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煤矿节能减排与综合利用
第十六章节能减排与综合利用
第一节项目能源消耗
一、矿井生产消耗能源的种类
根据矿井开拓方式、井下回采工艺、煤炭加工工艺以及相关配套辅助设施的特点,本矿井主要能耗种类为电力和柴油。
二、矿井生产消耗能源的数量
根据矿井工作面回采、掘进、压风、通风、提升运输、瓦斯抽采、环保、辅助设施等系统配备设备计算,矿井年耗电量约2255.6284×104(kW.h),吨煤电耗约37.59kW·h/t。
设计考虑矿井生产、生活、消防、救护等方面的需要,设计配备各种汽车;另外为减轻设备、材料、坑木的装卸运输及堆垛的劳动强度,配备了起重机等;为利于矸石排放,设计配备了装载机、推土机。
参考同等能力矿井数据估算,矿井全年消耗汽油10t、柴油25t。
煤炭生产总能耗(tce)=2255.6284×1.229+10×1.4714+25×1.4571=2823.67tce
第二节节能措施及评价
一、开拓与开采节能措施及效果评价
1、矿井开拓节能措施及评价
1)优化矿井开拓开采部置,本矿井采用平硐+暗斜井开拓,主要巷道均布置在岩层中,减少支护成本;开拓系统简单,巷道布置系统合理,生产运输环节少,占用设备少,既安全可靠,又使能耗较低。
2)矿井采用集中布置,首采工作面布置在中厚煤层中,资源储量可靠,能保证达产,投资回收快。
3)本矿井除了井筒开口段、井下巷道的构造薄弱带等采用混凝土砌碹支护以外,布置在灰岩中的巷道采用喷砼,其他井下巷道均采用锚喷、锚网喷或锚网支护。
断面形状绝大部分为半圆拱。
4)原xx煤矿始建于2004年,2008年2月建成投产后一直生产至2013年12月底停产封闭,距今已7年多,原开拓巷道大部分沿16号煤层布置,矿井按Ⅰ类容易自燃,煤层有突出危险性进行设计,延伸井筒需变坡至16号煤层底板,再沿16号煤层底板岩层布置,造成井筒起伏不平,增加运输设备和运输环节;同时原xx煤矿井筒断面较小,井下巷道年久失修,大部分巷道已垮塌封闭,改造扩巷成本高。
因此从节能角度分析,新建开拓系统较合适。
2、井下开采节能措施及评价
1)矿井采用综采综掘,机械化程度高,高效节能。
2)井下首采区块勘察程度高,储量可靠性强,有利于矿井稳产、达产。
3)采用无煤柱开采,区段巷不留设煤柱,节约资源。
4)采用底板穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯,抽采巷布置在煤层底板岩层中,先预抽消突,再施工煤层巷道,更安全。
5)根据煤层厚度,配备合适采高的双滚筒采煤机、掩护式液压支架、刮板运输机、转载机、顺槽胶带输送机及区段矿胶带输送机,其运量液压采煤机峰值采煤量计算确定,避免出现大马拉小车现象;设计选用采掘设备均满足高效、节能要求。
3、井下运输
矿井采用带式输送机连续运输,系统简单、环节少、减少能耗。
1)井下主运输采用带式输送机,井下煤流系统从采区到采区下部车场再经过采区运输下山、主平硐直接运出地表,避免了煤炭反向运输,减少了转载环节,节能高效。
2)设计工作面采用综合机械化开采,采用机械化运输,既可实现合理集中生产,减少运输环节,又可有效提高煤炭回收率,减少煤炭损失。
综采面刮板机、转载机、顺槽胶带输送机的运量根据矿井产量计算后确定,避免大马拉小车现象出现;设计选用采掘设备均满足高效、节能要求等。
4、矿井通风
1)矿井采用中央并列式通风方式,尽量缩短通风线路,降低通风阻力,以减少能源消耗。
2)矿井通风容易时期总风量为67m3/s,通风阻力为227.98Pa;通风困矿井总风量为90m3/s,困难时期阻力为617.92Pa,通风容易时期等积孔:
5.28m2,困难时期等积孔4.31m2,通风容易时期和矿井通风困难时期矿井通风难易程度均属通风容易矿井,通风阻力等级均为小阻力,节约能源。
