店坪礦礦井回風(fēng)廢熱資源利用技術(shù)研究

王云芳，薛定亮，梁寶林

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司店坪煤礦，山西 呂梁 033102)

店坪煤礦位于山西省呂梁地區(qū)，礦井通風(fēng)量為125 m3/s，礦井排水量120 m3/h，有豐富的煤礦低溫廢熱資源，可以做為冬季采暖、洗浴熱水熱源和夏季中央空調(diào)冷源。由于店坪煤礦鍋爐房被泥石流摧毀，煤礦洗浴臨時靠1臺1 t鍋爐提供，熱水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，而熱泵系統(tǒng)提供洗浴熱水技術(shù)成熟、施工周期短、占地面積小、現(xiàn)場條件便于實施，能夠解決礦山一年四季洗浴熱水，確保煤礦一年三季出煤不燒煤。采用本方案后，取消原4 t澡堂鍋爐，冬季建筑采暖減少2個鍋爐噸位，利用廢熱資源滿足了煤礦供熱水、采暖等需求，同時實現(xiàn)了節(jié)能減排。該項目采用的礦井回風(fēng)換熱器設(shè)計獨特，還能達(dá)到為礦井排風(fēng)降噪除塵的目的，改善了礦區(qū)的空氣質(zhì)量。

1 店坪礦礦井低溫?zé)嵩捶治?/h2>

根據(jù)提供資料，該礦井總回風(fēng)溫度15.5℃ ～18℃，礦井回風(fēng)量125 m3/s。該回風(fēng)溫度記錄的是回風(fēng)大巷溫度，根據(jù)現(xiàn)場考察，礦井冬季室外溫度低，回風(fēng)擴散口壁有結(jié)冰現(xiàn)象，這是由于回風(fēng)擴散塔是鋼板制作，鋼鐵傳熱系數(shù)大，擴散口壁溫度低于回風(fēng)露點溫度。此現(xiàn)象對回風(fēng)溫度影響較小，采用回風(fēng)熱能回收，擴散塔采用鋼筋混凝土制作，可達(dá)到較好的保溫效果，此現(xiàn)象即可避免。對比該地區(qū)同類礦井，該設(shè)計方案取15℃計算。

1)冬季提取的熱量。

冬季按回風(fēng)溫度15℃，相對濕度95%計算，則可從回風(fēng)中提取的熱量為3 007 kW。

2)夏天提取的冷量。

夏季按回風(fēng)溫度18℃，相對濕度95%計算，則可向回風(fēng)中釋放的熱量為6 322 kW。

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

本方案為解決一年四季該礦澡堂熱水供應(yīng)問題，取代澡堂鍋爐房，前端回風(fēng)換熱和配電設(shè)計按最大負(fù)荷提取廢熱資源可滿足該礦聯(lián)建樓和招待所共20 000 m2的采暖及空調(diào)制冷需求。

1)店坪礦礦井可利用的低溫?zé)嵩礊榈V井回風(fēng)廢熱資源，可解決以下問題:a)聯(lián)建樓及招待所建筑物冬季采暖，夏季空調(diào)制冷。b)礦井全年洗浴熱水。

2)考慮到熱源部分的后期擴展，管路設(shè)計按可回收礦井回風(fēng)總熱源設(shè)計，回收換熱器噴淋水泵設(shè)計可根據(jù)不同的負(fù)荷選取。

3)機房利用舊主井絞車房，洗浴熱水儲水箱設(shè)在機房旁邊。

4)洗浴泡澡水池考慮循環(huán)加熱系統(tǒng)。

2.2 回風(fēng)換熱設(shè)計

礦井回風(fēng)熱交換器的功能是提取礦井回風(fēng)中所蘊含的大量低溫?zé)崮?，作為水源熱泵機組的低溫?zé)嵩?。利用安裝在風(fēng)井?dāng)U散塔出口的礦井回風(fēng)熱交換器，將礦井回風(fēng)中所蘊含的大量熱能高效地轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中，循環(huán)水經(jīng)集水槽收集后，自流至蓄水池。由潛水泵將蓄水池里的熱水送至熱泵機組，提取熱量后，由水泵打回回風(fēng)熱交換器，再返回蓄水池，進(jìn)行換熱循環(huán)。風(fēng)井兩套排風(fēng)系統(tǒng)各安裝一套回風(fēng)熱交換器，當(dāng)兩臺礦井通風(fēng)機切換時，系統(tǒng)也隨之更換［1－3］。

