水源熱泵技術(shù)在煤礦低溫余熱資源利用中的應(yīng)用

楊 丁，龍祖根，楊亞帆

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院， 貴州貴陽(yáng) 550003;2.貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院， 貴州貴陽(yáng) 550025)

煤礦在建設(shè)生產(chǎn)過程中存在大量的礦井排風(fēng)和礦井廢水，在這些排風(fēng)和廢水中又存在著大量的低溫余熱資源，礦方一般很少利用這些低溫余熱資源，而是任其白白散失于外界環(huán)境，造成了資源的浪費(fèi)。另一方面，煤礦工業(yè)場(chǎng)地還存在洗浴熱水和建筑采暖等用熱需求，根據(jù)對(duì)煤礦實(shí)際調(diào)查，它們一般通過燃煤(燃油)鍋爐提供，需消耗大量的燃煤或燃油，而且燃煤或燃油過程中還向周圍環(huán)境排放了大量的廢氣，造成環(huán)境污染。潛在低溫余熱資源的白白浪費(fèi)，大量燃煤、燃油的消耗，周邊環(huán)境的污染，這一煤礦普遍問題的存在，完全不符合國(guó)家實(shí)施節(jié)能減排的初衷，是現(xiàn)今亟待解決的問題。

1 煤礦低溫余熱資源分析

煤礦低溫余熱資源主要有礦井排水和礦井排風(fēng)，配備有瓦斯發(fā)電廠的煤礦其瓦斯發(fā)電乏氣余熱也是主要的低溫余熱資源。

礦井排風(fēng):回風(fēng)溫度一年四季約在18°左右，相對(duì)濕度接近100%，其溫度、濕度一年四季變化不大，蘊(yùn)含的大量低溫?zé)崮芪吹玫嚼茫厥绽脙r(jià)值高。

礦井排水:礦井排水溫度較高，全年溫度變化不大，大部分需全天排放，其中蘊(yùn)含著大量的低溫?zé)崮?，回收利用價(jià)值高。

瓦斯發(fā)電乏氣余熱:利用瓦斯發(fā)電的高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井，其發(fā)電機(jī)組排氣溫度在550℃左右，蘊(yùn)含的大量低溫?zé)崮?，可進(jìn)行回收利用。

2 煤礦低溫余熱資源利用技術(shù)

目前在理論上較為成熟且已投入實(shí)際應(yīng)用的煤礦低溫余熱資源利用技術(shù)為水源熱泵技術(shù)。

2.1 水源熱泵技術(shù)

水源熱泵技術(shù)是一種以可再生能源—淺層低溫?zé)崮?礦井水、礦井總回風(fēng)等蘊(yùn)藏的低品位熱能)為熱源，以消耗少量電能為代價(jià)，能將大量無用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿男滦?、?jié)能環(huán)保型節(jié)能技術(shù)。其核心是水源熱泵，水源熱泵是一種熱能置換裝置，輸入少量電能驅(qū)動(dòng)機(jī)組運(yùn)行，機(jī)組就可以把低品質(zhì)(低溫位)熱能置換到高品質(zhì)(高溫位)，供人們加以利用。通常熱泵消耗1 kW的電能，用戶可以得到4 kW以上的熱量。目前較為成熟的水源熱泵有同方人工環(huán)境有限公司的SGHP系列、北京礦大節(jié)能科技有限公司的HE640熱泵機(jī)組。

(1)礦井排水低溫資源提取工作原理。井下排水經(jīng)處理后，排至熱泵機(jī)組蓄水池，熱泵機(jī)組提取潛在低溫?zé)嵩春?，作為采暖、空調(diào)、洗浴供熱，見圖1。

圖1 礦井排水低溫資源提取工作原理示意

(2)礦井排風(fēng)低溫資源提取工作原理。在排風(fēng)井井口設(shè)置噴淋塔、翅片換熱器等設(shè)備，進(jìn)行空氣－水換熱，并將冷卻水收集，經(jīng)處理后，排至熱泵機(jī)組蓄水池，熱泵機(jī)組提取潛在低溫?zé)嵩春?，作為采暖、空調(diào)、洗浴供熱，如圖2所示。

圖2 礦井排風(fēng)低溫資源提取工作原理示意

2.2 水源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

(1)高效節(jié)能。水源熱泵是目前空調(diào)系統(tǒng)中能效比(COP值)最高的制冷、制熱方式，理論計(jì)算可達(dá)到7，實(shí)際運(yùn)行為4～6。

(2)屬可再生能源利用技術(shù)。通過水源熱泵技術(shù)回收礦井總回風(fēng)、礦井排水等資源中蘊(yùn)藏的低溫?zé)崮埽瑸槊旱V冬季采暖、一年四季洗浴熱水提供熱源，為夏季中央空調(diào)提供冷源，廢熱回收利用、符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)原理。

(3)節(jié)水省地。以礦井排水和礦井回風(fēng)為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會(huì)造成污染;省去了鍋爐房及附屬煤場(chǎng)、儲(chǔ)油房、冷卻塔等設(shè)施，機(jī)房面積大大小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。

(4)節(jié)能、減排效益顯著。水源熱泵機(jī)組供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)狻⑷加偷儒仩t房系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦不燃煤，無燃燒過程，避免了排煙、排污等污染;供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。所以，水源熱泵機(jī)組運(yùn)行無任何污染，無燃燒、無排煙，不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會(huì)引起城市熱島效應(yīng)，對(duì)環(huán)境非常友好，是理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。