二、主要设备节能措施及效果评价
(一)带式输送机节能
1、带式输送机运输系统
按《煤矿主要工序能耗等级和限值》(GB/T29723.4-2013),矿井主要胶带输送机的工序能耗计算如下:
1)主平硐带式输送机
矿井采用平硐开拓方式。
矿井设计生产能力600kt/a,工作制为330d/a,井下每天三班采煤,一班检修,每天净提升时间18h。
主平硐带式输送机设计运输能力400t/h,采用DTL100/40/110S型固定式带式输送机。
带宽1000mm,设计运量400t/h,带速2.0m/s,配套电机功率110kW。
主平硐带式输送机是煤矿生产运输的咽喉设备,主平硐输送机的详细选型计算见“第七篇提升、通风、排水和压缩空气设备中主平硐带式输送机设备”有关章节,该方案输送机计算电机功率适中。
主平硐带式输送机采用YOXII500型液力耦合器软启动的形式,实现了输送机的软启动。
这不仅能减小启动时由于电流过大造成对电网的冲击,同时还能降低启动时电动机的最大转矩,降低能耗。
另外采用软启动可减少启动时胶带张力,在保证安全的情况下,降低带强,减小胶带自重及运行阻力,降低电动机功率,达到了节能目的。
整个主平硐运输系统在运行过程中应加强管理,做好维护保养,严禁设备带病工作,及时更换损坏的部件和托辊,做好润滑管理,避免设备漏油,以减少设备磨损及运行阻力,降低能耗。
工序能耗计算参照MT/T1070《煤矿在用主提升带式输送机节能监测方法和判定规则》,主平硐带式输送机的工序能耗计算如下:
式中:
Ed—统计报告期主提升带式输送系统工序能耗,kWh/(t·hm);
W—单个主提升带式输送机的耗电量,初步设计计算所需电动机功率48.9kWh;
Q—单个主提升带式输送机输送至地面的物质总量,t,Q=400t;
Qt—单个主提升带式输送机第t个上煤点给煤量,t;
H—单个主提升带式输送机物料输送垂直位移量,m;
Ht—单个主提升带式输送机第t个上煤点与基准点间的垂直位移量,m;
L—单个主提升带式输送机物料输送水平位移量,m;
Lt—单个主提升带式输送机第t个上煤点与基准点间的水平位移量,m;
kd—折算系数;钢丝绳芯阻燃防撕裂胶带ST/S630,带宽1000m,带厚19mm,查《煤矿主要工序能耗等级和限值第4部分:
主提升带式输送机系统》(GB/T29723.4-2013)表A.3且根据插值计算取kd=0.0198。
根据上式公式计算,主平硐带式输送机工序能耗为0.252
分析结论:
矿井主提升带式输送系统工序能耗为0.252kWh/(t·hm),符合《煤矿主要工序能耗等级和极限》(GB/T29723.4-2013)中“主提升带式输送系统工序能耗指标等级小于“3级≤0.381”中能效的要求。
2、带式输送机节能措施
(1)通过优化矿井开拓方式、采区布置等,确定合理的井下原煤输送工艺。
(2)根据矿井生产能力、工作制度、采掘工作面配置、输送工艺等,选择合理的输送机基本参数(输送能力、带宽、带速等)。
(3)根据输送机工况选择合理的计算系数,计算出输送机的驱动功率,选择合理的功率配比和单机功率。
(4)根据输送机工况和计算功率选择合适的电动机类型,以减少配电电路电能损耗。
(5)根据输送机工况和电动机功率,选择软启动方式。
(6)选择传递效率高的减速器,联轴器等传动部件。
(7)重视输送机主要部件的加工制造质量,特别是旋转部件(滚洞、托辊)的加工精度。
(8)加强生产管理,合理安排输送系统的转动时间,降低设备空载能耗。
(9)加强设备的检修维护,及时更换破损的设备零部件,使系统中各设备始终保持良好的工作状态。
(10)主要机械设备选型均以多方案技术经济比较,充分考虑了节能因素,选用了运行效率高、电耗少的设备。
(二)提升系统
1、提升机节能措施
轨道暗斜井利用JKB-2.5×2.0P型提升机1台(单滚筒,滚筒直径2.5m,滚筒宽度2.0m,最大静张力为90kN),提升机配1台,配套型提升机专用防爆变频调速电机,740r/min、355kW、1.14KV。
