【摘 要】为了节能降耗、降低成本，发展循环经济，通过对袁店煤矿可利用热能的全面分析，确定了瓦斯余热、压风机余热以及太阳能结合空气能的综合利用方案，并付诸于实施，解决了矿井春、秋、夏三季洗浴水用热及其它用热负荷（约500吨），停运锅炉，达到了预期效果。

【关键字】瓦斯余热；压风机余热；太阳能；空气能；节能环保

1、引言

能源是人类社会赖以生存和发展的基础。据2010年的统计，全世界能源消费结构中传统化石能源依然占据主导地位：原油消费占34%，煤炭占30%，天然气占24%。这种不可持续的能源消费模式已经引发了人类社会的深刻反思和对新能源、可再生能源的强烈需求。当前，随着我国经济的快速发展，传统化石能源的使用导致环境污染问题也日益突出。因此如何减少能源消耗，提高能源利用率和减少污染排放是我国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题[1-5]。

淮北矿业集团一直把节能减排作为一项重点工作，为有效节约能源、降低成本，有效提高企业新技术水平及管理水平，针对各矿的特点对节能工作做出了合理规划。根据袁店矿余热情况和现场条件，通过充分研究、论证，提出了利用瓦斯余热、空压机余热以及太阳能结合空气能绿色能源的综合利用方案，以解决春、秋、夏三季洗浴水用热及矿井其它用热负荷，停运锅炉，同时冬季充分利用上述热能配合锅炉供热满足矿井热需求，实现最大化节能要求。

2、项目方案

2.1供热用能现状及分析

2.2可利用能源分析

（1）瓦斯余热

瓦斯发电机组余热利用就是在发电机组烟道出口加装一套余热回收锅炉装置，将软化水送至余热回收锅炉，经高温烟气加热形成蒸汽送往用户的过程。目前，燃气发电机组消耗燃料的能量只有约30～35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25～30%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，可见排气和冷却水损失的能量比有用功还多。

现矿内安装5台500gf1-3ew瓦斯发电机，正常运行3台，排烟温度为550℃左右，通过烟气余热锅炉，1台机组可产生354.5kg/h压力是0.4mpa的饱和蒸汽（温度约133℃）。每小时产热量Q1=cmρ（t1-t2）=1185Mj，式中c为烟气比热：1.076kj/kg℃；m为烟气流量：2130m3/h；ρ为烟气密度，1.293kg/m3；t1为烟道出口烟气温度，550℃；t2为余热锅炉出口烟气温度，150℃；考虑机组负荷率为75%，运转率为80%，余热锅炉热效率为95%，管路损失8%，则3台机组每小时可回收利用的热量：

Q3=1185×0.75×0.8×0.95×0.92×3=1864242Kj

去除洗衣房烘干和食堂用热还有余汽为41347526.5用来加热洗浴水，不同季节可产水，如表2所示：

（2）空压机余热

螺杆式空压机在长期、连续的运行过程中，把电能转换为机械能，机械能转换为高压压缩空气。在机械能转换为高压压缩空气过程中，空压机螺杆的调整旋转产生的大量热量，经润滑油带出机体外，最后以风冷或水冷的形式再把热量散发出去。空压机工作时机油温度通常在80～100℃之间，热能转换系统充分利用工作时的余热，在机油管道未经散热器之前串联接入热能转换机油路；热能转换机水系统连接循环保温水箱进行循环加热。循环保温水箱内热水水温达到所设定温度（45～60℃可调）后，通过温控系统、输送系统到达热水使用点，如图1所示。

矿内压风机房共6台英格索兰M200-2S空压机，4用2备，累计投入功率约800KW，运行4台机组综合加载率为90%，余热提取效率以67%，提取压风机余热功率可达482.4KW。

不同季节制热水量如表3所示：

机组热回收改造后，因况却风扇热负荷降低，如果风扇电机再改造为变频驱劢，额外多节电能如表表4所示：

（3）太阳能结合空气能产热

太阳热水技术就是指利用光热转换技术将光能转换为热能，即集热单元吸收太阳光的能量加热介质，热介质通过控制系统和循环管路将热量传递到预热储水箱产生热水并且储存，使用时通过恒温水箱降温或辅助加热保持设定水温通过用水管路供应恒温热水。

袁店矿总洗浴用水量按一定余量设计，系统产热水能力达720吨。春、秋季节的余热产洗浴热水共585.7吨，则剩余的还需要134.3吨的热水，可按140吨/天的产水能力设计由太阳能满足。

