礦井余熱循環(huán)利用技術(shù)實(shí)踐

緱江華 布曉樂

摘 要：我國傳統(tǒng)意義能源一般以煤、電為主題，存在能耗大的問題。尤其煤炭屬于一次性能源，具有不可再生的特性，使用過程中的碳排放，也對(duì)自然環(huán)境造成一定的影響。冀中能源邯礦集團(tuán)亨健礦業(yè)有限公司通過能源改革，利用風(fēng)水源熱泵技術(shù)，將企業(yè)涌水、廢水、回風(fēng)熱能轉(zhuǎn)換為再生能源，用于工業(yè)、生活制冷和供暖，吃干榨盡“二次能源”，每年可節(jié)支近800萬元，二氧化碳、二氧化硫、煙塵的排放量年均可分別減少10696噸、34噸、25.6噸，實(shí)現(xiàn)“零”污染、“零”排放，具有取材廣、能效高、經(jīng)濟(jì)有效、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：能源；循環(huán)利用；空氣源熱泵技術(shù)；逆卡諾循環(huán)原理；環(huán)境效益

引 言

我國是目前世界上第二大能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國。能源供應(yīng)持續(xù)增長，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了重要的支撐。能源消費(fèi)的快速增長，為世界能源市場(chǎng)創(chuàng)造了廣闊的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)能源主題依靠煤炭資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年煤炭在一次能源消費(fèi)總量所占比例為70.9%[1]。國務(wù)院《能源發(fā)展“十二五規(guī)劃》明確提出，要推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系[2]，節(jié)支、降耗、可持續(xù)發(fā)展，將成為能源企業(yè)乃至國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)重要組成部分。風(fēng)、水源熱泵技術(shù)的推廣最大限度的節(jié)約了能源，保護(hù)了環(huán)境，具有很好的發(fā)展前景。

1.概況：

亨健公司為改善職工生活條件和相關(guān)部門辦公環(huán)境，改善工業(yè)廣場(chǎng)面貌，新建職工宿舍樓2棟，職工食堂1個(gè)，聯(lián)合建筑體1座，建筑群總面積12000㎡。為了建設(shè)綠色礦山，倡導(dǎo)低碳生活，提高節(jié)能減排量，亨健公司通過采用風(fēng)水源熱泵技術(shù)，改變了傳統(tǒng)方式上夏天制冷安空調(diào)、冬天取暖燒鍋爐的模式。冷熱資源均來自礦井內(nèi)，使得小功率輸入可獲得大功率的輸出，解決了12000平米建筑物中央空調(diào)制冷供暖、職工全年洗浴熱水和冬季井口防凍問題。

2.主要技術(shù)路線：

2.1.礦井余熱資源特性分析：

特性1：礦井回風(fēng)資源最穩(wěn)定，冬季溫度穩(wěn)定在17℃，四季不停，可考慮優(yōu)先利用。

特性2：礦井涌水資源蘊(yùn)含的余熱資源的量很大，但有時(shí)不連續(xù)。

綜合論證，礦井余熱回風(fēng)資源穩(wěn)定，在經(jīng)濟(jì)可靠的前提下，最大限度提取利用該資源，采取空氣源熱泵的方式，提取的熱量應(yīng)用于新建建筑的供熱問題，部分用于洗浴熱水，提高設(shè)備的利用率。在回風(fēng)資源用盡的條件下，使用礦井涌水、洗浴廢水資源，采取水源熱泵的方式，提取的熱量用于新建建筑群的采暖及井口保溫，夏季該系統(tǒng)可用礦井涌水資源，供空調(diào)使用能效比更佳。

熱泵系統(tǒng)工作原理與負(fù)荷分配示意圖如上。

2.2.資源熱量的提取與分配：

礦井回風(fēng)熱量被提取后，優(yōu)先要保證洗浴熱水，其次用于新建筑的熱負(fù)荷。

礦井涌水熱量提取分別采用礦井涌水熱回收專用熱泵機(jī)組的常溫機(jī)組與中溫機(jī)組。常溫礦井涌水熱回收專用熱泵機(jī)組的熱量用于一期建筑采暖及井口保溫。中溫礦井涌水熱回收專用熱泵機(jī)組的熱量用于二期招待所、新會(huì)議室與新建辦公樓等中央空調(diào)建筑，散熱器采暖建筑。

2.3.礦井回風(fēng)熱回收專用熱泵機(jī)組應(yīng)用特點(diǎn)分析：

2.3.1.礦井回風(fēng)熱回收專用熱泵機(jī)組的阻力損失的問題：

礦井回風(fēng)的風(fēng)量為24萬m?/h，風(fēng)口的平均風(fēng)速為3.4m/s；經(jīng)計(jì)算，該風(fēng)速時(shí)空氣源熱泵的蒸發(fā)器的阻力損失小于60Pa。

2.3.2.礦井回風(fēng)中含有煤粉（塵）、煤粒的問題：

采取兩道除塵、一道清洗工藝及擴(kuò)大換熱器翅片間距，在風(fēng)道的合適位置設(shè)置三個(gè)波的波紋板（根據(jù)煤粉顆粒的大小確定目數(shù)），為第一道除塵，去除粒徑較大的煤粒；蒸發(fā)器本身帶有的除塵網(wǎng)為第二道除塵，去除較小的煤粉塵。由于礦井回風(fēng)的相對(duì)濕度較大，提取余熱量的過程相當(dāng)于降溫除濕工藝，因此過程中將凝結(jié)大量的水，對(duì)蒸發(fā)器的表面具有沖洗自潔的功能，同時(shí)可用高壓水槍定期清塵。加大換熱器翅片間距，使煤粉不能再翅片間停留，從而減少了礦井排回中的煤粉（塵）、煤粒對(duì)換熱過程的影響。

