熱泵技術利用乏風余熱聯(lián)合供暖的優(yōu)勢

黃 棟，王鵬科，譚 樂，李 斌

(1.陜西省煤炭科學研究所，陜西 西安 710001；2.陜西省何家塔煤礦，陜西 榆林 719000；3.延安市煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控中心，陜西 延安 716000；4.延安能源化工(集團)有限責任公司，陜西 延安 716000)

0 引言

根據(jù)國家目前及以后嚴格的環(huán)保政策要求，煤炭生產(chǎn)企業(yè)、城鄉(xiāng)居民供暖將按照“宜煤則煤、宜電則電、宜氣則氣”的原則發(fā)展。陜北地區(qū)冬季大氣最低溫度達到-28 ℃，煤礦每年冬季供暖期最長為180 d。榆林某煤礦目前計劃改造地面建筑供暖設施及主井井口供暖方式，該礦年產(chǎn)120萬t，地面建筑設施需供暖的面積近10萬m2。其中，居住、辦公建筑供暖需達到22 ℃以上，面積約3萬m2；機修車間、棧橋、裝車站、污水處理廠等井上非居住建筑需要供暖到7 ℃以上，礦井主井口需供暖2 ℃以上且無結冰現(xiàn)象[1-4]。該礦為有效利用副井乏風余熱，擬通過雙級螺桿壓縮式熱泵機組和超低溫空氣源熱泵聯(lián)合的方式供暖，具體為，先回收副井井口乏風熱量并通過換熱器進行換熱[5-7]，再以雙級螺桿壓縮式熱泵機組將所換熱量用來制取熱水[8-10]，以期滿足全礦的居住、辦公供暖需求。

1 乏風余熱及各供暖方式對比

1.1 乏風余熱

該煤礦副井乏風量為5 800 m3/min，出風溫度15 ℃，濕度75%，使用雙極螺桿壓縮式熱泵機組后，乏風排風溫度為5 ℃，濕度為100%。其中熱泵機組中進介質(zhì)的溫度為-2 ℃，出介質(zhì)溫度為3 ℃。根據(jù)相關參數(shù)可得，乏風在溫度為15 ℃，濕度為75%時，空氣密度1.214 kg/m3，焓值為35.3 kJ/kg；在溫度為5 ℃，濕度為100%時，乏風焓值為18.6 kJ/kg，故吸收副井乏風的熱量Q=5 800×1.214×(35.3-18.6)=1 960 kW，根據(jù)每平米需熱量為0.05 kW計算，可滿足39 200 m2的供暖需要，在滿足該礦建筑供暖的需要后，仍有近萬平方米的富余。

1.2 各供暖方式對比

電廠熱源熱電聯(lián)供供暖：若采用6 km以外電廠熱源熱電聯(lián)供供暖，需鋪設來回約12 km的管路線，每千米需要征地費、工程費、管線設施費及其他不可預見費用等共1.2億元左右。另煤礦鋪設管道還需要進行線路勘探、繞開采空區(qū)及村莊，如此將會延長管線，增加投資。供暖基礎建設全部建成投運預計總投資額近2億元左右。該方案建設基礎工程投資巨大，特別是征地費用耗資巨大、戰(zhàn)線長，后期管理復雜。

燃氣鍋爐供暖：若建設燃氣鍋爐供暖，除了管線建設費用外，接口費、兩用一備3臺燃氣鍋爐及礦區(qū)管道集中改造費(包括一進風井口兩套熱風機組建設)等，需要建設費用1.2億左右。雖然建設投資費用相對電廠熱源供暖基礎建設投資少，但弊端在于供暖氣源無法得到保證，結合我國天然氣儲量和開發(fā)利用不足的現(xiàn)狀，過度開發(fā)擴大天然氣供暖，將導致冬季無法保障生產(chǎn)企業(yè)用氣。

