煤矿余热综合利用系统工业应用实践

煤矿余热综合利用系统工业应用实践

徐鹏飞

煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司 

摘要：我国现役燃煤锅炉排烟温度普遍维持在125～150℃之间，排烟温度高是一个普遍现象，占锅炉各项热损失的50%以上。一般而言，锅炉排烟热损失相当于锅炉热量的5%～8%，并且随着排烟温度每升高20℃，排烟热损失增加0.6%～1.0%，因此燃煤锅炉排烟中还蕴藏着巨大的能量可供利用。本文将对煤矿余热综合利用系统工业应用实践进行深入探讨，以供参考。

关键词：煤矿余热;矿井乏风;回收利用;节能减排

引言

党的十九大报告指出：“坚持节约资源和保护环境的基本国策，像对待生命一样对待生态环境；着力解决突出环境问题，坚持全民共治、源头防治，持续实施大气污染防治行动，打赢蓝天保卫战。”目前燃煤电厂的烟囱的“大白烟”现象还是很明显，部分燃煤电厂周边民众要求企业治理湿烟羽的呼声日高。

1余热回收利用及控白烟技术

目前，在我国多个地区出台了控制湿烟羽的地方政策文件，主要是对湿法脱硫出口的排烟温度和含湿量提出了具体的要求，即强制要求脱硫出口的排烟温度及含湿量必须低于一定的限值。如河北省夏季（4月～10月）排烟温度要求低于48℃，冬季（11月～次年3月）排烟温度要求低于45℃。主要使用的主要是通过回收脱硫前的高温烟气余热，此处的烟气余热可利用价值较高，根据能量守恒定律，将原脱硫出口降至要求的排烟温度时所需要释放的热量，通过对脱硫前的高温烟气进行余热回收利用，既节约了能源，又起到了控白烟的目的，还降低了湿法脱硫系统的水耗及提高了脱硫效率。

2煤矿余热回收现有技术与发展水平

2.1风井乏风余热利用

矿井乏风余热资源丰富，流量大，温度稳定，含湿量较大，焓值较高。21世纪初，我国开始积极探索“采用热泵技术利用煤矿回风余热的研究与应用”，其中第一代“采用淋水式取热+水源热泵”的矿井回风余热利用技术路线，该技术要求回风温度不低于12℃，取热量有限，水气带走了大量余热，其热能利用率20%;第二代“采用取热与分体热泵”的矿井回风余热利用技术路线，该技术将热泵机组的蒸发器放置于回风井上方，通过蒸发器直接吸收热量，将介质加热，然后通过铜管供给热泵，该技术乏风取热温度一般在4℃，取热量有限，热能利用率约65%。目前“第三代直蒸和直冷式乏风热泵(称之为“深焓取热技术”)”与“高温及大温差供热”的矿井回风余热利用技术路线更具划时代意义，该技术是在第二代的基础上解决了乏风取至零下蒸发器表面结霜结冰的问题，大大提高了乏风余热的利用率，其热能利用率达100%。直冷式乏风热泵技术原理示于图1。乏风取热箱设置在乏风取热室侧面墙壁，其内介质与通过翅片的乏风进行换热，吸收乏风中的余热并供给乏风热泵;热泵用电能将此部分低品位热源转换为高品位热源;根据末端需求，设定不同出水温度，满足各种工况需求。

图1直冷式乏风热泵技术原理示意

2.2瓦斯电厂余热回收

瓦斯发电机组在运行时，只有约35%的能量转化为电能，约30%～35%随高温烟气排出，20%～25%被发动机冷却水带走，通过机身散热等其他损失约占10%左右，充分利用这些未被转化为电能的余热，可用来制取热水以满足用户的生产生活需求。瓦斯发电机组的排烟温度达550℃以上，可以通过烟气余热回收机组回收利用，用于供热;同时瓦斯余热发电机组的缸套水温度较高，通常达到80℃以上，回收利用以后可以直接用于进风井防冻与建筑采暖等。见图2。

