煤礦余熱資源綜合利用設(shè)計(jì)研究

吳學(xué)強(qiáng)

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院，南京 210049）

Y煤礦位于安徽淮南礦區(qū)陳橋區(qū)東北，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5.0×106t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為56.9 a。Y煤礦在建井期和生產(chǎn)期均擁有多種豐富且可靠的余熱資源，如果采取措施加以利用，對企業(yè)來說可大力改善礦區(qū)環(huán)境，獲得較好的社會(huì)效益，節(jié)約企業(yè)運(yùn)行成本。

1 冷、熱冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

冷、熱負(fù)荷數(shù)據(jù)引自Y煤礦初步設(shè)計(jì)中相關(guān)數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。為了能與礦井建設(shè)進(jìn)度對應(yīng)起來，同時(shí)方便熱能利用方案實(shí)施，故將冷、熱負(fù)荷分階段統(tǒng)計(jì)。

表1 各階段熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

煤礦主要行政生活福利建筑冷負(fù)荷采用總建筑面積的冷負(fù)荷指標(biāo)法進(jìn)行估算，詳情如表2所示[1]。

由表2計(jì)算可得，建筑總面積為49133 m2，估算冷負(fù)荷總量為4851.8 kW。

2 余熱資源分析

2.1 礦井深井水余熱

Y煤礦建有四座水源井泵房，均位于工業(yè)場地以北500～1000 m近似矩形的區(qū)域里。根據(jù)礦方提供的數(shù)據(jù)，2013年生活平均小時(shí)用水量維持在60～70 m3/h；2015年地面工程全部建成后，生活平均小時(shí)用水量將達(dá)到130 m3/h。

深井水位于地下30～40 m處，最冷月平均水溫能維持在15℃以上，是理想的低質(zhì)低溫?zé)嵩?，作為礦井建井期供熱熱源的組成部分，其定量分析如下。

表2 集中空調(diào)建筑物冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

2.1.1 余熱量

2015年以前余熱量為：

2015年底及以后余熱量為：

式中，c為水的比熱（kJ/（kg·℃））；m為質(zhì)量流量（kg/s）。

2.1.2 制熱量

按照熱泵機(jī)組的綜合性能系數(shù)（COP）4.5計(jì)算，則2015年以前制熱量為：

2015年底及以后制熱量為：

2.2 空壓機(jī)余熱

Y煤礦空壓機(jī)房設(shè)計(jì)安裝六臺(tái)MM300-2S風(fēng)冷型雙級(jí)螺桿式壓縮機(jī)組，五用一備，每天工作16 h，全年工作330 d。機(jī)組正常排氣溫度在70～95℃，額定冷卻風(fēng)量為768 m3/min，冷卻空氣出口溫度高于環(huán)境溫度8～10℃，是理想的低質(zhì)低溫?zé)嵩?。空壓機(jī)房于2014年投運(yùn)，作為礦井建井期、生產(chǎn)期供熱熱源的組成部分，其定量分析如下。

根據(jù)上海英格索蘭壓縮機(jī)有限公司產(chǎn)品樣本介紹，空壓機(jī)產(chǎn)生的余熱中有70%被潤滑油吸收，剩余30%被壓縮空氣帶走，可以回收部分是潤滑油余熱[2]。

2.2.1 余熱量

2014年底及以后余熱量為：

式中，n為工作壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)；c為空氣比熱（kJ/（kg·℃））；ρ—為冷卻空氣進(jìn)出口平均密度（kg/m3），取0℃時(shí)密度1.293；Q為體積流量（m3/s）。