淮北市地处东经116度23分，北纬33度16分，全年平均气温14℃，历史最低气温-14.2℃，最高气温42℃。基本辐照量全年日照时数约为1971.3h，全年辐照量约为4836.25MJ/m2，年日均辐照量约为13.25MJ/m2，根据当地纬度的集热器朝东西方向摆放倾斜面上的补偿比为97%，则15°集热器倾斜面上所能受到的太阳能辐射量为13.25×97%=12.853MJ/m2。集热器全日集热效率按经验值可取0.55

每天140吨热水用热：Q=cm（t1-t2）=4.186×140×（44-10）=19925Mj

所需太阳能面积S=Q/12.853/0.55=2818m2㎡

袁店矿浴池楼楼高14.4米、面积为2400m2；辅助楼楼高14.4米、面积为540m2，共有2940m2的面积，满足太阳能集热管布置需要。春夏秋三季阴雨天根据历年数据约85天，太阳能不能满足集热要求，需用空气能热泵辅助加热。19925Mj/12/3600=461/3.8=121KW/9.1kw=13.3

选择9.1KW的空气能14台。

空气能热泵工作原理及工作流程如图2所示：空气源热泵利用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机将回流的低压冷媒（R22）压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在次迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。所以它能耗低、效率高、速度快、安全性好、环保性强，源源不断的供应热水。其内部结构主要由四个核心部件：压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成。

3、方案设计

3.1系统方案

压风机余热加热系统水路闭合，太阳能结合空气能加热系统水路闭合，两路热水（温度可调）通过各自的循环水箱用泵疏送到新建容积600m储热水池，瓦斯电厂余热锅炉产生的温度130℃压力为0.3Mpa的蒸汽直接接入储热水池，通过储热水池向淋浴水池和各个池浴点通过热水泵输送，保压运行，输出热水为恒温热水45℃（可调）。整个工程现场采用PLC统一控制，采集终端将温度、流量、水位、压力等信号采集到PLC上，通过人机界面显示出来并通过通讯总线传到中控室计算机，实现无人化自动运行。

3.2注意问题

因为采用了地下水加热，淮北地区水硬度高，为防止换热器结垢而需要去除原水中的钙、镁离子以及导致换热面长垢的其他元素。水处理设备采用晶磷硅水处理技术。硅磷晶一种经济有效的防止设备及管道结垢和腐蚀的水处理剂，是以独特的配方和工艺制成的难溶于水的玻璃质缓释小球，是聚磷酸盐/聚硅酸盐组成的微溶性聚合体。在水中聚磷酸盐能防止晶体生长和凝聚，并对铁离子起封闭作用，对氢氧化铁起分散作用。聚磷酸盐和硅酸盐更能使管道内表面形成保护膜，防止金属腐蚀，所以硅磷晶既缓蚀又阻垢，还可消除锈垢。主要设备配置及安装投资额如表5所示。

4、效益评估

4.1改造前用能耗

2010年10月～2011年10月期间供热系统消费的能源品种为原煤，年用原煤为6222t，折合成标准煤系数能源消费量计4444tce；锅炉房用电365600kwh，折合标准煤系数消费量计45tce，共计消费标准煤4489 tce。

4.2改造后能耗

（1）空压机余热利用

空压机每年用电量为4KW*3台*80%*365d*24=84100kwh，折标煤9.5tce。

（2）太阳能结合空气能

太阳能用电量为：365d*24h*2/3*5KW（主要为1套控制系统及11只循环泵、2只电磁阀功率）=29184Kwh，折标煤3.6tce。

空气源热泵能耗：（365d/3）*12h*9.1KW*14台=186004Kwh，折标煤22.9tce。

（3）锅炉用煤成本：用煤量3140吨（相当于标煤2243tce），用电量约17.15万KWH，折标煤21tce。

（4）改造后能耗总量为标煤2300tce。

4.3节能效益汇总：

总节约标煤=改造前-改造后=4489tce-2300tce=2189tce

总经济效益约为219万元（标煤以1000元计）。

4.4环境效益评估如表6所示

5、结论

根据淮北矿业“以煤为基、结构合理、循环利用、绿色发展”的产业格局模式要求，袁店煤矿热能综合利用工程是充分调研、分析基础上，合理利用矿井余热及太阳能，解决了矿井的洗浴用水、衣物烘干及食堂等用热，实现了良好的经济效益、社会效益和生态效益。