矿井工业废弃能源综合利用研究与应用

许来灿

(焦作煤业(集团)科学技术研究所，河南 焦作 454000)

焦煤公司中马村矿位于河南省焦作市东北8 km，行政区划属焦作市马村区管辖，核定生产能力100万t/a，是河南省中型矿井。现有1台10 t/h燃气锅炉，在采暖季为矿井提供供暖及洗浴用水，非采暖季利用建材厂2台2 t/h余热锅炉加外购热水方式为矿井提供洗浴用水，夏季降温主要依靠空调。2021年，中马村矿综合能源消费量为9 922.14 t标准煤，其中供暖消耗天然气757 724 m3，巨大的天然气用量不仅增加了矿井的综合能源消耗量，且带来了沉重的经济负担，必须对现有的供暖方式进行改造或革新[1-5]。

1 矿井余热资源

1.1 热源分析

目前，矿井可利用的工业废弃能源主要包含以下4项。

(1)矿井水排水。矿井排水量约2 200 m3/h，排水温度16～20 ℃，可为矿井水余热利用提供优质水源，矿井水可回收热量为852 kW/h(水温由18 ℃降至10 ℃)。

(2)建材厂烟气余热。中马村矿建材厂可利用散排热烟气余热量511 kW/h，日产80 ℃热水170 m3，转换为50 ℃热水，所产热水量为329 m3/d。

(3)空压机余热。中马村矿矿内和罗庄分别安装4台螺杆式压风机，2座压风机房正常生产时各运行1台，为井下安全生产提供压风。矿内空压机可利用余热量90 kW/h，按进水温度18 ℃，出水温度50 ℃计算，所产热水量为58 m3/d；罗庄空压机余热可利用量140 kW/h，按进水温度18 ℃、出水温度50 ℃计算，所产热水量为90 m3/d。

(4)瓦斯发电站余热。中马村矿罗庄瓦斯发电站共有600 kW燃气发电机组6台，正常生产时开机1台。瓦斯发电站可利用余热量300 kW/h，按进水温度18 ℃、出水温度50 ℃计算，所产热水量为193 m3/d。

矿井余热资源见表1。

表1 矿井余热资源Tab.1 Mine waste heat resources

1.2 冷热负荷需求计算

(1)建筑冷负荷计算。由现场统计，中马村矿需改造的风盘末端制冷面积约2.4万m2，末端冷负荷指标90 W/m2，则需要配置的总冷负荷为2 160 kW。

(2)建筑热负荷计算。由现场统计，中马村矿采暖季需供暖面积为2.4万m2，末端热负荷指标70 W/m2，则需要配置的总热负荷为1 680 kW。

(3)洗浴热水热负荷计算。矿井职工洗浴日平均用水量为220 m3(夏季)/285 m3(冬季)(80 ℃)，转换为50 ℃热水，每天所需热水量为426 m3(夏季)/552 m3(冬季)。

1.3 可利用性分析

矿内空压机余热利用需另外增加换热设备1套，费用约为86万元，空压机年产热水价值约16.4万元。罗庄空压机和瓦斯发电站余热利用系统建设费用约为95万元，每天可产出50 ℃热水283 m3，所生产热水不能满足矿内需求，且罗庄距离矿井较远，将热水运回矿内需安排运输车辆和人员，增加运输安全风险，运输过程中水温下降多，对比效益较低，不具备可行性。

中马村矿建设2台全热回收机组对矿井水废弃热源进行回收利用，同时搭配建材厂余热热源所产热水，即可满足矿井采暖、制冷、洗浴用水需求，不需再投入其他系统建设费用。

2 设计方案

2.1 设计原则

利用水源热泵技术实现职工洗浴热水的供应、地面生产、生活区域冬季供暖、夏季供冷的问题，在已实施余热利用和锅炉节能运行管理措施的基础上，对中马村矿进行“去锅炉化改造”，满足全年包括办公楼、宿舍楼、浴室、行政福利及民用建筑冬季采暖需求和夏季供冷需求，燃气锅炉保留，作为应急热源和极端天气井筒防冻使用。