2.2.2 制熱量

按照熱泵機(jī)組的綜合性能系數(shù)（COP）4.5計(jì)算，則2014年底及以后制熱量為：

2.3 礦井浴室排水余熱

Y煤礦主要的洗浴熱水用戶是聯(lián)合建筑，將于2013年底交付使用，聯(lián)合建筑浴室正常生產(chǎn)時(shí)按三班制工作，每班排水1 h，達(dá)到設(shè)計(jì)人數(shù)時(shí)排水量為448 m3/d，2013年至投產(chǎn)前排水量按50%考慮[3]。浴室排水溫度大約在30℃，是比較理想的低質(zhì)低溫?zé)嵩?，但由于其工作時(shí)間短、工作時(shí)間相對集中、排水量不穩(wěn)定，需要對排水進(jìn)行毛發(fā)收集、加壓，需要考慮排水對換熱器的腐蝕和堵塞等問題，浴室排水余熱有其利用上的諸多限制條件，故將其作為礦井建井期供熱熱源的備用部分，其定量分析如下。

2.3.1 余熱量

2013年底至投產(chǎn)的余熱量為：

投產(chǎn)以后的余熱量為：

2.3.2 制熱量

按照熱泵機(jī)組的綜合性能系數(shù)（COP）4.5計(jì)算，則2013年底至投產(chǎn)的制熱量為：

2.4 礦井回風(fēng)余熱

Y煤礦回風(fēng)資源十分豐富，2015年井下貫通后回風(fēng)量為5000～6000 m3/min，礦井生產(chǎn)前期回風(fēng)量為370 m3/s，生產(chǎn)后期為430 m3/s。

礦井回風(fēng)中蘊(yùn)藏的熱能十分巨大，投產(chǎn)后回風(fēng)溫度為20～22℃、相對濕度約85%，且十分穩(wěn)定，是冬季非常理想的低質(zhì)低溫?zé)嵩矗鳛榈V井建井后期、生產(chǎn)期供熱熱源的主要組成部分。夏季，可以吸收礦井制冷工程中產(chǎn)生的冷凝熱，作為礦井建井后期、生產(chǎn)期建筑物空調(diào)用冷源的天然冷卻塔[4]。

2.4.1 冬季回風(fēng)余熱量

2015年井下貫通后至投產(chǎn)前，冬季回風(fēng)余熱量為：

生產(chǎn)前期，冬季回風(fēng)余熱量為：

生產(chǎn)后期，冬季回風(fēng)余熱量為：

式中，為回風(fēng)換熱器回風(fēng)進(jìn)出口平均密度（kg/m3），取13℃時(shí)密度1.234；h1為回風(fēng)出口溫度6℃、相對濕度98%時(shí)濕空氣焓值（kJ/kg）；h2為回風(fēng)進(jìn)口溫度20℃、相對濕度85%時(shí)濕空氣焓值（kJ/kg）。

2.4.2 制熱量

按照熱泵機(jī)組的綜合性能系數(shù)（COP）4.5計(jì)算，則2015年井下貫通后至投產(chǎn)前制熱量為：

生產(chǎn)前期制熱量為：

生產(chǎn)后期制熱量為：

2.4.3 夏季回風(fēng)冷卻能力

2015年井下貫通后至投產(chǎn)前，夏季回風(fēng)冷卻能力為：

生產(chǎn)前期，夏季回風(fēng)冷卻能力為：

生產(chǎn)后期，夏季回風(fēng)冷卻能力為：

式中，為回風(fēng)換熱器回風(fēng)進(jìn)出口平均密度（kg/m3），取26℃時(shí)密度1.18；h1為回風(fēng)進(jìn)口溫度22℃、相對濕度85%時(shí)濕空氣焓值（kJ/kg）；h2為回風(fēng)出口溫度30℃、相對濕度99%時(shí)濕空氣焓值。

2.4.4 制冷量

按照熱泵機(jī)組的綜合能效比（EER）5計(jì)算，則2015年井下貫通后至投產(chǎn)前制冷量為：

生產(chǎn)前期制冷量為：

生產(chǎn)后期制冷量為：

2.5 井下排水余熱

Y煤礦生產(chǎn)期井下排水量充沛，正常涌水量581 m3/h，最大涌水量772 m3/h，災(zāi)變涌水量1629 m3/h，每天工作20 h，全年工作330 d。井下排水溫度為30℃左右，且相對比較穩(wěn)定，是理想的低質(zhì)低溫?zé)嵩?，作為礦井生產(chǎn)期供熱熱源的組成部分。