煤粉鍋爐供暖：若該礦建設煤粉鍋爐供暖，需3臺20 t煤粉鍋爐，兩用一備。其中，管道集中配套及主井暖風的兩套熱風機組等配套設施約需總投資7 000萬元左右。因煤粉鍋爐屬于高壓力鍋爐，需要每年檢測費用高，消煙除塵、脫硫脫硝系統(tǒng)目前很難達到國家要求的環(huán)保排放標準，且需要上線整個檢測系統(tǒng)，管理不到位會造成環(huán)境污染。且煤粉鍋爐運行過程中需要技術人員較多，高壓鍋爐運行安全風險較大。

電鍋爐供暖：若建設電鍋爐供暖，需要6臺3 000 kW電鍋爐。分區(qū)布置及一個需要暖風的主井口再配套2套熱風機組等費用共需要投資4 000萬元左右。雖然總投資較小，但電熱鍋爐后期運行耗電量巨大，煤礦供暖成本太高。如子長縣南家咀煤礦(年產(chǎn)120萬t)使用電鍋爐，因每年采暖電費過高，現(xiàn)已拆除并更換為雙級螺桿壓縮機熱泵機組和超低溫空氣源熱泵的聯(lián)合供暖方式。

熱泵技術聯(lián)合供暖：若該煤礦建設超低溫空氣源熱泵機組及礦井乏風利用雙級螺桿壓縮式熱泵機組的聯(lián)合供暖，需要煤礦乏風利用熱泵機組2臺，-35 ℃超低溫空氣源熱泵多臺。其中，設備安裝、基礎配套、供電設備等總共投資需要5 000萬元左右。超低溫空氣源熱泵屬于國家大力推廣的新技術節(jié)能環(huán)保的供暖設備。該礦礦井乏風的熱效再利用，將能滿足近10萬m2的供暖需求。

2 選擇聯(lián)合供暖方式的原因

通過5種供暖方式的對比，該煤礦目前選用超低溫空氣源熱泵機組及雙級螺桿壓縮式熱泵機組聯(lián)合供暖方案比較合理，具體理由如下。

2.1 基礎設施投資和運行安全性

基礎設施投資：在基礎設施方面，聯(lián)合供暖方式比電廠熱源供暖基礎建設節(jié)約1.5億元左右，比燃氣鍋爐供暖基礎建設節(jié)約7 000萬元左右，比煤粉鍋爐供暖基礎建設節(jié)約2 000萬元左右。但比電鍋爐基礎建設投資相對多，然而電鍋爐后期運行電費太高，能耗巨大。

運行安全性：燃氣鍋爐、煤粉鍋爐運行安全管理責任較大。運行管理人員較多，鍋爐檢測維護工作繁重，消煙除塵，脫硫脫硝設施、設備維修幾率大，運行中經(jīng)常會出現(xiàn)停機、停爐現(xiàn)象。超低溫空氣源熱泵機組及乏風利用雙級螺桿壓縮式熱泵機組，常年自動化運行，穩(wěn)定無故障，使用安全性高。

2.2 運行能耗

運行能耗主要在于建筑物供暖和冬季礦井送風，現(xiàn)對超低溫空氣源熱泵機組(聯(lián)合供暖方式)和間接加熱式電熱中央熱水機組(電鍋爐)的運行費用進行計算分析。

建筑物供暖：以滿足1 000 m2的建筑物供暖需求的能耗進行對比分析。冬季供暖天數(shù)為180 d，綜合每天間歇運行時間為12 h，系統(tǒng)的滿負荷利用率為60%，電費為0.7元/(kW·h)，建筑物冬季供暖所需的總熱量為103 680 kW·h。采用超低溫空氣源熱泵機組時，綜合冬季室外工況，按照室外溫度為-25 ℃考慮；在此溫度下，超低溫空氣源熱泵機組出水60 ℃時,機組的能效比為2.89，即輸入1 kW的電量可產(chǎn)生2.89 kW熱量；可計算得所需電量為35 878 kW·h，所需的運行費用為25 114.6元。采用間接加熱式電熱中央熱水機組(電鍋爐)時，電能熱效率為90%，即輸入1 kW的電量可產(chǎn)生0.9 kW熱量；可計算得所需的電量為115 200 kW·h，則所需的運行費用為80 640元。可以發(fā)現(xiàn)，采用超低溫空氣源熱泵機組，每年節(jié)約電79 322 kW·h，節(jié)約運行費用55 525.4元。

