礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)在梧桐莊礦的應(yīng)用

文/趙和凡 田昌軍

礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)在梧桐莊礦的應(yīng)用

文/趙和凡 田昌軍

礦井回風(fēng)換熱與地源熱泵技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的礦井回風(fēng)熱能利用技術(shù)，能有效降低礦區(qū)生產(chǎn)耗煤量，實現(xiàn)產(chǎn)煤不用煤的低碳運行目標(biāo)，是一項綠色環(huán)保、高效節(jié)能的實用新技術(shù)。但對于中大型礦井來說，礦井排水熱能利用受礦井排水的水量、排水的穩(wěn)定性、礦井水水質(zhì)等因素的制約，供熱可靠性較差。同時，礦井回風(fēng)風(fēng)量大、風(fēng)速高，在不改變擴散塔斷面尺寸的條件下很難進行礦井回風(fēng)的熱能提取。因此，進一步深入研究和開發(fā)大容量、高效率礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)，符合貫徹科學(xué)發(fā)展觀和構(gòu)建和諧社會的需要，也為建設(shè)綠色礦山提供了有利的條件。

一、礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)的原理與設(shè)計

1.熱泵技術(shù)原理

熱泵技術(shù)是利用制冷系統(tǒng)蒸發(fā)換熱裝置將淺層低溫?zé)崮?包括地表土壤、淺層地下水、工業(yè)廢水、礦井排水、礦山排風(fēng)等蘊藏的低品位熱能)提取出來，在消耗較少的高品位（機械能、電能、高溫水等）能量情況下，通過冷凝裝置制取溫度較高的介質(zhì)，獲得更多的高品位能量。使低品位（溫度較低的地?zé)?、工業(yè)排水熱）能源得到充分利用。熱泵熱回收系統(tǒng)可實現(xiàn)向建筑物冬季供暖、夏季供冷、常年提供衛(wèi)生熱水的功能。熱泵熱回收系統(tǒng)供熱系數(shù)＞1，其中常用的水源熱泵是熱泵的一個分支，是空調(diào)系統(tǒng)中能效比（COP值）較高的制冷與制熱方式，理論計算COP可達到7，實際運行一般為4～6。

2.礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)，首先需要掌握礦井回風(fēng)參數(shù)，即冬夏季的排風(fēng)溫度、相對濕度、空氣成分、排風(fēng)量、通風(fēng)系統(tǒng)總阻力及通風(fēng)機參數(shù)等。根據(jù)回風(fēng)參數(shù)，才能確定設(shè)計方案、分析計算回風(fēng)余熱量及熱回收系統(tǒng)的換熱效率，才能確定換熱器設(shè)備及系統(tǒng)裝置。

梧桐莊礦根據(jù)礦井排風(fēng)參數(shù)及特點采用了熱泵原理所設(shè)計的礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)（如圖1所示）。該系統(tǒng)主要由井口回風(fēng)熱回收換熱及收集系統(tǒng),熱回收介質(zhì)收集池及加壓泵系統(tǒng)，熱回收介質(zhì)凈化處理裝置，熱泵機組、熱量輸出系統(tǒng)，水處理及補水系統(tǒng)等五部分組成。

圖1 礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)示意圖

基本流程為：礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)采用導(dǎo)風(fēng)管道將擴散塔出口的排風(fēng)流向轉(zhuǎn)為水平方向流動流入回風(fēng)換熱裝置內(nèi)，并與噴淋霧化水熱質(zhì)交換實現(xiàn)換熱，礦井回風(fēng)被冷卻降溫，噴淋水吸收回風(fēng)熱量溫度升高，落入換熱器的集水槽內(nèi)，匯集至落水管道流回至水池?zé)崴畢^(qū)，換熱器流回的熱水經(jīng)水泵加壓輸送至機房熱泵，被熱泵提取熱量后，流至水池冷水區(qū)，經(jīng)換熱器循環(huán)水泵加壓輸送至換熱器霧化噴淋繼續(xù)吸收熱量完成換熱循環(huán)。

二、實施礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)的工程實例及效果

1.梧桐莊礦礦井回風(fēng)可用余熱調(diào)研

梧桐莊礦為熱水型高溫礦，井下排水、巷道和圍巖均可向空氣散熱，加之大容量的機電設(shè)備散熱，礦井排風(fēng)中含有大量余熱量，可以用作熱泵機組的低溫?zé)嵩?。為獲得實際運行中最低排風(fēng)溫度及最小可提取熱量，須在冬季最冷月進行排風(fēng)監(jiān)測。據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在較冷月份，排風(fēng)量基本穩(wěn)定在231m3/s，溫度在20.5℃左右，可提取的熱量為10146.5kW左右，經(jīng)熱泵加熱后供熱熱量13528.7kW。由于生產(chǎn)礦井排風(fēng)不能間斷，因此礦井排風(fēng)含熱量較大且穩(wěn)定，可實現(xiàn)連續(xù)為熱泵系統(tǒng)提供熱量，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