2.5.1 余熱量

投產(chǎn)以后余熱量為：

2.5.2 制熱量

按照熱泵機(jī)組的綜合性能系數(shù)（COP）4.5計(jì)算，則投產(chǎn)以后制熱量為：

2.6 瓦斯發(fā)電余熱

Y煤礦按煤與瓦斯突出礦井設(shè)計(jì)，礦井達(dá)產(chǎn)后至一水平中期高瓦斯（30%）抽采量為15.28 m3/min，低瓦斯（10%）抽采量為6.55 m3/min，前期總抽采量21.83 m3/min；一水平后期，高瓦斯（30%）抽采量為36.20 m3/min，低瓦斯（10%）抽采量為15.51 m3/min，后期總抽采量51.71 m3/min，瓦斯資源比較豐富。

Y煤礦投產(chǎn)后擬建設(shè)瓦斯發(fā)電站一座，前期建設(shè)規(guī)模為8×500 kW，后期可達(dá)到7893 kW。發(fā)電機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間為6000 h，基本為全年運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組排煙溫度為550℃左右，可以直接制備熱水，是非常理想的免費(fèi)高質(zhì)高溫?zé)嵩矗梢宰鳛榈V井生產(chǎn)期供熱熱源的組成部分。

為了充分利用瓦斯發(fā)電機(jī)組排氣余熱，每臺(tái)機(jī)組排煙管后配套安裝1臺(tái)余熱鍋爐，經(jīng)余熱鍋爐換熱后排煙溫度約為170℃。根據(jù)500GF1-3RW型瓦斯發(fā)電機(jī)組樣本介紹，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組排煙余熱可回收熱量870 MJ/h，則生產(chǎn)前期的總制熱量為：

2.7 井下降溫冷卻水余熱

Y煤礦為立井開拓，井底車場水平為-945 m，井下熱害問題尤為嚴(yán)重，故采用了機(jī)械制冷降溫措施，設(shè)計(jì)了井下降溫用地面制冷站。制冷站工作時(shí)間為夏季兩個(gè)多月時(shí)間（約75 d），每天基本連續(xù)運(yùn)行。井下降溫用制冷機(jī)組產(chǎn)生的冷凝熱非常大，其冷卻水設(shè)計(jì)總流量達(dá)2000 m3/h，冷卻水進(jìn)/出水溫度分別為32℃、38℃，是理想的低質(zhì)低溫?zé)嵩矗鳛榈V井生產(chǎn)期夏季生活熱水供熱熱源的組成部分。

2.7.1 余熱量

投產(chǎn)以后余熱量為：

2.7.2 制熱量

按照熱泵機(jī)組的綜合性能系數(shù)（COP）4.5計(jì)算，則投產(chǎn)以后制熱量為：

3 冷、熱源確定

3.1 熱源容量統(tǒng)計(jì)與熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)比較

熱源容量統(tǒng)計(jì)如表3所示，熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

3.2 冷源容量統(tǒng)計(jì)與冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)比較

冷卻塔能力對應(yīng)冷源容量統(tǒng)計(jì)如表5所示，冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表3 熱源容量統(tǒng)計(jì)

表4 熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

表5 冷卻塔對應(yīng)冷源容量統(tǒng)計(jì)

表6 冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

3.3 各階段熱源結(jié)構(gòu)組成

2013年，Y煤礦安裝有一臺(tái)2 t/h的臨時(shí)蒸汽鍋爐，折合熱功率1.4 MW，用于建井期臨時(shí)供熱，故礦井各階段熱源組成結(jié)構(gòu)為：