2.3.3.安裝礦井回風(fēng)熱回收專用熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器及波紋擋塵板對(duì)回風(fēng)風(fēng)壓的影響：

眾所周知，加蒸發(fā)器與擋塵板后的阻力損失大小與回風(fēng)的風(fēng)速有關(guān)，一般與風(fēng)速的2次方成正比關(guān)系。在本例的風(fēng)速條件下，阻力損失為60Pa左右，風(fēng)機(jī)可提供的銘牌風(fēng)壓為3234Pa，產(chǎn)生的阻力損失占風(fēng)機(jī)可提供風(fēng)壓的1.8%。并且蒸發(fā)器的翅片管與擋塵板無方向性，即風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的阻力相同，僅與風(fēng)速有關(guān)，與方向無關(guān)。

2.4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線綜述：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線應(yīng)圍繞資源的特性進(jìn)行，力爭做到因地制宜，充分聽取技術(shù)人員的建議與要求，使本技術(shù)在實(shí)施時(shí)，不對(duì)生產(chǎn)、安全等工作造成不必要的影響。

3.技術(shù)特點(diǎn)

熱泵機(jī)組是目前世界上最先進(jìn)、能效比最高的熱水設(shè)備之一，它根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用電能驅(qū)動(dòng)，通過傳熱工質(zhì)把自然界的空氣、水、土壤或其它低溫?zé)嵩粗袩o法被利用的低品熱能有效吸收，并將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中的設(shè)備。在不同的工況下熱泵熱水機(jī)組每消耗1kW電能就從低溫?zé)嵩粗形?-6kW的免費(fèi)熱量，節(jié)能效果非常顯著。

空氣源熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理建立起來的一種節(jié)能、環(huán)保制熱技術(shù)。空氣源熱泵系統(tǒng)通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫?zé)嵩?，?jīng)系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫?zé)嵩?，用來?。ü┡蚬?yīng)熱水，整個(gè)系統(tǒng)集熱效率甚高。

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。

4. 主要效益指標(biāo)

4.1.經(jīng)濟(jì)效益：

設(shè)備月消耗電能6萬度電。電費(fèi)為0.68*60000≈4.1萬元。如采用傳統(tǒng)鍋爐供熱，用空調(diào)制冷，每臺(tái)按1.2KW計(jì)算，整個(gè)新建筑群大約要200臺(tái)，每臺(tái)空調(diào)每天開機(jī)10小時(shí)計(jì)算。鍋爐供熱大約需要20噸煤，每天開機(jī)12小時(shí)，功率為20KW，費(fèi)用為：

（1.2*200*10*0.68+20*1050+12*20*0.68）*30≈68萬元

每月節(jié)約68-4.1=63.9萬元

4.2.社會(huì)效益：

4.2.1.屬可再生能源利用技術(shù)

風(fēng)水源熱泵是利用了地球表面或淺層水源和礦井回風(fēng)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地球表面水源和土壤是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。礦井回風(fēng)溫度冬季17℃，相對(duì)濕度95%，夏季最高回風(fēng)溫度20℃，相對(duì)濕度95%，礦井回風(fēng)溫度基本不受室外氣溫影響并且全年都比較恒定。礦井涌水量目前按160m?/h計(jì)，水溫四季恒定約18℃左右?；旧峡煽醋鍪强稍偕茉?。而水源熱泵技術(shù)利用地下水以及地表水源的過程當(dāng)中，不會(huì)引起區(qū)域性的地下以及地表水污染。實(shí)際上，水源水經(jīng)過熱泵機(jī)組后，只是交換了熱量，水質(zhì)幾乎沒有發(fā)生變化，經(jīng)回灌至地層或重新排入地表水體后，不會(huì)造成對(duì)于原有水源的污染?？梢哉f水源熱泵是一種清潔能源方式。

4.2.2.屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)

地球表面或淺層水源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，一般為10～25℃，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。這種溫度特性使得水源熱泵的制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～5.5。

與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內(nèi)能為熱量，供用戶使用。

另外，地球表面或淺層水源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

4.2.3.環(huán)境效益顯著

熱泵機(jī)組的污染物排放，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。

5.結(jié)語

煤礦企業(yè)用涌水、回風(fēng)熱能利用技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃煤鍋爐加中央空調(diào)系統(tǒng)供熱制冷，將會(huì)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)推廣礦井余熱資源利用技術(shù)完全符合貫徹科學(xué)發(fā)展觀和構(gòu)建和諧社會(huì)的需要，對(duì)建設(shè)現(xiàn)代化新興礦山具有重要意義，具有非常重大的社會(huì)效益。此外，礦區(qū)取消了鍋爐房，沒有了煙筒，徹底根除了污染源，礦井回風(fēng)熱能提取裝置兼有凈化回風(fēng)流粉塵，降低通風(fēng)機(jī)噪音等功能，礦井風(fēng)水源熱泵技術(shù)的大力推廣，必將為煤礦企業(yè)和國家?guī)砭薮蟮沫h(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡亮.可量化指標(biāo)指導(dǎo)“十二五”規(guī)劃. [N]中國經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào).2010-11-05. A01.政經(jīng)

[2] 國務(wù)院辦公廳.能源發(fā)展“十二五規(guī)劃[Z] 2013-1-1.