煤炭企業應用清潔能源替代燃煤鍋爐項研究

李夢哲

摘 要：開灤唐山礦業分公司，是開灤集團所屬的大型主力生產礦井之一，始建于1878年，至今已有130多年的歷史，現有員工8500多人，近十年來，原煤產量始終保持在400萬噸/年左右的高位水平。員工更衣室洗浴用熱現有熱源為燃煤鍋爐，按照唐山市整治燃煤鍋爐的相關文件精神，燃煤鍋爐要求停用改用清潔能源。通過對礦井水余熱、空壓機余熱、太陽能等清潔能源的調研分析和數據測算，確定投資少、見效快的洗浴用熱方案，保證職工洗浴用熱。項目實施后，不但現有余熱資源得到了充分利用，而且停用燃煤鍋爐，達到實現節能減排的目標。

關鍵詞：清潔能源；熱源；管網規劃

一、工作定位

在唐山礦業公司A、B區實施水源熱泵這一清潔能源技術，合理開發利用我公司豐富的礦井水資源，用于員工洗浴、夏季宿舍空調和冬季井口暖風，給企業員工創造良好的生產和生活環境，是我公司大力推進科學發展工業園區建設，實現公司轉型發展目標的重要組成部分，最終目標是通過大力推進循環經濟與新技術應用，把山礦建設成循環經濟型礦井。

二、總體思路

我公司A、B區男、女更衣室全年都有洗浴熱水需求，熱水供應量2260噸/天。冬季B區井口暖風和夏季A區職工宿舍降溫也需要一定的用能需求。目前A、B區均采用燃煤熱水鍋爐供熱，沒有夏季降溫措施，為了減輕節能減排的壓力以及滿足職工宿舍夏季空調的需要，擬采用礦井水水源熱泵系統來滿足上述冷熱需求。礦井污水經泵房排至地面經凈化水廠做處理后，首先應用水源熱泵技術提取其中熱能進行綜合利用，實現建筑物及井口的采暖和洗浴熱水，可以節約大量能源，也能減少污染物排放。提取完能量的礦井水水質和水量并沒有改變，仍然可以保證我公司本身生產工業用水。

三、可行性分析與規劃設想

我公司擁有豐富的礦井水資源，礦井涌水量每小時約1200m3，水溫20℃左右，非常適用于水源熱泵的應用，目前大部分礦井水并未加以利用而白白排放掉。礦井水水源熱泵系統運行簡單、效率高，與常規燃煤鍋爐相比節能減排效果明顯。A區中央鍋爐房建造年代久遠，熱源效率低，熱網損失大，系統設計落后，能源浪費嚴重，運行費用居高不下，尤其是污染物排放超標，并且早已達到設計使用年限，存在較大的安全隱患，急需改造，在A區率先應用水源熱泵技術尤為必要。水源熱泵技術在國內已日趨推廣，在集團公司內部，如范各莊礦、呂家坨礦和礦山公園等單位已投入使用，并取得了較好的效果。它具有高效、節能、經濟、環保、安全等優點。它的特點如下：

1、利用1KW的能量可供60～100平方米的面積取暖、制冷。

2、能量輸入與輸出之比：供熱狀態約1：4.2，制冷狀態約1：5.8。

3、初投資是其他中央空調的2/3～4/5。

4、使用過程中不釋放任何對環境有害的氣體，不破壞水

資源。

5、不存在任何爆炸、燃燒的安全隱患，操作簡單、運行穩定可靠、適用面廣。

（一）A區水源熱泵規劃設想

A區利用水源熱泵提取礦井水的余熱資源，用于加熱洗浴用水和夏季為職工宿舍提供冷氣。

1、A區職工浴室和宿舍樓現狀

我公司A區職工浴室通過中央鍋爐房高溫熱水和礦井凈化水，經混合到一定的溫度，來滿足職工洗浴。A區男浴室（簡稱大更）現有地下混凝土水池4個，每個水池約30立方，共120立方；女更保溫水箱正常蓄洗浴水15立方；大更樓上的蓄水箱有3個，分別為25立方、20立方、20立方，共65立方。A區職工浴室洗浴水蓄水能力共計為200立方。

A區職工4700人左右，按照每人每次洗浴用水0.2m3計算，每天淋浴用水量940m3，池浴水池近30m3，按每個池浴水池2次換水計算，大約需用水量為60m3，全天淋浴及池浴洗浴水共計1000m3。熱泵系統的設計加熱能力應保證滿足職工洗浴最大用水量并留有余量。

設計計算參數

全年洗浴總天數：365天洗浴水溫度：45℃

礦井水溫度：20℃洗浴用水原始溫度：20℃

洗浴水用量：0.2t /人次

全天設計用水量（45℃）：1000立方米

二休宿舍樓（不包括4層辦公區）共3層，每層長60米，寬18米，共3240平米；1#、2#、5#、8#宿舍樓每棟為3層，每層長52米，寬18米，4幢共11232平米；6#、7#宿舍樓每棟為3層，每層長60米，寬18米，共3240平米。九棟宿舍樓共有542間職工宿舍，總建筑面積為17712平米。夏天，為充分利用機組的冷負荷，實現“一機二用”，即在獲得洗浴水的同時，通過增加管路設施，把冷卻水輸送到宿舍樓，實現住宿職工夏季冷氣的要求。