第一階段：采用“礦井深井水熱泵＋2 t/h蒸汽鍋爐”組合作為基本熱源，礦井浴室排水熱泵作為備用熱源，滿足了供暖期總熱負(fù)荷。

第二階段：采用“礦井深井水熱泵＋空壓機(jī)冷卻水熱泵＋2 t/h蒸汽鍋爐”組合作為基本熱源，礦井浴室排水熱泵作為調(diào)峰熱源，兩種熱源同時(shí)運(yùn)行滿足了供暖期總熱負(fù)荷。該階段同時(shí)采取了以下輔助措施：錯(cuò)開淋浴和池浴熱水的加熱時(shí)間，有效減小了生活供熱熱負(fù)荷。

第三階段：采用“礦井深井水熱泵＋空壓機(jī)冷卻水熱泵＋礦井回風(fēng)水源熱泵＋蒸汽鍋爐”組合作為基本熱源，礦井浴室排水熱泵作為調(diào)峰熱源，而本階段穩(wěn)定熱源量只有8307 kW（不包含浴室排水熱泵），尚有2603.5 kW的缺口，為保證井筒防凍的安全，只有從供暖、生活供熱上解決供需矛盾。該階段同時(shí)采取了以下輔助措施：一是錯(cuò)開淋浴和池浴熱水的加熱時(shí)間；二是適當(dāng)降低了室內(nèi)供暖溫度。非供暖期（供冷期除外）仍采用蒸汽鍋爐供熱。

第四階段：采用“空壓機(jī)冷卻水熱泵＋礦井回風(fēng)水源熱泵＋瓦斯發(fā)電余熱”組合作為基本熱源，其他余熱資源均作為備用熱源，充分利用瓦斯發(fā)電余熱，不足部分用空壓機(jī)冷卻水熱泵、礦井回風(fēng)水源熱泵補(bǔ)足。

第五階段：采用“空壓機(jī)冷卻水熱泵＋礦井回風(fēng)水源熱泵”組合作為基本熱源，其他余熱資源作為備用熱源。空壓機(jī)冷卻水為優(yōu)先使用能源。

3.4 各階段冷源結(jié)構(gòu)組成

第一、第二階段均無冷負(fù)荷。

第三階段：采用冷水（熱泵）機(jī)組制冷。供冷期白班停止運(yùn)行蒸汽鍋爐，將制冷機(jī)組的部分冷卻水接入生活熱水熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，免費(fèi)提供生活熱水，實(shí)現(xiàn)了制冷機(jī)冷凝熱的能量回收，多余冷凝熱排至礦井回風(fēng)這座天然冷卻塔中，晚班仍運(yùn)行蒸汽鍋爐。

第四階段：采用冷水（熱泵）機(jī)組制冷。同期生活熱水的制備方式仍主要依靠瓦斯發(fā)電余熱，白班不足部分采用制冷機(jī)組冷凝熱能量回收方式補(bǔ)足，晚班不足部分采用井下降溫冷卻水熱泵補(bǔ)足。

第五階段：供冷期冷負(fù)荷與第四階段一致。同期白班生活熱水采用制冷機(jī)組冷凝熱能量回收方式提供，晚班采用井下降溫冷卻水熱泵提供。

3.5 冷、熱源控制原則

各時(shí)期采用免費(fèi)能源優(yōu)先的控制原則，一年四季最大限度地利用免費(fèi)能源，并利用節(jié)能能源。通過聯(lián)動(dòng)控制柜自動(dòng)控制節(jié)能能源設(shè)備開啟，各種能源設(shè)備均全自動(dòng)運(yùn)行，集中控制。

4 結(jié)語

經(jīng)定量分析計(jì)算，Y煤礦余熱資源豐富，回收各種余熱資源并加以組合，可替代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，滿足了煤礦各個(gè)階段供熱、供冷等生產(chǎn)生活需求。

參考文獻(xiàn)

1 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 暖通空調(diào)·動(dòng)力[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

2 趙忠玲，姜曉云，孔德志，等.彭莊煤礦余熱綜合利用可行性研究[J].煤炭技術(shù)，2016，35（10）：178-180.

3 中國煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).GB50215-2005煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2015.

4 唐玲玲，祝 健，姚 曜，等.某礦井余熱資源利用系統(tǒng)研究[J].供熱節(jié)能，2017，（5）：18-21.