某高寒礦井通風(fēng)余熱回收效果研究

張海勝,楊朝義,葛啟發(fā),3,尹繼貴,曹 亮,何文斌

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司,云南 迪慶 674400;3.北京科技大學(xué),北京 100083)

0 引言

為應(yīng)對氣候變化,我國提出了“碳中和、碳達峰”雙碳目標(biāo),鼓勵各行業(yè)積極探索符合本領(lǐng)域特色的綠色低碳、高效節(jié)能的發(fā)展模式[1]。礦山企業(yè)作為典型的高能耗、高碳排放企業(yè),大力提升綠色創(chuàng)新能力,加快向綠色低碳轉(zhuǎn)型勢在必行。在礦山企業(yè)生產(chǎn)過程中,常常采用抽出式通風(fēng),而我國各有色礦山的礦井因地?zé)崮艿尼尫?回風(fēng)的溫度終年穩(wěn)定在7～20℃之間,故被抽出的空氣隨之帶出大量的低溫?zé)崮躘2]。同時,礦山需投入大量的能源用以維持礦山員工的洗浴、主要井巷工程的冬季防凍及其他設(shè)備的保溫等,若能將礦井回風(fēng)余熱資源加以回收,用于部分替代上述能耗環(huán)節(jié),將對礦山達成“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

在礦井回風(fēng)余熱再利用方面,國內(nèi)眾多研究單位及礦山企業(yè)做了大量相關(guān)的探索及開發(fā)。陳慶剛等[3]利用Ventsim VisualTM三維通風(fēng)仿真系統(tǒng)進行井下熱環(huán)境模擬研究,證明礦山采用回風(fēng)余熱回收技術(shù)的可行性和節(jié)能前景。熊楚超等[4]提出采用分體式余熱回收系統(tǒng),并通過配置電加熱和調(diào)峰熱源,確保在極端天氣和礦井排風(fēng)余熱不足情況下的能源供需平衡,使得井口防凍系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行;王成[5]以榆樹坡煤礦基峰熱源+燃氣鍋爐雙源供熱模式為基礎(chǔ),設(shè)計了余熱綜合利用自動化監(jiān)控子系統(tǒng),采用最大限度地利用礦井廢熱和余熱資源,實現(xiàn)礦井全年衛(wèi)生洗浴熱水制備、冬季井口防凍保溫、冬季建筑供暖等;高麗[6]提出在涼水井煤礦中可以活用多個技術(shù)形式構(gòu)建綜合余熱回收系統(tǒng),充分發(fā)揮現(xiàn)場多種熱源,實現(xiàn)多元余熱回收;段澤敏等[7]研究發(fā)現(xiàn)礦井排風(fēng)采用3 級噴淋水除塵吸熱,排風(fēng)余熱利用率為40%～50%。

以上大量的研究并未涉及高寒礦山,而在我國東北及西南地區(qū),眾多礦山因緯度高、海拔高等原因,全年日平均溫度小于或等于10 ℃,積溫在1 800～2 000 ℃,屬于高寒礦山行列[8-9]。這類礦山在低溫季節(jié),為緩解礦井井口、井筒等的冰凍災(zāi)害,對余熱回收利用的需求更加迫切,因此,本文以云南某銅礦高寒礦山為例,部署余熱回收工程、建立遠程監(jiān)控系統(tǒng),開展回風(fēng)余熱高效節(jié)能再利用的研究,為國內(nèi)同類礦山綠色低碳轉(zhuǎn)型提供借鑒意義。

1 礦山氣候及通風(fēng)情況概述

1.1 礦山氣候環(huán)境分析

某銅礦地處我國云南省西北部,礦區(qū)屬寒溫帶氣候,年平均氣溫4 ℃,最熱月平均氣溫10 ℃,最冷月平均氣溫-8 ℃[10]。該銅礦所處之地屬于高原壩區(qū),平均年凍土日達到了127.1 天,平均凍土深度達0.18 m,每至冬季礦山氣候嚴寒,一年中約有6個月的供暖期,且僅有電能可供使用,極大提高了礦山生產(chǎn)運營成本。

1.2 礦山通風(fēng)情況

該銅礦采用壓抽結(jié)合的通風(fēng)方式。根據(jù)開拓系統(tǒng)、采礦方法和礦體賦存條件,礦井由3 850 m 進風(fēng)平硐、3 600 m 進風(fēng)平硐、3 660 m 有軌運輸平硐和3 720 m 無軌平硐進風(fēng),采場輔扇分風(fēng),3 700 m 回風(fēng)平硐和南回風(fēng)井集中回風(fēng)的多級機站串并聯(lián)協(xié)同工作的通風(fēng)方式。總體上南回風(fēng)井和3 700 m 回風(fēng)平硐的回風(fēng)各項熱力學(xué)參數(shù)相對比較穩(wěn)定,有利于回風(fēng)余熱的回收和控制。