2．工程概況

梧桐莊礦在一期設(shè)計中采用了礦井排水、奧灰水向熱泵系統(tǒng)提供熱量，替代了鍋爐房為廣場供熱，但由于礦井排水流量穩(wěn)定性和奧灰水系統(tǒng)的可靠性較差。因此，在實施二期工程時，增加了礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)，以提高原水源熱泵系統(tǒng)的供熱能力、系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。

經(jīng)過設(shè)計，回風(fēng)換熱器換熱量10068kW，處理風(fēng)量300m3/s，供熱能力≥13423kW，換熱循環(huán)水泵4臺（實際臺數(shù)可按需開啟），每臺流量350m3/h，揚程40m，熱泵機組供水循環(huán)水泵4臺（三用一備），每臺流量270m3/h，揚程25m。經(jīng)現(xiàn)場實施，建立礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)。

3.工程實施效果

利用回風(fēng)換熱系統(tǒng)換熱循環(huán)水向熱泵機組提供余熱量，當(dāng)前回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)主要滿足1#和2#主井防凍加熱需要。。

將回風(fēng)源換熱系統(tǒng)與熱泵制熱系統(tǒng)運行監(jiān)測的部分數(shù)據(jù)按運行延續(xù)時間整理成分布圖，根據(jù)測試的基本數(shù)據(jù)可見，礦井排風(fēng)溫度基本穩(wěn)定在23℃左右、提供余熱量穩(wěn)定，回風(fēng)換熱器換取循環(huán)水溫度約為20℃。室外氣溫在-2.5℃以上，熱泵機組負荷能力75%時，采暖供水溫度最低約為46.2℃以上、最高50.1℃，機組最高可達到51.6℃（減載條件），供回水溫差約為6.5℃；蒸發(fā)器出水溫度12℃、進出水溫差約為4.3℃；供1#、2#主井加熱器、加熱器出風(fēng)溫度與回水溫度差約為6℃左右，最低出風(fēng)溫度33℃以上。為原有熱泵系統(tǒng)補充熱量約為3.2MW，機組蒸發(fā)器出水溫度為12℃以上，證明還有大量余熱量可供提取。礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)有效地補充了水源熱泵系統(tǒng)的供熱能力，提高了供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三、結(jié)論

1．供熱穩(wěn)定性和可靠性較高

為保證礦井安全、人員健康及維持生產(chǎn)需要，必須向礦井連續(xù)輸送新鮮空氣，礦井通風(fēng)經(jīng)井下巷道和工作面時蓄含了大量余熱。因此，生產(chǎn)礦井排風(fēng)可連續(xù)為該系統(tǒng)提供較大的余熱量，礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)的供熱穩(wěn)定性和可靠性較高。

2．易于實現(xiàn)系統(tǒng)自動化管理

礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)采用大風(fēng)量高效回風(fēng)換熱器，換熱效率高、提供熱量大、熱量輸出穩(wěn)定、可替代礦區(qū)鍋爐供熱，且系統(tǒng)主要由機電設(shè)備構(gòu)成，機組成熟、系統(tǒng)簡潔，運行管理操作方便。

3．良好的節(jié)能效益

礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)提取礦井回風(fēng)中余熱，最大可提供余熱量10MW，經(jīng)熱泵后供熱能力13.5MW，能滿足梧桐莊礦16MW最大供熱量84%的需求。該系統(tǒng)可替代鍋爐的當(dāng)量供熱能力約為10MW，假設(shè)冬季實際鍋爐熱效率62%，夏季壓火運行熱損失取45%。理論上一個采暖季凈節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)耗煤量約為5896t、非采暖季將熱泵系統(tǒng)用于制取洗浴熱水凈節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)耗煤量約470t。據(jù)統(tǒng)計1kg原煤=0.7143kg標(biāo)準(zhǔn)煤，則利用回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)每年（扣除耗電量當(dāng)量耗煤量）凈節(jié)約原煤耗量8912t。

4．良好的減排效益

梧桐莊礦應(yīng)用礦井回風(fēng)余熱水源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)供熱能力13.5MW，采暖季可直接減少標(biāo)準(zhǔn)耗煤量約為7703t、非采暖季直接減少標(biāo)準(zhǔn)耗煤量626t，每年合計直接減少耗煤量約8329t（當(dāng)量原煤耗量11661t/ a）。同時每年可減少污染排放5663t碳粉塵、20764t二氧化碳(CO2)、625t二氧化硫(SO2)、312t氮氧化物(NOX)。并且節(jié)省下的燃煤用于電站鍋爐，可實現(xiàn)高效燃燒（效率93%以上）和熱量的綜合梯級利用，大大提高了能源利用效率，具有良好的社會效益。

（作者單位：冀中能源峰峰集團梧桐莊礦）

（責(zé)任編輯：周瓊）