2.2 设计内容

考虑设备的冗余性和部分负荷状况下的高效性，合理调整利用矿区热源，建设1个智能化无人值守热泵站：热泵站建设地点选放在原燃煤锅炉房，节约投资预算资金，提取热源为矿井水，配置2台MCRH0400全热回收机组，所产生的总热(冷)负荷为3 100 kW(2 982 kW)，满足矿区采暖、制冷、洗浴用水需求。根据采暖和制冷负荷，需同时开2台满足采暖和制冷需求。全热回收机组夏季运行状态：全热回收机组在给830台风盘供冷的同时副产热水。全热回收机组冬季运行状态：全热回收机组能够实现在全天分别为建筑物供暖和职工洗浴提供热源、热水，实现供暖及热水管路的任意切换[6-10]。

2.3 余热回收利用系统工作原理

水源热泵系统是一种高效、节能、节资、冷暖两用，运行灵活且无污染的新型中央空调系统[11-15]。通过输入少量的电能，在冬季把热量从矿井水中提取出来，升高温度后供给室内采暖；夏季把室内的热量提取出来，释放到低温地能中去。

水源热泵系统的主要设备由板式换热器、水源热泵机组、系统循环水泵、自动化控制、风机盘管和管道阀门管件等组成。水源热泵机组工作原理如图1所示。

图1 水源热泵工作原理Fig.1 Working principle of water source heat pump

3 效益分析

3.1 水源热泵系统运行费用

水源热泵系统运行费用主要包括系统电费和维修费，年运行费用共计159.2万元。

(1)系统电费。①冬季制热电费。制热总功率700 kW，供暖季按120 d，平均每天运行时间20 h，总耗电量为168万kWh，折合标准煤206 t，系统运行电费按0.58元/kWh计算，电力消费97.44万元。②夏季制冷电费。制冷功率为500 kW，夏季按120 d，平均每天运行时间12 h，总耗电量为72万kWh，折合标准煤88 t，系统运行电费按0.58元/kWh计算，电力消费41.76万元。

(2)维修费。2台水源热泵机组年维护费用约为20万元。

综上，水源热泵系统年运行总费用为159.20万元(表2)。

表2 水源热泵系统运行总费用Tab.2 Total operating cost of the water source heat pump system

3.2 传统燃气锅炉及空调系统运行费用

燃气锅炉及空调运行费用主要包括燃气费、系统电费、人工费、设备维护费等，每年共计运行费用420.89万元。

(1)燃气锅炉燃料费。2021年，中马村矿供暖共消耗天然气757 724 m3，折合标准煤1 007 t，天然气价格为4元/m3，燃料消耗303.89万元。

(2)燃气锅炉电费。对于燃气锅炉而言，循环水泵是主要耗电设备，其他电耗暂忽略不计。根据中马村矿洗浴系统的水泵功率及锅炉本体等耗电量实测，洗浴耗电费17万元。

(3)燃气锅炉维护费及人工费。维护费按历年实际发生额加权平均计算约10万元/a，人工按6人计算，工资30万元/a。

(4)空调电费。中马村矿夏季空调制冷负荷为2 160 kW，分体空调能效比3.0，平均每天运行时间12 h，总耗电量为103.68万kWh，折合标准煤126.59 t，统运行电费按0.58元/kWh计算，电力消费60万元。

综上所述，传统燃气锅炉及空调系统运行费用为420.89万元(表3)。

表3 传统的燃气空调系统运行总费用Tab.3 Total cost of running conventional gas and air conditioning systems

3.3 全年运行成本对比分析

由表2、表3可知，水源热泵系统年运行费用为159.20万元，传统燃气锅炉及空调系统年运行费用为420.89万元，矿井余热综合利用方式最经济。相比传统的燃气锅炉加空调系统，水源热泵系统每年节约费用261.69万元，降低能源消费量840 t标准煤，经济价值巨大，降低了中马村矿综合能耗，具有良好的推广应用价值。

4 结语

在“双碳”背景下，企业的减排降耗及节能环保被提到了首要的位置和高度，中马村矿的余热回收项目极大地减少了企业的能源使用总量，在实现企业能效水平提高的前提下，减少了碳排放总量，为企业自身的发展带来了巨大的经济效益，项目对于同类型企业的推广和应用具有很高的参考价值和工程意义。