图2瓦斯电厂余热利用技术示意

2.3矿井水余热利用

水源热泵工作原理与乏风热泵基本相同，都是通过低位能源向高位能源转移，从而减少能耗。热泵同样由蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀四大件组成，只是冬季供热时蒸发器侧的热源由矿井水余热提供，其工作原理如图3所示。

图3矿井水水源热泵技术原理示意

在我国东部及西部部分地区的大水矿井，涌水量一般在500m3/h以上，矿井水水温常年基本恒定，冬季温度不低于14℃，是水源热泵利用的较好热源。若按矿井水涌水量500m3/h、水温14℃考虑，水源热泵系统的制热量按照提取矿井水6℃温差的热能计算，供水温度设计为45℃，则可提取的热负荷为3500kW;若热泵热力系统的完善度按55%考虑，则涌水源热泵可形成的供热能力为4665.5kW(相当于6.7t/h锅炉)。

3余热回收利用及控白烟技术的应用

余热利用设备均是处于水露点的温度以上，虽然部分设备是处于酸露点以下，但是通过控制好余热利用系统的水温，从而控制余热利用设备的壁温处于一定的温度值之上。根据有限腐蚀理论，可以确保余热利用设备在使用年限内的寿命。对于大部分的项目而言，余热利用设备的高温段可采用ND钢作为余热利用设备的换热管材，余热利用设备的低温段可采用316L或者2205双相不锈钢材质，提高余热利用设备的经济性。而位于脱硫后的烟气冷凝设备与烟气换热的环境比较恶劣，因此对于换热材质的耐腐蚀要求高，目前常用的换热材料有钛管、氟塑料换热器等材质，造价相对而言都较高。脱硫后的烟气温度较低，进行回收利用的难度较大并且还需要通过额外的冷源进行与之换热，不仅造成了能源的浪费，还使得设备的造价进一步升高。因此，本文提出另一种思路，即有经济效益又减轻了烟囱冒白烟的现象。选用的设计煤种的元素分析如表1，过量空气系数为1.3，脱硫前的标况烟气量为775431Nm3/h，未设置余热利用回收及控白烟技术时，脱硫前的烟气温度为135℃。

本方案的主要工艺流程为：低温的循环水，通过闭式循环泵输送至烟气冷却器吸收烟气中的余热，升温至高温循环水的状态，依次通过辅助蒸汽加热器、暖风器及板式换热器，再回至闭式循环泵的入口。本方案的主要设计参数如表2所示。根据结合目前各个地方出台的控白烟的要求，通过烟气冷却器将脱硫入口前的烟气温度降至74℃从而使湿法脱硫出口的排烟温度降至45℃进行设计考虑，通过本方案的应用，既将烟气的余热进行了深度的回收，又大大的减轻了烟囱白烟问题。本方案的设计具有适应多工况调节的功能：①在低工况时或者烟气冷却器入口烟气温度偏低时，可通过投入辅助蒸汽加热器来增加暖风器的入口水温或者通过关闭或调小板式换热器锅炉给水的电动调节阀减少锅炉给水的加热量从而提高暖风器的入口水温。②在超温的工况下，可通过调大板式换热器锅炉给水的电动调节阀增加锅炉给水的加热量从而使烟气冷却器出口的排烟温度达到设计值。③在夏季时根据控白烟的要求，脱硫出口烟气温度要求降至47℃，可减小烟气冷却器的温降，使烟气冷却器的出口的温度为92℃；在冬季时根据控白烟的要求，脱硫出口烟气温度要求降至45℃，按照设计烟气冷却器的温降，使烟气冷却器的出口的温度为74℃；即达到了余热回收的目的，又达到了控白的要求，不仅具有经济效益，还节约了设备的投资。

结束语

煤矿余热资源丰富，通过目前先进的热泵技术可以回收低热—高热资源，X煤矿对场地内各种余热进行了综合考虑，建立起了一套余热能源回收系统，更加精细地管理了项目余热资源，替代了燃煤锅炉，解决了煤矿节能减排问题，经济效益和环境效益显著，具有良好的推广前景。

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