煤矿热水系统改造

摘要：利用瓦斯发电烟气余热对自来水加热，设置高位保温热水箱，配置重力流热水管道，将加热的水用作井下人员沐浴和井下员工工作服洗后烘干，替代现有的燃气蒸汽锅炉热水系统。

关键词：瓦斯发电；节能减排；烟气余热；高位保温热水箱

随着企业经营步入最困难时期，如何尽最大可能降低成本，将浪费的热能回收利用，提高能源利用率，减少二氧化碳以及各种有害气体的排放，走可持续性的道路，瓦斯发电余热利用具有经济和社会双重效益，

通过煤矿瓦斯供应系统调整，将4台2T燃气蒸汽锅炉消耗的瓦斯用于新增3台500kw瓦斯发电机组发电。利用瓦斯发电烟气余热对自来水加热，设置高位保温热水箱，配置重力流热水管道，将加热的水用作井下人员沐浴和井下员工工作服洗后烘干，替代现有的燃气蒸汽锅炉热水系统。为此，需对瓦斯发电站烟气含的热量和该煤矿井下员工沐浴和工作服烘干所需的热量进行核算，确定满足煤矿井下员工沐浴用水和工作服烘干所需要的瓦斯发电烟气余热量，，比较利用烟气余热新的煤矿热水系统和现有的热水系统的经济性。

一、井下工作人员沐浴用水1天所需热量

根据《建筑给排水设计规范》GB500015-2003（2009年版），双管淋浴器流量为0.15L/S。对于大多数普通健康者来说，沐浴的水温以40-42摄氏度最适宜，时间一般为10-15分钟，最长不超过20分钟，入浴时间过长、对消除疲劳的作用会适得其反。实地调查，井下工作人员沐浴，一般用时10分钟，慢一点用时20分钟，最慢的用时30分钟，井下工作人员沐浴1次平均按16.7分钟计算，1名井下工作人员沐浴1次用热水150L水，该煤矿1天井下工作人员沐浴用热水m=1350×150÷1000=203（m3）。

冬天，该煤矿地区自来水水温按5℃，沐浴水温按42℃计算，则该煤矿沐浴用水最大日耗热量Q沐浴：

Q沐浴=m×C×（△t）；Q沐浴=1350×150×4187×（42-5）=3.1

3711×1010（J）=3.13711×107kJ；水的比热容C为4.187kJ/（kg.℃）

二、井下工作人员衣物烘干所需的热量

井下工作人员衣物烘干所需的热量分3部分。第1部分为工作服加热需要的热量，第2部分为洗涤脱水后工作服所含水分加热到100℃时需要的热量，第3部分为工作服所含水分100℃汽化需要的热量。

1）井下工作人员工作服加热需要的热量Q衣1：Q衣1=m×C×（△t）=1350×1.5×0.8402×（50-15）=5.95491×105（kJ）；棉质工作服的比热：0.8402kJ/（kg.℃）；烘干房内工作温度设定为50℃；冬季洗衣水的温度15℃。2）脱水后工作服所含水分加熱到100℃时需要的热量Q衣2：衣物洗涤采用离心机脱水，脱水后，其脱水率按90%计算。井下工作员按每人每日1.5kg干衣计算，洗涤1.5kg干衣按80L计算。1名井下工作人员衣物洗涤脱水后含水量1.5×0.9=1.35kg，全矿井下工作员衣物含水量为1350×1.35=1822.5kg。Q衣2=m×C×（△t）；Q衣2=1822.5×4.18

7×（100-15）=6.48619×105kJ3）工作服所含水分100℃汽化需要的热量Q衣3：在一般情况下，棉纤维可向周围的大气中吸收水分，其含水率在8%左右。井下员工工作服烘干时，只需将大于8%的水分烘干冷却即可。全矿井下工作员衣物需要烘干含水量为1350×1.5×82%=1660.5kg。Q衣3=m×C潜热=1660.5×2256=3.746088×106（kJ）；常压下水的汽化潜热C潜热=2256kJ/kg。4）井下工作人员衣物烘干所需的热量Q衣：Q衣=（Q衣1+Q衣2+Q衣3）=5.95491×105+6.48619×105+3.746088×106=4.990198×106（kJ）