2 余熱回收方案及數(shù)據(jù)采集

2.1 礦山余熱回收方案

礦山余熱回收主要針對南回風(fēng)井口段以及3700 水平巷道北硐口,總體布置如圖1 所示。

圖1 某銅礦通風(fēng)系統(tǒng)及余熱回收示意圖

南回風(fēng)井口段余熱回收:設(shè)計南回風(fēng)井風(fēng)溫8℃,汲取7 ℃溫差使回風(fēng)降至1 ℃,回收余熱用于最近的3850 平硐加熱,余熱回收不能滿足進風(fēng)余熱的時段開啟電加熱補足?；仫L(fēng)余熱回收熱泵機組設(shè)在南回風(fēng)井旁的專用機房內(nèi),配置6 臺KDF360 型熱泵機組,制備出50/45 ℃熱水,經(jīng)室外管網(wǎng)輸配至3850 平硐口部機房內(nèi)的水空換熱器,水空換熱器送風(fēng)溫度36 ℃,系統(tǒng)平面布置如圖2 所示。

圖2 南回風(fēng)井回風(fēng)余熱工藝示意圖

3700 水平巷道北硐口余熱回收:設(shè)計3700 水平北回風(fēng)平硐風(fēng)溫8 ℃,汲取7 ℃溫差使回風(fēng)降至1℃,回收余熱用于最近的3600 平硐加熱,余熱回收不能滿足進風(fēng)余熱的時段開啟電加熱補足。3700水平巷道北硐口回風(fēng)熱回收熱泵機組設(shè)在3700 回風(fēng)平硐旁的專用機房內(nèi),配置4 臺KDF360 型熱泵機組,制備出50/45 ℃熱水,經(jīng)室外管網(wǎng)輸配至3600 平硐口部機房內(nèi)的水空換熱器,水空換熱器送風(fēng)溫度36 ℃,系統(tǒng)平面布置如圖3 所示。

圖3 3600、3700 平硐回風(fēng)余熱利用及進風(fēng)預(yù)熱示意圖

余熱利用:通風(fēng)余熱主要用于井口預(yù)熱。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料和安全規(guī)程要求,對于3 660 m 平硐、3 720 m 平硐、3 850 m 平硐、3 600 m 平硐,冬季進風(fēng)需預(yù)熱至2 ℃。加熱流程為:室外冷風(fēng)-粗效過濾-電熱盤管-風(fēng)機-井口。根據(jù)送風(fēng)量與加熱溫度差(入風(fēng)空氣溫度-16 ℃與出風(fēng)空氣溫度2 ℃的差值)進行熱交換。

在3720 水平進風(fēng)平硐、礦山在3720 水平進風(fēng)平硐、3660 水平進風(fēng)平硐建成兩套獨立進風(fēng)電加熱系統(tǒng)(組合式空調(diào)整機組)。每套兩個機組額定功率1 380 kW,每個機組額定功率690 kW。

2.2 遠程控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

余熱回收遠程控制系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、攝像頭、PLC 和控制箱、余熱回收遠程控制單元、電加熱遠程控制單元、數(shù)據(jù)存儲運算中心服務(wù)器組成。通過溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、攝像頭獲取實時數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲運算中心服務(wù)器獲取相關(guān)數(shù)據(jù),進行調(diào)溫模擬仿真,對比設(shè)備調(diào)控方案,確定最優(yōu)方案,并對余熱回收設(shè)備及電加熱設(shè)備進行遠程控制。本次測試數(shù)據(jù)采集自2018 年自11月至2019 年4 月六個寒冷月份的運行情況,因測試過程中遇到現(xiàn)場停電,停水等意外故障,個別溫度傳感器故障,數(shù)據(jù)采集不全,但總體滿足余熱回收效果的分析使用。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 余熱回收情況及節(jié)能效果分析

3.1 余熱回收分析

圖5 反映了在記錄的時間段內(nèi),各個機組的總制熱量,其中除了南回風(fēng)井6 號機組制熱量偏小,其他幾個機組相差不大。3700 平硐2 號機組的制熱量和熱回收量最大,因為其進風(fēng)溫度在幾個機組中較高。對比南回風(fēng)井和3700 回風(fēng)井各個機組制熱量及熱回收量來看,3700 平硐要高于南回風(fēng)井。因為3700 回風(fēng)平硐,回風(fēng)溫度穩(wěn)定為8.4～8.8 ℃,而南回風(fēng)井的回風(fēng)溫度為4.5～5.5 ℃。