考慮到礦井回風(fēng)中含有腐蝕性氣體，熱交換器內(nèi)部管道全部采用不銹鋼管。

1)基本原理。在礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)中，礦井回風(fēng)熱交換器將礦井回風(fēng)中所蘊含的大量熱能通過噴淋換熱方式轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中，循環(huán)水作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，制熱工況時，熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量，循環(huán)水溫度有所降低(一般5℃);制冷工況時，熱泵系統(tǒng)向循環(huán)水中放熱，循環(huán)水溫度有所提高(一般10℃)。經(jīng)過熱泵系統(tǒng)后的循環(huán)水被重新送入礦井回風(fēng)熱交換器進(jìn)行熱交換，如此循環(huán)往復(fù)。礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)原理圖

2)回風(fēng)換熱器特點。氣－水換熱，水霧和礦井回風(fēng)直接換熱，換熱效率高，不但可以回收礦井回風(fēng)顯熱熱量，還可以回收潛熱熱量。無電動設(shè)備，無需防爆，可以實現(xiàn)反風(fēng)運行。

該回風(fēng)換熱器有較強的凈化空氣能力，經(jīng)過回風(fēng)換熱后粉塵等污染物降低?；仫L(fēng)換熱器增加阻力不超過50 Pa，通風(fēng)阻力極小，根據(jù)煤礦通風(fēng)規(guī)程，該礦7 500 m3/min通風(fēng)量下允許的最大風(fēng)阻為2 500 Pa，新增50 Pa風(fēng)阻對通風(fēng)的影響可以忽略。降低風(fēng)井排風(fēng)的噪音可達(dá)30 dB(A)。

3)改造擴散塔。a)根據(jù)回風(fēng)換熱器設(shè)計尺寸對擴散塔進(jìn)行拆除改建，外墻側(cè)進(jìn)行防水處理。b)在擴散塔內(nèi)部建水導(dǎo)流槽。4)安裝回風(fēng)換熱器。

在擴散塔達(dá)到硬度要求后，將回風(fēng)換熱器就位與預(yù)埋件焊接。換熱器基礎(chǔ)平面圖、剖面圖見圖2。

圖2 換熱器基礎(chǔ)平面圖、剖面圖

5)建造蓄水池。在擴散塔外建鋼筋混凝土保溫水池，由導(dǎo)流槽與擴散塔連接。

6)供回水系統(tǒng)安裝。在蓄水池內(nèi)安裝水泵，通過管道與機房和回風(fēng)換熱器連接。

2.3 補給水設(shè)計

礦井回風(fēng)中的熱量通過循環(huán)水間接與熱泵機組進(jìn)行熱交換傳遞，故循環(huán)水的水質(zhì)是關(guān)系到系統(tǒng)能否長時間、高效率運行的關(guān)鍵。

設(shè)計1套循環(huán)水處理裝置，具有保證循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定、清洗維護(hù)方便、自動化程度高和運行穩(wěn)定可靠等特點，工作原理示意圖見圖3。水泵把集水池中吸取能量后的循環(huán)水輸送到全自動過濾器，循環(huán)水經(jīng)過專用全自動過濾器去除粉塵，然后進(jìn)入熱泵機組提取熱量。經(jīng)水源熱泵機組提取熱量后的循環(huán)水再進(jìn)入回風(fēng)換熱器中換熱、降噪、除塵后到循環(huán)水池。

圖3 循環(huán)水處理直接提取熱能原理圖

2.4 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用以和利時公司HOLLiAS－LM系列小型一體化PLC為主的集中和分散相結(jié)合的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對配套回風(fēng)換熱器、熱泵機組的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制、連鎖和報警以及報表打印，通過使用在監(jiān)控中心與主站以及主站和遠(yuǎn)程站間的一系列通訊鏈，完成整個水源、風(fēng)源和熱泵機組所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、順序控制、時間控制、回路調(diào)節(jié)及上位監(jiān)視和管理作用。