一次提矸石车4辆、材料车5辆或平板车1辆,提升速度为3m/s,年电耗56万度。
以上提升设备,所配电动机效率为0.945以上。
提升机及电机、电控设备均为高效节能产品。
提升设备为交流变频拖动、PLC自动控制。
全数字直流电控设备及低压交流变频调速电控设备,比一般的电阻调速系统减少调速电阻本身的能耗,且可实现无级调速,调速及行程跟踪精度高,停车准确,运行稳定,降低了能耗;采用PLC保护系统,保护完善,对于重要的保护,设有双重或三重保护,安全性能好;控制部件采用模块化结构,组态灵活,维护方便。
操作系统具有完善的保护功能,如:
超速、过卷、钢绳滑支、衬垫磨损、闸瓦磨损、弹簧疲劳、过流、过压、交流装置故障等保护,确保提升机的安全运行。
生产过程中,提升应按设计能力装满车,及时清扫车底,提高装载率,降低不必要的能耗。
提升设备采用自动控制,严格按提升速度图运行,减少施闸次数降低能耗,减少设备磨损。
2、提升机工序电耗
(1)轨道暗斜井提升设备
1)提升一次电耗:
W=1.02×ΣFt×Vmax/(3600×η×ηd×ηX)
=13.56kW·h/次
2)轨道暗斜井提升工序电耗:
D=(k1·k2·W·102)÷{H〔Q+(0.03Qc+0.015Q+0.15pL〕ctgα}
=0.37kWh/(t·hm)
式中D——一次提升工序能耗,kWh/(t
hm);
k1——从实际倾角折算为25度的折算系数,k1=0.0126×24+0.685=0.9874;
k2——斜井长度折算系数,k2=0.796+1.76×713×10-4=0.921;
W——一次提升电耗量,kWh;
H——矿井提升有效高度,m;
Q——一次提升载重量,t;
Qc——一次提升的矿车质量,t。
轨道暗斜井提升机工序电耗0.37kWh/(t·hm),小于MT/T1001-2006规则的0.54kWh/(t·hm),满足节能要求。
(三)矿井主要通风设备
设计选用FBCDZ-8-No22B/2×160kW型通风机2台,配备YBFe355-8型2×160Kw,740r/min防爆电动机;蝶阀为风机配套设备,电压等级660V。
通风容易期需采用变频调速装置提高能源利用率。
风机运行工况点如下表16-3-1:
表16-3-1风机运行工况点
项目
风量(m3/s)
风压(pa)
叶片安装角
效率
矿井通风容易时期
81
673
40/32º
61%
矿井通风困难时期
104
1148
49/41º
68%
轴功率:
(1)一采区通风容易时期电机功率
=118(kW)<2×160kW
式中:
H1——一采区通风容易时期工况点负压,Pa;
Q1——一采区通风容易时期工况点风量,m³/s;
η1——一采区通风容易时期工况点所对应的静压效率;
η2——传动效率,联轴器传动时取η2=0.95。
k——电动机容量备用系数,取1.25;
(2)一采区通风困难期电机功率
=231(kW)<2×160kW
式中:
H2——一采区通风困难时期工况点负压,Pa;
Q2——一采区通风困难时期工况点风量,m³/s;
η1——一采区通风困时期工况点所对应的静压效率;
η2——传动效率,联轴器传动时取η2=0.95。
k——电动机容量备用系数,取1.25
根据计算,电动机选用YBFe355-8型(2×160kW、740r/min)满足要求。
一采区需要反风时通过主要通风机电机反转反风,无需反风道。
通风机采用反转反风,保证设备能在10min内完成反风,反风量应大于40%。
5、电耗的计算
式中:
式中:
N1、N2---N1一采区通风容易时期通风机输入功率118kW,N2一采区通风困难时期通风机输入功率231kW;
ηd---电动机效率,查表取0.95;
ηb---变压器效率,取0.96;
ηL---电网效率,取0.95;