2、實施方案

2.1熱源選擇

有三種方案可供選擇：一是從洗浴后的廢水中提取余熱，但是洗浴后的廢水和生活污水混合排入污水蓄水池，分開有一定的難度，故另考慮其它的余熱資源。二是使用社區凈化水廠處理過的礦井水，水量大，水溫比較穩定，而且水質良好，缺點是用水成本較高。三是把9道巷和11道巷泵房排出的礦井水經洗煤凈化水廠做處理后，利用熱泵技術，加熱后作為洗浴用水。但該水廠處理能力有限，可能不能滿足熱泵的需要。

2.2機房選址

經實地勘查，我們把水源熱泵機房的位置初步確定在洗煤凈化水廠西側。此處做機房選址，既不影響礦山公園的規劃又臨近供水管道，取水的距離短，換熱方便。

2.3管網規劃

員工洗浴部分準備充分利用更衣室內的原有設備和管路，如三處的洗浴水蓄水池：大更地下的120立方混凝土水池、女更的15立方保溫水箱，大更樓上的65立方不銹鋼蓄水池，更衣室內的管路也基本保持不動。

職工宿舍夏季空調需要鋪設從水源熱泵機房到宿舍區的室外管網，安裝組合式空調機組、末端用戶設備等設備設施。

（二）B區水源熱泵規劃設想

B區主要是利用水源熱泵加熱洗浴用水和冬季為九、十號井提供井口暖風防凍。目前，B區實施水源熱泵技術的瓶頸問題是礦井水排放量不足，缺少礦井水處理廠。隨著科學發展工業園區建設的逐步深化，公司積極、穩妥地推進了礦井水處理工程：A區向B區調水工程正在進行，A區11水平為調水服務的蓄水池工程已經完工，輸水路線與方案已經確定，準備鋪設管路。705泵房直排工程按照計劃快速實施，機械部分已經基本安裝完畢，完成了10道水閘墻、支筑電纜溝、泵房打底、調修軌道等各項配套工程。電控設備已通過驗收，井上管路基本安裝完畢，目前開始鋪設高壓電纜和電氣設備的安裝工作，預計到4月底可以實現排水。B區新建凈化水廠工程正在進一步細化方案，待集團公司批準后盡快施工建設，爭取年內投入使用。上述礦井水處理工程為B區實施水源熱泵技術創造了有利條件。

1、B區職工浴室現狀

B區職工浴室通過風井鍋爐房熱水經換熱后，來滿足職工洗浴需求。B區男、女浴室各有一個保溫水箱，每個約25立方，共50立方；東小更保溫水箱最大容積為20立方，干更蓄水箱約40立方。B區職工浴室洗浴水蓄水能力共計為110立方，蓄水量偏低，需要循環開泵蓄水。

B區職工5500人左右，按照每人每次洗浴用水0.2m3計算，每天淋浴用水量1100m3，池浴水池近80m3，按每個池浴水池2次換水計算，大約需用水量為160m3，全天淋浴及池浴洗浴水共計1260m3。

設計計算參數：

全年洗浴總天數：365天洗浴水溫度：45℃

礦井水溫度：20℃洗浴用水原始溫度：20℃

洗浴水用量：0.2t /人次

全天設計用水量（45℃）：1260立方米

2、實施方案

2.1熱源選擇

把705泵房排出的礦井水經新建凈化水廠處理后，利用熱泵技術，加熱后做為洗浴用水。

2.2機房選址

由于B區工業廣場的整體規劃還沒有最后確定，機房選址待定。我們初步把水源熱泵機房的位置暫定在新建凈化水廠附近，便于取水，成本較低。

2.3管網規劃

B區水源熱泵管網受到B區整體規劃的影響很大。如綜合樓不拆除，員工洗浴準備利用更衣室內的原有設備和管路；如果新建大型更衣室，則需要重新鋪設管路。

B區水源熱泵在采暖期供應井口暖風需要重新鋪設管路，安裝空調主機。礦井口和巷道送風的室外計算溫度為-21℃，井口處的送風溫度不得小于2℃。采暖時間為本年的11月15日至翌年的3月15日，采暖期120天，與民用建筑采暖期相同。

四、方案優化

水源熱泵系統是利用水源熱泵提取礦井水中的熱量，該系統可以全年正常運行，不會受外界環境影響。能效比遠遠高于燃煤、電等常規能源方式，運行費用也較高。

為進一步降低水源熱泵的運行成本，兩個區域的職工洗浴項目可以利用太陽能作為補充。使用太陽能的優點是運行費用低，缺點是應用太陽能需要較大的場地來安裝太陽能集熱器，還應有較大的儲熱水箱，另外天氣情況對太陽能集熱系統有很大的影響，如遇連續陰雨天氣，會導致系統無法滿足職工洗浴需求。

本規劃可以做以下優化：以水源熱泵機組提熱為主，增加太陽能輔助供熱。實際安裝時，根據現場情況選擇盡量大的太陽能集熱器面積。隨著太陽能吸收熱量的增加，水源熱泵機組的用電量會相應的減少。無論天氣如何，在不影響職工洗浴的情況下，最大程度的降低系統的運行費用，充分的節能減排。