(5)一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣。水源熱泵機(jī)組供熱可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。

3 水源熱泵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

重慶某煤礦為新建礦井。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限52.9 a，礦井采用綜合機(jī)械化采煤方式，分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)。礦井在籍總?cè)藬?shù)1600～1700人，礦井工業(yè)廣場(chǎng)總熱負(fù)荷2530.5 kW，總冷負(fù)荷為2241.3 kW。

采用水源熱泵技術(shù)回收礦井低溫?zé)崮?，解決冬季建筑采暖、全年洗浴熱水熱源和夏季建筑空調(diào)冷源。該礦可利用的低溫廢熱資源有礦井回風(fēng)熱能和礦井排水熱能。

3.2 礦井回風(fēng)低溫?zé)嵩捶治?/h3>

(1)冬季提取的熱量。礦井回風(fēng)量149 m3/s，冬季按回風(fēng)溫度19℃，相對(duì)濕度為85%，提取熱量后的回風(fēng)溫度為10℃，相對(duì)濕度為95%，則可以從回風(fēng)中提取的熱量為3606.9 kW。按照熱泵機(jī)組的綜合能效比COP為4.5計(jì)算，則可產(chǎn)生的熱量為:4637.43 kW。

(2)夏天吸收的熱量。夏季按回風(fēng)溫度22℃，相對(duì)濕度為95%，吸收熱量后的回風(fēng)溫度為32℃，相對(duì)濕度為100%，則礦井回風(fēng)可以吸收的熱量為8140.5 kW。按照熱泵機(jī)組的綜合能效比COP為5.0計(jì)算，則提供的冷量為 6783.7 kW。

3.3 礦井排水低溫?zé)嵩捶治?/h3>

(1)冬季提取的熱量。礦井排水量為260 m3/h，礦井排水溫度為20℃左右，若這部分礦井水先進(jìn)行提熱后再作它用，按10℃溫差提取熱量，則從礦井排水中可提取的熱量為3023.8 kW;按照熱泵機(jī)組的綜合能效比COP為4.5計(jì)算，則可產(chǎn)生的熱量為3887.74 kW。

(2)夏天吸收的熱量。礦井排水量仍按260 m3/h計(jì)算，按15℃溫差吸收熱量，則從礦井排水中可吸收的熱量為4535.7 kW;按照熱泵機(jī)組的綜合能效比COP為5.0計(jì)算，則提供的冷量為3779.7 kW。

3.4 技術(shù)路線

(1)冬季。2臺(tái)HE640型機(jī)組為洗浴熱水提供熱量，2臺(tái)HE640型機(jī)組提供建筑物采暖熱量。地面建筑采暖供熱量:2×652.2=1304.4 kW，洗澡熱水供熱量:2×652.2=1304.4 kW。

(2)夏季。4臺(tái)HE640型機(jī)組提供空調(diào)冷量。最大制冷量:4×580=2320 kW，夏季熱回收機(jī)組提供洗浴熱水，剩余1臺(tái)機(jī)組在冷凝熱無法滿足洗浴熱水負(fù)荷要求時(shí)啟用。

(3)過渡季節(jié)。2臺(tái)HE640型機(jī)組運(yùn)行，提供洗澡熱水熱量。

3.5 經(jīng)濟(jì)分析

采用水源熱泵技術(shù)，需投資953萬(wàn)元;而傳統(tǒng)鍋爐、中央空調(diào)加風(fēng)井除塵系統(tǒng)約895萬(wàn)元。水源熱泵技術(shù)初期投資較高，但水源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)鍋爐房方式節(jié)約年運(yùn)行費(fèi)約261.71萬(wàn)元，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，煤礦采用水源熱泵技術(shù)相比傳統(tǒng)鍋爐房方式更具有競(jìng)爭(zhēng)力，經(jīng)濟(jì)分析見表1。

表1 運(yùn)行費(fèi)用分析對(duì)比

3.6 環(huán)境效益分析

水源熱泵系統(tǒng)無需耗煤，沒有燃燒過程，不存在固體廢棄物、有毒有害氣體及煙塵排放等問題，不消耗水資源，不污染地下水質(zhì)，因而是環(huán)保、高效的供熱方式。據(jù)測(cè)算，相比于傳統(tǒng)的供熱方式，每年可減少 SO2排量 102.8 t、CO2排量 13366.08 t、煤炭消耗5141 t，具有顯著的環(huán)保效益。

4 結(jié)語(yǔ)

水源熱泵技術(shù)是一種以可再生能源——淺層低溫?zé)崮?礦井水、礦井總回風(fēng)等蘊(yùn)藏的低品位熱能)為熱源，是一種以消耗少量電能為代價(jià)，能將大量無用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿男滦汀⒐?jié)能環(huán)保型節(jié)能技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)不僅能解決礦井低溫余熱資源的利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，而且相對(duì)于傳統(tǒng)供熱方式，在經(jīng)濟(jì)上具有更大競(jìng)爭(zhēng)力，有利于利用低溫余熱資源，減少資源損耗，具有一定的推廣價(jià)值。

［1］姜賢榮，黃榮華.認(rèn)真貫徹“節(jié)能規(guī)定”搞好煤礦節(jié)能工作［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1992，(1).

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