圖5 各個機組在記錄時間內(nèi)的總制熱量

圖6 和圖7 反映了各個機組進出口水溫差對熱回收量與制熱量的影響。機組的進出口水溫差雖然與熱回收量沒有直接的線性關(guān)系,但總體來看,機組的進出水溫差越大,熱回收量越大。結(jié)合現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù),由圖7 可知,機組的進出水溫差與制熱量有著明顯的線型關(guān)系,與熱力理論計算相符,從側(cè)面反映出設(shè)備運行是處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖6 和圖7 中發(fā)現(xiàn),南回風(fēng)井6 號機組在同樣的進出水溫下,制熱量和熱回收量均偏低,這與制冷劑的充注量有關(guān)。

圖6 各個機組進出口水溫差與熱回收量

圖7 各個機組進出口水溫差與制熱量

圖8 和圖9 反映了各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量和熱回收量之間的關(guān)系。與機組進出水溫差相似,機組進風(fēng)回風(fēng)溫差越大,制熱量和熱回收量也越大。機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量雖然不呈現(xiàn)線性增長的關(guān)系,但是符合二次曲線增長的關(guān)系。機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量則呈現(xiàn)了明顯的線性關(guān)系,同樣的,南回風(fēng)井6 號機組,在同一風(fēng)回風(fēng)溫差下,制冷量和熱回收量要偏小。

圖8 各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量

圖9 各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與熱回收量

圖10 和圖11 反映出1 月各個機組進出口水溫差,各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量和熱回收量之間的關(guān)系。從圖10 和圖11 看,目前各個機組總體的運行狀態(tài)比較平穩(wěn),未出明顯的現(xiàn)異常情況。所以在高寒礦山的余熱回收方案是可行且成功的。

圖10 1 月各個機組進出口水溫差與制熱量

圖11 1 月各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與熱回收量

3.2 運行節(jié)能分析

在實施方案之前,若依靠電能直接加熱3850 和3600 平硐進風(fēng),總裝機功率達7 065 kW,其中3850平硐為3 396 kW,3600 平硐為3 669 kW,能耗及運行成本較高,不符合國家節(jié)能環(huán)保政策。

在通風(fēng)余熱回收后,在溫度高于-6 ℃時,3600 平硐的熱負荷可以由熱泵機組全部承擔(dān),此時余熱回收系統(tǒng)的裝機功率為638 kW,此時電加熱的裝機功率為2 101.5 kW,其中包括循環(huán)水泵的裝機功率。對于南回風(fēng)井和3850 平硐,由于南回風(fēng)井的回風(fēng)量比較大,余熱利用價值更高,在環(huán)境溫度高于-10 ℃時,熱負荷可全部由熱泵機組承擔(dān),裝機功率為948 kW,電加熱的裝機功率為2 918.9 kW。

圖12 和圖13 反映了兩組平硐采用余熱回收系統(tǒng)的裝機功率與采用電加熱方案裝機功率的比值,從圖中明顯可以看出余熱回收系統(tǒng)的裝機功遠遠小于電加熱方案裝機功率。由于南回風(fēng)井的風(fēng)量大,可以用余熱較多,所以南回風(fēng)井機房的裝機功率略大于3700 平硐。余熱回收系統(tǒng)相比于電加熱方案,極大的減少了電量的使用以及運行成本,節(jié)能減排效果顯著,存在著巨大的推廣潛力。

圖12 溫度高于-6 ℃時,3600 平硐余熱回收系統(tǒng)裝機功率與電加熱方案裝機功率比值

4 結(jié)語

礦井余熱回收再利用,是礦山節(jié)能減排和綠色低碳轉(zhuǎn)型有效途徑,本文以某高寒礦山通風(fēng)現(xiàn)狀為基礎(chǔ),分析了礦山氣候條件以及回風(fēng)余熱回收的可行性,并制定了余熱回收方案,通過分析系統(tǒng)運行期間的數(shù)據(jù),可以得出以下結(jié)論:

余熱回收各個機組的進出口水溫差與熱回收量和制熱量的關(guān)系,以及各個機組進風(fēng)回風(fēng)溫差與制熱量和熱回收量的關(guān)系表明,設(shè)備運行狀態(tài)穩(wěn)定,余熱回收效果較好。

針對某高寒礦山通風(fēng)現(xiàn)狀,余熱回收系統(tǒng)的裝機功率遠遠小于采用電加熱方案裝機功率,采用余熱回收方案為主,電加熱為輔的解決方案改善井口冬季凍結(jié)現(xiàn)象,是經(jīng)濟合理的,有助于節(jié)約礦山運行成本,推動企業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

在我國“雙碳”政策下,結(jié)合按需通風(fēng)系統(tǒng)對余熱回收利用工程、建立遠程監(jiān)控系統(tǒng),開展回風(fēng)余熱高效節(jié)能再利用的研究,為國內(nèi)同類礦山綠色低碳轉(zhuǎn)型和落實“雙碳”政策提供借鑒意義。