曲江井余热利用及热水工程设计

许高升

（江西省中赣投勘察设计有限公司，江西 南昌 330029）

1 项目概况

丰城曲江煤炭开发有限公司曲江煤矿位于江西省丰城市，是江南第一大井，也是江南第一座现代化矿井，设计年产原煤0.90 Mt，是上市公司安源股份的主力矿井，属煤与瓦斯突出矿井，且开采深度深、高温热害严重。

丰城曲江煤炭开发有限公司曲江煤矿主要用热单元为浴室卫生热水、 食堂蒸饭、 洗衣烘干机等。 矿井最大班下井人数约500 人，日下井人数约1 300 人，矿井最大班淋浴人数为750 人，日淋浴人数为1 800 人。 矿井原有供热设备为3 台2 蒸吨/ 小时的快装燃煤蒸汽锅炉，燃煤锅炉在燃烧过程中会产生大量的粉尘和二氧化碳，影响矿井及周边环境。 同时矿区存在大量的余热没有利用，矿井空气压缩机冷却水余热、 瓦斯抽放泵冷却水余热、 瓦斯发电机组冷却水余热等大量的余热没有得到利用，被白白浪费了。

受国家能源和节能环保政策的影响，江西省要求：各设区城市建成区基本淘汰每小时10 蒸吨以下的燃煤锅炉，禁止新建每小时20 蒸吨以下的燃煤锅炉；其他地区原则上不再新建每小时10 蒸吨以下的燃煤锅炉。 本工程本着节能、 环保的原则，通过余热利用机组回收矿井各类循环水产生的余热，降低循环水温度、提高空气压缩机、瓦斯泵的机组运行效率及瓦斯发电机组的发电效率，提高机组运行寿命，同时利用余热制取卫生热水、取消原有燃煤锅炉（食堂和洗衣用蒸汽改由江西丰城源洲煤层气发电有限责任公司余热锅炉供给），达到节能、减排、环保的目的。

2 主要设计内容

2.1 曲江井余热热源

（1）空气压缩机余热

矿井设备的空气压缩机在工作中会产生大量的余热，压缩机运行消耗的绝大部分能量都在压缩过程中转化为热能，然后冷却环节被白白地浪费掉。

曲江煤矿设有空气压缩机3 台，其中：L8-60/8 型，2 台，冷却水量：45 m3/h；ZD12 （Ⅲ）-100/8 型，1 台，冷却水量：60 m3/h。

空气压缩机夏季工作时循环冷却水池热水池水温可达45℃以上，为降低循环冷却水温度需通过冷却塔、冷却水泵来降低水温，这不仅使空气压缩机产生的余热白白浪费，同时循环冷却水泵、冷却塔还消耗电能。

（2）瓦斯抽放泵站余热热源

曲江煤矿地面瓦斯泵房设有瓦斯抽放泵4台，其中：SKA-353 型，2 台，冷却水量：20 m3/h；2BEC-42 型，2 台，冷却水量：30 m3/h。

同空气压缩机一样，夏季工作时瓦斯抽放泵因摩擦散热产生的余热可使循环冷却水池热水池水温可达45℃以上。

（3）瓦斯发电余热热源

曲江矿井井下抽采的低浓度瓦斯经井下低浓度瓦斯抽放泵站由专用瓦斯管路送至回风井后直接排空，井下抽采的高浓度瓦斯经地面高浓度瓦斯抽放泵抽出后主要供江西丰城源洲煤层气发电有限责任公司（源洲发电公司）用于发电，该项目已被列为江西省循环经济示范工程项目。 瓦斯发电过程中发电后产生的蒸汽乏汽需通过冷却水将其冷却为凝结水后再通过除氧、加压后送入锅炉，乏汽中会有大量的热量需要通过冷却水将其带走。 瓦斯发电厂循环水泵配套水泵如下：高温循环泵DFG200-400（Ⅱ）A/4、Q=270 m3/h、3 台；低温循环泵：DFG200-315（Ⅱ）/4、Q=300 m3/h、3 台。

发电后的蒸汽仍有大量的余热，冬季循环冷却水温度可达到50℃以上，大量的热量随冷却水流失到外界大气中。

2.2 余热利用主机原理

余热利用机组的工作原理为卡诺逆循环原理，将热量从低温的循环水传到工作侧的高温热水中。 工作介质从蒸发器进入压缩机被绝热压缩，压力升高，同时温度也升高。 为了使工作介质能向工作侧的热水放热，压缩后的工作介质温度要高于工作侧的热水温度，然后进入冷凝器放热降温，其放出的热量被高温侧的热水吸收，使工作侧的高温热水从50℃升高到55℃左右（机组可根据出水温度要求作相应调整）。 工作介质再进入节流装置中绝热膨胀，压力降低，同时温度也降低，为使蒸发器内循环水能向工作介质放热，膨胀后工作介质温度必须降得低于循环水的温度才进入蒸发器吸收循环水中热量升温，而将蒸发器内的循环水温度从15℃降低到7℃左右 （机组可根据循环水进水温度要求作相应调整），升温后的工作介质然后再进入压缩机，如此重复循环进行。