冬季礦井送風：冬季礦井送風天數(shù)為130 d，24 h不間斷運行，按照室外溫度-25 ℃、系統(tǒng)的滿負荷利用率為50%、電費0.7元/(kW·h)計算，礦井送風系統(tǒng)所需的總熱量為546 000 kW·h。當采用超低溫空氣源熱泵機組時，綜合冬季室外工況，超低溫空氣源熱泵機組出水60 ℃時，機組的能效比為2.89，即輸入1 kW的電量可產(chǎn)生2.89 kW熱量；則所需的電量為188 927 kW·h，所需運行費用為132 248.9元。采用間接加熱式電熱中央熱水機組(電鍋爐)時電能熱效率為90%，則所需電量為606 667 kW·h，所需運行費用為424 667元。綜合可得采用超低溫空氣源熱泵機組，每年可節(jié)約電能417 740 kW·h，節(jié)約運行費用292 418.1元。

3 應用實例

3.1 子長縣扇咀灣煤礦

供暖效果：扇咀灣煤礦設計年產(chǎn)45萬t，礦井提升矸、混煤90萬t以上?；仫L井乏風風量為2 800 m3/min，溫度13 ℃，使用1臺368 kW雙級螺桿壓縮式熱泵機組滿足了地面1.8萬m2的居住、辦公等各類建筑的供暖需要。使用超低溫空氣源熱泵供應暖風，使得進風口溫度高于2 ℃，井口無結冰現(xiàn)象；其他如機修車間、倉庫、洗煤廠等非居住建筑溫度達到7 ℃以上。該地區(qū)冬季大氣溫度最低-21 ℃，與乏風利用熱效溫度相差近30 ℃左右，有效利用了乏風余熱，達到了節(jié)能供暖效果。

費用：對比扇咀灣煤礦之前采用的4臺4 t常壓燃煤鍋爐供暖方式，乏風利用熱泵機組供暖單個采暖季節(jié)約電能費用10萬元，節(jié)約人工費用為18.9萬元，節(jié)約維修費用2萬元，達到了節(jié)能70%以上的良好效果。經(jīng)過1 a的使用，礦方職工普遍認為供暖熱效高，運行平穩(wěn)。

3.2 子長縣自備煤礦

供暖效果：子長縣自備煤礦設計年產(chǎn)45萬t，提升混矸煤90萬t。煤礦回風井乏風風量為2 600 m3/min，乏風溫度15 ℃。使用1臺368 kW雙級螺桿壓縮式熱泵機組與2臺100 kW超低溫空氣源熱泵分區(qū)滿足了地面1.5萬m2的居住、辦公等各類建筑的供暖需要；且進風口溫度、非居住建筑均滿足供暖要求，有效利用了乏風余熱。

費用：子長縣自備煤礦原采用2 t洗浴鍋爐1臺、采暖7 t鍋爐1臺、主井口供熱風7 t熱風爐1臺、洗煤廠4 t鍋爐1臺進行供暖。改為聯(lián)合供暖方式后，單個采暖季節(jié)約電能費用10萬元，節(jié)約人工費用21萬元，節(jié)約維修費用3萬元，共計節(jié)約采暖費用近35萬元。

4 結語

綜上，該煤礦通過對子長縣扇咀灣煤礦、自備煤礦使用熱泵技術聯(lián)合供暖效果的考察論證，結合在東部地區(qū)煤礦調(diào)研的情況，認為相比目前其他供暖方式，聯(lián)合供暖方式具有供暖節(jié)能高、無任何污染等優(yōu)勢，且運行安全穩(wěn)定，可自動化運行實現(xiàn)無人值守運行和在線監(jiān)測。2019年該煤礦啟動安裝工程，冬季即可實現(xiàn)節(jié)能供暖的目標。該供暖方式為子長礦區(qū)乃至整個西北礦區(qū)冬季供暖環(huán)保節(jié)能節(jié)效做出了樣板，實現(xiàn)了重大的環(huán)保戰(zhàn)略意義，值得廣大的煤炭企業(yè)重視并推廣。