ηt---传动效率,取0.95;
kW.h/106.m3.Pa的计算:
(1)通风机消耗的功率
一采区通风容易时期:
P=81×673÷(1000×0.61×0.95×0.95)=99.0kW
一采区通风困难时期:
P=104×1148÷(1000×0.68×0.95×0.95)=194.5kW
(2)百万立方米•帕所需时间
一采区通风容易时期
T=1000000÷(81×673×3600)=0.0050956h/(106·m3·Pa)
一采区通风困难时期
T=1000000÷(104×1148×3600)=0.0023266h/(106·m3·Pa)
(3)kW·h/(106·m3·Pa)电耗
一采区通风容易时期
W=99×0.0050956=0.505kW.h/(106.m3.Pa)
一采区通风困难时期
W=194.5×0.0023266=0.453kW.h/(106.m3.Pa)
经计算风机能耗指标一采区容易时期、困难时期为3级(3级限值0.401-0.550)内,符合《煤矿主要工序能耗等级和限值第1部分主要通风系统》(GB/T29723.1-2013)要求。
FBCDZ型风机为2级,可根据矿井负压变化情况只开一级或两级全开,以节省电能;可通过改变叶片安装角以适应矿井风量负压的变化,节省电能;通过变频调速,使风机始终保持在最佳运行工况,始终在最高效率区运行,以节约电能。
(四)矿井主要排水设备
1、主要排水设备节能论证
设计选用MD200-50×7型水泵3台;排水管Φ219×6.5mm无缝钢管2趟。
运行方式:
正常涌水量1泵1管工作,1台备用,1台检修;最大涌水时2泵2管运行,1台备用检修。
配套电动机:
防爆电机355kW,2950r/min。
排水管路:
选用Φ219×6.5mm无缝钢管2趟,1趟工作,1趟备用。
沿轨道暗斜井排水管路排至副平硐排水沟,后自流出地面。
管路的连结采用法兰盘,防腐采用除锈、2底2面高分子材料防腐。
排水管初期运行时单泵单管排水时排水设备运转工况点(M1)
Qg=229m3/h,Hg=336.7m,ηg=74.5%,
=6.1m
排水管后期运行时单泵单管排水时排水设备运转工况点(M2)
Qg=221m3/h,Hg=340.9m,ηg=75.1%,
=5.7m
水泵运行年电耗
1)新管
水泵所消耗的功率:
317.2kW
吨水·百米电耗:
0.424kW·h<0.5kW·h
2)旧管
水泵所消耗的功率:
312.8kW
吨水·百米电耗:
0.424kW·h<0.5kW·h
经上述计算,设计所选水泵吨水·百米的电耗小于对水泵的规定值0.5kW·h,满足节能要求。
2、排水管的管径适应性论证
排水管路在淤积前、淤积后,工况点均处于水泵高效区,说明所选排水管的管径适应性强。
(五)压缩空气设备
1、设计选用SA250A型空气压缩机2台,SA110A型空气压缩机1台;正常生产时,1台SA250A型和1台SA110A型工作,1台SA250A型备用。
2、空气压缩设备比功率计算及评价
风冷式螺杆压缩机
Ek=
(kWh/(m
•MPa))
式中Ef——空气压缩系统工序能耗,kWh/(m
•MPa);
W——空气压缩系统的耗电量,kWh;
Q——空气压缩系统换算到吸气状态下的公称排气量,m³;
p2——空气压缩系统平均排气压力,MPa;
空压机比功率计算值见下表:
表16-3-2空气压缩机比功率计算值
型号
排气量
(m3/min)
排气压力
(MPa)
比功率计算值
kWh/(m
•MPa)
SA250A
46.3
0.85
0.0745
SA110A
19.8
0.85
0.0682
空气压缩机系统工序能耗指标等级按标准《煤矿主要工序能耗等级和限值第2部分空气压缩系统》(GBT29723.3-2013)为一级(≤0.107kWh/(t•hm)),以上空压机均满足节能要求。