三、瓦斯发电站余热计算

1）单台500kw瓦斯发电机组瓦斯消耗量。1m3纯瓦斯热值为35.9M

J，500kw瓦斯发电机组热耗率为11MJ/kw.h，发电机功率500kw，单台瓦斯发电机组瓦斯消耗量为：M单=500×11÷（35.9×a）=511m3/h；式中：M单—单台机组瓦斯消耗量（m3）；甲烷浓度（℅），本工程甲烷浓度30℅。2）瓦斯发电机组烟气余热。瓦斯发电机组 烟气温度：500℃-550℃。计算时烟气温度按520℃；经余热回收器后的排烟温度设定为160℃。烟气平均密度按ρ=1.25kg/m3计算。烟道气体的成分为CO13% H2O11%N276%，在100℃～600℃的平均定压比热容为1.13kJ/kg·℃。经测量1台500kw瓦斯发电机组每小时产生的烟气量一般约为2250m3/h左右，则每小时排出烟气总重：2250×1.25=2812.5kg。单台500kw瓦斯发电机组每小时可利用排烟余热Q烟单：Q单=m×C×（△t）=2812.5×1.13×（520-160）=1144125（kJ/h）3）台发电机组1天可利用排烟余热总量Q烟总：Q烟总=1144125×3×24=8.2377×107（kJ）

四、热量平衡计算

在瓦斯发电站设置第1级气-水烟气热交换器，利用高温烟气加热自来水，将加热的90℃高温水用保温储水箱在瓦斯发电站处储存起来。在瓦斯发电站设沐浴热水调节保温水箱，温度为60℃。通过保温输水管将60℃热水送至员工澡堂沐浴用，将90℃热水送至烘干房，通过空气-水热交换器热风烘干员工衣服。烘干房用后的热水降低为35℃，用水箱储存起来洗衣用。气-水热交换器能效按80%，保温水管热量损失按8%计算，空气-水热交换器能效按80%，烘衣房热损失率20%。

煤矿井下工作人员沐浴和烘干衣服1天实际需要的热量为：（3.13711×107+4.990198×106÷0.80÷0.80）÷0.92÷0.80=5.3217778×107（kJ）

通过上面计算，3台瓦斯发电机组1天实际利用到的烟气余热8.2377×107kJ大于煤矿1天需要的热量5.3217778×107kJ，完全满足煤矿沐浴和烘干衣服。

五、经济效益分析

1）取消4台2T/h燃气锅炉，可减少5名员工。每名员工费用按3000元计算，1年可节省18万元员工费用。2）增加1台100公斤TG系列工业脱水机，降低工作服洗涤脱水后含水率至90%。脱水机费用0.8万元。3）把4台燃气锅炉消耗掉的瓦斯用于瓦斯发电。煤矿有1座1万立方瓦斯罐，2座5千立方瓦斯罐，可以通过对煤矿瓦斯供气系统调整，新增加的3台500kw瓦斯发电机组24小时发电。每台发电机组发电按80%效率，1年发电时间8000小时，3台500kw瓦斯发电机组可发电960万度。发的电自用，减少从国家电网用电，每度电按0.6元计算，1年发电收入576萬元。4）瓦斯发电机组运行费用0.08元/度，3台瓦斯发电机组运行费用76.8万元。5）利用瓦斯发电余热新建的热水系统采用智能化控制，运行由瓦斯发电站运行人员代管。6）新敷设管径为DN150和DN80的架空保温热水管道2条，DN150长550米，DN80长500米，费用预计100万元。7）在瓦斯发电站设1个高温保温水箱，1个保温调节水箱。保温热水箱按1000元1立方米计算。高温保温热水箱60立方，温度90℃，费用6万元；调节保温水箱100立方，温度56℃，费用10万元。保温水箱自动控制，温度根据运行情况调节。8）单台500瓦斯发电机组用1套烟气余热回收器，1套4.3万元，3套总共12.9万元。9）3台500kw瓦斯发电机组设备费3*115=345万元，土地、设备土建安装配套费万元，共计500万元。10）衣服烘干房改造抽湿风机，翅片管换热器2台，高温轴流风机1台共计6万元。

11）改造后的热水系统与原有的热水系统电费和维护费用相当，减少了人工费用。预计电费1万元，维护费3万元，全年预计4万元。12）原煤矿热水系统1年运行员工费用、电费维护费工费用18+4=22万元。项目投资0.8+100+12.9+500+16+6=635.7（万元）。项目建成后1年预计收益576-76.8-4=495.2（万元）。

六、结论

取消4台2T燃气蒸汽锅炉，将锅炉消耗的瓦斯用于瓦斯发电。利用瓦斯发电烟气余热加热自来水，设置高位保温热水箱，配置重力流保温热水管道，将热水用于井下员工沐浴和井下员工工作服洗后烘干，可以充分利用能源，节能和减员增效，减少对环境二氧化碳的排放，每年为煤矿产生517万的经济效益。（作者单位：重庆市綦江区松藻工程设计有限公司）

参考文献

[1]闻其有.瓦斯发电站烟气余热利用实践[J].《中国新技术新产品》，2012（21）：93-93.

[2]杨永强，刘士喜，聂海军.瓦斯发电机组烟气余热利用实践[J].《中州煤炭》，2008（3）：95-96.

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