2.3 主要工艺流程

曲江矿井余热利用及热水工程的主要工艺流程如图1 所示。

图1 矿井余热利用及热水工程工艺流程

（1）冷水侧外循环

空气压缩机、 瓦斯抽放泵或瓦斯发电厂的循环热水经外循环冷水泵送至余热利用机组，经余热利用机组工作介质冷却后，放出热量，循环冷却水温度降低，然后再回流至空气压缩机房、瓦斯泵房的冷水池或瓦斯发电厂的循环水系统。 通常进入余热机组的循环冷却水进口温度15℃，经余热机组吸收后工作介质吸收后温度降低为7℃。

（2）热水侧内循环

余热机组工作侧的循环水经吸收余热机组高温侧工作介质热量后温度升高，再经内循环热水泵送至板式换热器，通过热交换加热水箱输送来的冷水，温度降低后再进入余热利用机组，如此往复循环。 通常进入余热机组的工作侧循环水进口温度50℃，吸收余热机组高温侧工作介质的热量后温度升高至55℃。

（3）热水侧外循环

浴室水箱的冷水出水经外循环热水泵送至热水换热器，通过热交换吸收余热机组送来的热水热量后，温度升高再回流浴室热水箱，通过不断的循环加热水箱的热水，达到制取热水的目的。

2.4 工程主要设备及参数

工程主要设备参数如表1 所示。

表1 矿井余热利用及热水工程主要设备及参数

注：2018年因不锈钢拼装保温水箱破损、漏水，已在原有位置更换总容积为222 m3（132 m3+90 m3）的不锈钢拼装保温水箱。

3 项目实施后的综合效益

1）工程选用4 台LSRS-350 余热利用主机（3用1 备），每天制取300 t水温为55℃的热水，取代了原有的3 台2 蒸吨/ 小时燃煤蒸汽锅炉 （食堂和洗衣用蒸汽由源洲发电公司余热锅炉供给）。

2）余热利用及热水工程比原燃煤锅炉年节约运行费用69.04 万元。

3）余热利用及热水工程年节约标准煤1 217 t。

4）余热利用及热水工程年减少二氧化碳排放量3 189 t。

4 项目对推进工程技术进步的作用

4.1 解决的技术难题

（1）矿井余热热源分散，瓦斯抽放泵房循环水池、空气压缩机循环水池、瓦斯发电厂循环水池等余热热源分别位于的不同地点。 工程针对每个热源的设备分别进行选型设计，管路布置合理。

（2）工程未新建设备用房，充分利用已拆除的锅炉房位置布置主机和管道，减少用地面积，节省投资。 主机房内设备和管道布置紧凑、合理。

（3）工程在进行室外循环水管道布置时，克服了矿井原有工业场地地面设施和地下管线较复杂的难点，室外新增管道布置简洁、美观。

（4）余热利用系统的热水供回水与矿井现有的热水系统连接合理，未对原有的热水系统造成破坏和影响。

（5）热水主机及系统控制采用智能化控制，系统简单、可靠。

4.2 工程技术成效

（1）节能

①本工程充分利用了矿井余热热源。 工程不仅可利用现有矿井瓦斯发电机组、空气压缩机、瓦斯抽放泵工作过程中循环水的热量制取卫生热水，同时还降低各余热源的循环水温度，提高了瓦斯电厂的发电效率及空气压缩机、 瓦斯抽放泵的工作效率。

②余热利用主机性能系数高。 工程选用的余热利用主机性能系数（制热量/ 输入功率） 可达5.9，与矿井原有小型、低效的燃煤锅炉相比，余热利用工程系统热效率更高，运行费用低，也更节能。

（2）环保、低碳

矿井原有3 台2 蒸吨/ 小时小型燃煤蒸汽锅炉，锅炉效率低，运行时间长，小型锅炉运行时产生大量的粉尘和二氧化碳，污染矿区的空气环境。采用余热利用主机制取卫生热水后，替代了原有的燃煤锅炉，降低二氧化碳排量，矿井的环境也得到很大的改善。