另管道压风损失为0.073×105Pa,小于规定值1.47×105Pa,满足节能要求。
该螺杆式空气压缩机采用风冷,不需配备循环冷却水系统,节约了循环冷却水系统的电能,也减少了废水排放。
压风系统采用PLC自动控制,根据井下用风情况控制空压机开启台数,节省电能。
(六)瓦斯抽采设备
瓦斯抽采站低负压系统选用2BEC-60型水环式真空泵2台,设备运行在320r/min,1台工作,1台备用。
抽采泵在71.822kPa压力状态下的工况流量为289m3/min,电机轴功率为253kW;瓦斯抽采站高负压系统设计选用2BEC-60型320r/min水环式真空泵2台,1台工作,1台备用。
抽采泵在58.023kPa压力状态下的工况流量为292m3/min,电机轴功率为292kW,效率0.98满足节能要求。
实际运行过程中,如果井下瓦斯量变化较大,可采用交流变频调速、PLC自动控制,调节瓦斯泵工况点,节约电能。
加强封孔质量和抽采管路的管理,提高瓦斯抽采效果,可大幅度地节省电能。
(七)注氮系统节能
矿井布置一个综采工作面生产,设计采用地面固定注氮,选用1台PSA—600型地面固定式制氮设备,其主要参数为:
流量为600m3/h,功率为28kW,电压为660V,频率为50Hz。
注氮管材选用φ133mm的无缝钢管。
设计选用的PSA型集成高效碳分子筛制氮装置,是一种管路集成化、结构简单、科技新兴的空气分离装置,以纯净的压缩空气为原料,使用进口的吸附剂,采用变压吸附分理的工艺流程(简称PSA).在常温常压下,利用空气中的氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同,把氧和氮加以分离,氮气的流量和纯度可根据用户要求调节。
PSA型集成高效碳分子筛制氮装置是一种节能型工业用制氮机,其先进性表现在:
性能高:
新一代低能耗PSA系统采用智能全自动控制系统,实现全自动控制,在用气量低于正常使用时自动开停机,并对不合格产品进行排空,分离空气中的氧和氮效率高、能耗低。
性能稳定:
工作阀门采用200万次频繁切换无故障的专用阀门,保障新型高效集成PSA系统运行安全稳定。
操作方便:
设备采用西门子S7-200可编程序控制器控制,操作极为简便、输出氮气压力稳定。
三、地面生产系统节能
1、主平硐带式输送机将井下原煤运至地面井口房,经地面101带式输送机运至筛分选矸车间上部,筛选后的煤由胶带输送机分品种运至各自的装车仓,筛分车间为封闭式、各转载点均进行洒水消尘有利于减排,工艺流程合理。
运输能力、运行速度与井下原煤运输系统相匹配,胶带输送机的选择方法与前相同选择合理。
选用高效的筛选系统有利于节能,在选矸胶带输送机中进行选矸防止煤炭的流失利于节能。
地面生产系统简单,工艺布置紧凑,输送长度短,降低了产品运输的动力消耗。
2、变压器选用节能低损耗电力变压器;供电电压高压采用10kV,低压采用380V、660V,减少线路能耗损失;接触器选用节能型设备,照明选用节能灯具并进行集中控制,以节省用电。
3、为减少粉尘(煤尘)排入大气,带式输送机输送机机头处设置了捕尘防尘装置,胶带走廊采取了封闭措施,在采掘工作面、煤仓、胶带输送机的机头、转载点,均设置喷雾降尘装置,在回风顺槽靠近出口及距工作面50m处,装煤点下风向20m处,胶带输送机巷道、采区回风巷、回风大巷等均应设置风流净化水幕。
减少煤尘污染和排入大气保护环境。
地面生产系统采用带式输送机实现原煤连续输送,地面设备采取节能措施主要有:
1、根据矿井生产能力、工作制度、采掘工作面配置、输送工艺等,选择合理的输送机基本参数(输送能力、带宽、带速等)。
2、根据输送机工况选择合理的计算系数,计算出输送机的驱动功率,选择合理的功率配比和单机功率。
3、根据输送机工况和计算功率选择合适的电动机类型,以减少配电电路电能损耗。
4、根据输送机工况和电动机功率,选择驱动装置和软启动方式。
5、选择传递效率高的减速器,联轴器等传动部件。