整個系統(tǒng)設(shè)1個監(jiān)控中心、n個從站，分別是1個回風(fēng)換熱器從站、n個熱泵機組從站?？刂葡到y(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)上傳功能，并具有控制功能，控制方式可以分為現(xiàn)場設(shè)備就地手動控制、本地觸摸屏控制、遠(yuǎn)程計算機控制3種控制方式。

1)就地手動模式。設(shè)備的現(xiàn)場控制箱或PLC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“就地”方式時，通過現(xiàn)場控制箱或PLC控制柜上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。設(shè)備的急停按鈕或其他保護(hù)和安全連鎖裝置(如過載保護(hù)、溫度及液位保護(hù)等)必須是硬線連接至電氣控制回路，不受方式選擇開關(guān)的限制?，F(xiàn)場控制箱(柜)開關(guān)在“手動”位置時，設(shè)備為離線方式，PLC不能對設(shè)備進(jìn)行任何控制。

2)本地觸摸屏控制。現(xiàn)場控制箱或PLC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式時，操作人員通過控制柜上的操作終端(HMI觸摸屏)對設(shè)備進(jìn)行啟/停、開/關(guān)操作。

3)遠(yuǎn)程計算機控制?，F(xiàn)場控制箱或PLC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式，操作人員通過監(jiān)控中心操作站的監(jiān)控畫面，用鼠標(biāo)器或鍵盤對設(shè)備進(jìn)行啟/停、開/關(guān)操作。

4)熱泵控制系統(tǒng)分為4級，包括生產(chǎn)管理級(遠(yuǎn)程客戶端)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)管理級(監(jiān)控中心)、現(xiàn)場控制級(PLC監(jiān)控站)及就地控制級(現(xiàn)場控制箱)。現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過主干通訊網(wǎng)絡(luò)－485通訊傳送到監(jiān)控中心操作員站集中監(jiān)控和管理，同時操作員站作為服務(wù)器，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)娇偙O(jiān)控客戶端，進(jìn)行統(tǒng)一生產(chǎn)監(jiān)控和管理。同樣，監(jiān)控中心操作員站的控制命令也通過上述通道傳送到各遠(yuǎn)程PLC控制站，實現(xiàn)各單元的分散控制。

3 結(jié)論

利用熱泵技術(shù)把礦井總回風(fēng)的低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺崮?，提供冬季供暖、夏季空調(diào)制冷、全年洗浴熱水，解決了煤礦的實際問題，經(jīng)濟、社會效益顯著。

1)變廢為寶，符合國家循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)政策和山西省轉(zhuǎn)型發(fā)展的總體要求;減輕了環(huán)保壓力，節(jié)約了煤炭資源;實現(xiàn)了煤礦一年三季出煤不燒煤，提升了企業(yè)形象。

2)熱泵機組1套系統(tǒng)實現(xiàn)鍋爐、空調(diào)、熱交換站3套功能，替代10 t鍋爐供應(yīng)洗浴熱水及冬季采暖，年節(jié)省合標(biāo)煤約8 282 t，每年為企業(yè)直接節(jié)約費用450萬元，投資回收期2.2年。

3)熱泵系統(tǒng)無出渣、零排放，全年減少CO2排放21 500 t，減少SO2排放165 t，改善了礦區(qū)居住環(huán)境，為環(huán)保做出了貢獻(xiàn)。

4)符合我國環(huán)境保護(hù)與能源節(jié)約的政策，同時也符合相關(guān)部門最高達(dá)投資額30%的項目政策獎勵條件。

［1］魏 國，魏 強，王 琦.水源熱泵技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用［J］.山東煤炭科技，2009(1):110－111.

［2］馬建忠.風(fēng)源熱泵技術(shù)在采暖系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.中小企業(yè)管理與科技，2011(27):265.

［3］劉軍輝，袁鴻省.風(fēng)源熱泵系統(tǒng)在東龐礦的應(yīng)用研究［J］.河北煤炭，2012(3):66－68.