，矿井水以及瓦斯泵站余热、瓦斯发电机组烟气及缸套水收集利用起来，将水加热至预设温度，供给职工洗浴及供暖。通过对余热资源的综合分析，掌握了针对不同余热提热、换热、利用的技术，获得了包含智能识别优先用水装置、热水出水装置、热能回收高效节能循环保温系统、双保险水位控制保温水箱、螺杆式空气压缩机热能回收利用节能系统等多项专利成果。

4.1 烟气回收母管分支互锁设计

将多台瓦斯发电机组的烟道汇总至母管，母管采用两路三通阀设计，一路直排大气，一路输送至余热回收装置，两路均安装电动执行阀，通往余热回收装置的电动执行阀与引风机自锁，实现了系统运行时直排大气的电动阀关闭，引风机及所配套的电动阀打开；系统停止时，引风机及所配套的电动阀关闭，直排大气的电动阀打开，烟气直排大气中。

4.2 空压机余热回收装置温控调节技术

在余热回收装置内安装温控阀，在空压机冷启动时，油路经温控阀回到机组，增加回油速率，减少轴承磨损；在油温上升到设置温度时，温控阀芯打开，高温润滑油经余热回收机组充分提热后回到空压机，保证空压机的运行温度。

4.3 矿井水高效取热技术

利用引水管从沉淀池母管和蓄水池处分别取水至热泵系统，一方面保证系统的稳定运行，同时增加了余热的提取效率。

4.4 多品位热源定向利用技术

将中品位的热源经换热后供洗浴和建筑供暖，将高品位的热源换热后供井筒保温，将低品位的热源作为建筑供暖回水补热系统或通过热泵技术将低品位热源提升至中品位，供洗浴或建筑供暖。

4.5 低品位热源井筒保温技术

采用冷热风环形配比设计，在井口四周均匀布置热风机，使热风与冷风充分配比后，以旋流式吸入井口，保证井筒四周温度均匀。

4.6 无人值守智能化运行系统

采用PLC智能化控制系统，将系统中所有的水泵、电动阀做联控设计，在所有的供回水管路均加装温度、压力等监测点，根据客户的使用情况，定制化设计，实现系统的智能化运行。

5 展望

该项目建成后可以大幅度降低工矿企业自用煤消耗量、燃气消耗量、高昂的电费及其他费用，减少空气污染，同时降低瓦斯发电机组、瓦斯泵、空压机等机点设备运行温度，保障设备正常运转，主要技术也达到国内先进水平，将持续在企业中进行应用推广。