6、重视输送机主要部件的加工制造质量,特别是旋转部件(滚洞、托辊)的加工精度。
7、加强生产管理,合理安排输送系统的转动时间,降低设备空载能耗。
8、加强设备的检修维护,及时更换破损的设备零部件,使系统中各设备始终保持良好的工作状态。
9、主要机械设备选型均以多方案技术经济比较,充分考虑了节能因素,选用了运行效率高、电耗少的设备。
四、供配电节能
(一)吨煤电耗
矿井达产时期(预留部分后期负荷)最大用电负荷如下:
全矿用电负荷有功功率:
4511.26kW
全矿用电负荷无功功率:
1462.50kvar
功率因数:
COS¢=0.95
视在功率:
4742.4kvA
矿井年耗电量约2255.6284万kW·h,吨煤电耗为37.59kW·h/t。
(二)矿井供电电源、电压及供电线路的节能设计
根据本矿井的用电负荷及附近电网状况,本矿井采用10kV电压等级供电。
在主工业场地建设10kV变电所一座。
矿井在主平硐工业场地新建1座10kV变电所,矿井一回电源引自35kV大坝变电站,电源线路4.2km,电压等级10kV,导线型号:
LGJ-240。
矿井另一回电源引自35kV二合变电站,电源线路3.8km,电压等级10kV,导线型号:
LGJ-240。
经对线路导线截面按温升、经济电流密度、线路压降计算和校核,矿井LGJ-240架空线路的载流量和电压损失均满足要求。
1、主要供配电变压器
简述变压器选型过程,并按以下内容评价其经济运行的效果:
1)变压器运行方式及负荷率和损耗计算
地面井工业场地10kV变电所2台KS13-800/10/0.4kV变压器,1台工作、1台备用,负荷率67%;2台KS13-1600/10/0.69kV变压器,1台工作、1台备用,负荷率57%。
采用KS13系列节能变压器相对于KS9系列变压器空载损耗平均下降30%,年运行成本平均下降11.7%,KS13系列为最新高效节能变压器。
井下中央电变压器安装两台KBSG-1600/10/1.14kV变压器,负荷率74%;局部通风机选择2台(一用一备)KBSG-500/10/0.69kV变压器,负荷率69%;采面选择1台KBSGZY-1000/10/1.14kV变压器,负荷率72%。
变压器的损耗中,铁损与负荷无关,铜损与负荷率的平方成正比。
当输送的功率恒定时,功率因数由cosΦ1提高到cosΦ2时,变压器的铜损减少量△P为:
式中:
△Pk:
矿井所有在用变压器的额定铜损,24.5kW;
β:
变压器在功率因数未提高时的负荷率,0.65;
R:
导线相电阻,
△P:
损耗减少量,kW;
cosΦ1:
提高前的功率因数,0.74;
cosΦ2:
提高后的功率因数,0.95;
经计算,△P=3.78(kW),
年有功电能损耗节省量=5000×3.78=18900kW.h
2)保证变压器经济运行的措施
A、合理提高电网的功率因数;
B、尽可能选择鼠笼式电机;
C、合理调节负荷,避免变压器空载运行;
D、合理选择变压器容量,保证变压器在较高的负荷率下运行。
3)变压器经济运行效果评价
选择材料工艺先进的变压器运行损耗小,变压器选择合理负荷率在0.50-0.75之间运行效率高,经无功补偿后电网功率因数达0.95,变压器运行损耗小效率高,因此变压器经济运行效果良好。
2、矿井供电电压对能耗的影响分析
1)供电电压
10kV线路与6kV线路的输电能力相比,从载流量和经济电流密度相同的角度计算,在线路的长度、材料、功率因素相同的情况下,10kV线路输送功率是6kV线路输送功率的2.78倍;
在用电负荷、线路长度、材料、功率因素相同的情况下,10kV电压与6kV电压相比,工作电流小1.67倍,线路电能损耗小2.78倍。
由上可知,10kV电压供电质量高,线路电能损耗
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