信湖煤礦余熱資源與水源熱泵技術(shù)的綜合應(yīng)用

王勇毅

(北京社會(huì)管理職業(yè)學(xué)院，北京 102628)

1 工程概況

淮北礦業(yè)集團(tuán)信湖煤礦余熱資源綜合利用項(xiàng)目在安徽省渦陽(yáng)縣信湖煤礦礦區(qū)內(nèi)，信湖煤礦隸屬淮北礦業(yè)集團(tuán)，位于渦陽(yáng)縣境內(nèi)，跨花溝、公吉寺、楚店、城西4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。礦井及選煤廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力均為3.0 Mt/a，井深1 000 m，可采煤層7層。井田面積約131.5 km2。冬季歷年最低平均氣溫為-8 ℃。地面建筑面積約80 000 m2，現(xiàn)總設(shè)計(jì)職工為4 000人，每天3班。信湖煤礦礦井深，其礦井總回風(fēng)、礦井總排水中蘊(yùn)藏大量的低溫?zé)崮?，可以利用水源熱泵技術(shù)與氣水熱交換系統(tǒng)相結(jié)合的方式回收礦井回風(fēng)、礦井排水中的余熱資源，代替鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行供暖和代替中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供冷，從而保證信湖煤礦辦公、生活、生產(chǎn)的需要。信湖煤礦由于礦井井深已達(dá)1 000 m，根據(jù)設(shè)計(jì)院的《信湖煤礦井田勘探報(bào)告》，本區(qū)恒溫帶深度為30 m，其溫度為17.1 ℃。本區(qū)地溫梯度1.7 ℃/hm～3.3 ℃/hm，平均為2.70 ℃/hm，屬于地溫正常區(qū)。-413 m～-538 m以下已進(jìn)入一級(jí)高溫區(qū)(≥31 ℃)，-684 m～-765 m水平溫度已進(jìn)入二級(jí)高溫區(qū)(≥37 ℃)，-967 m水平平均地溫為44 ℃。在建設(shè)及開采過(guò)程中,應(yīng)該采取綜合的措施進(jìn)行熱害防治,確保安全。信湖礦煤礦有大量可利用的礦井回風(fēng)及礦井排水低溫?zé)嵩?，礦井總回風(fēng)溫度在23 ℃～28 ℃之間，相對(duì)濕度在90%～100%左右；礦井總排水量設(shè)計(jì)為490 m3/h，實(shí)際排水量較小，預(yù)計(jì)100 m3/h，溫度為28 ℃，礦井總回風(fēng)及礦井排水中能量?jī)?chǔ)量大，完全可滿足信湖礦煤礦冬季熱源、夏季冷源需求。采用礦井回風(fēng)、排水與水源熱泵技術(shù)相結(jié)合將礦井回風(fēng)及礦井排水中熱能回收利用，冬季可以通過(guò)水源熱泵和供暖系統(tǒng)向辦公樓、生活區(qū)、井筒等提供能夠供辦公樓、宿舍等生活區(qū)及礦井井筒使用的供暖熱源，夏季可以通過(guò)水源熱泵及風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)向辦公樓、生活區(qū)等提供能夠供辦公樓、宿舍等生活區(qū)使用的供冷冷源，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有任何污染物體排放的目標(biāo)。而且采用礦井回風(fēng)與水源熱泵技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)措施還可以大大降低風(fēng)井回風(fēng)的噪聲，有利于減小噪聲污染。礦井回風(fēng)經(jīng)氣水熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱交換后，排氣中所含的粉塵等污染物會(huì)大大的降低，從而達(dá)到減少空氣污染物排放的目的，且有利于大氣的環(huán)保和符合政府倡導(dǎo)的金山銀山就是綠水青山的發(fā)展理念[1-3]。

2 水源熱泵技術(shù)+礦井回風(fēng)及排水資源+氣水換熱系統(tǒng)技術(shù)

2.1 熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)利用低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化成能夠進(jìn)行供暖和制冷的新型能源。熱泵技術(shù)應(yīng)用最廣泛的是水源熱泵技術(shù)，水源熱泵技術(shù)就是冷卻水側(cè)循環(huán)系統(tǒng)由水源代替了傳統(tǒng)的冷卻塔，不僅僅可以利用地表水、地下水，還能利用煤礦、熱電廠、鋁廠、化肥廠等諸多廠礦企業(yè)的工業(yè)廢水，從中提取出能夠供熱泵機(jī)組使用的低溫?zé)嵩?，?shí)現(xiàn)把低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)熱能，達(dá)到能夠使用的條件，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)廢水的二次利用，同時(shí)還對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)工作的推進(jìn)具有重要的戰(zhàn)略意義。

2.2 礦井回風(fēng)低溫?zé)崮芑厥张c水氣熱交換系統(tǒng)技術(shù)的綜合應(yīng)用

礦井回風(fēng)一年四季源源不斷，風(fēng)量大，溫度相對(duì)穩(wěn)定，蘊(yùn)藏著巨大的熱能和冷量，是熱泵系統(tǒng)理想的低溫冷熱資源。冬季可以作為熱泵系統(tǒng)的熱源水，從中提取熱能，制取50 ℃以上的高溫?zé)崴瑸榫诜纼?、工業(yè)廣場(chǎng)的地面建筑供暖，為加熱浴室洗浴熱水提供熱量。夏季可作為熱泵系統(tǒng)的冷卻水，向其排放熱量，制取熱泵系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)能夠使用的7 ℃以下的冷凍水，為工業(yè)廣場(chǎng)的地面建筑的夏季空調(diào)系統(tǒng)提供冷量。氣水熱交換系統(tǒng)通風(fēng)阻力小，增加阻力小于100 Pa，對(duì)風(fēng)機(jī)影響極小。具有明顯的降噪效果，可降低風(fēng)井回風(fēng)噪聲30 dB(A)。氣水熱交換系統(tǒng)通過(guò)水噴霧與礦井中含有余熱的風(fēng)資源進(jìn)行充分接觸，從而達(dá)到充分熱交換的目的，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。并通過(guò)充分的氣體與水噴霧之間的熱交換，使噴出的水霧能夠從礦井回風(fēng)中吸收大量的顯熱和潛熱，然后進(jìn)入?yún)R水池，經(jīng)沉淀處理后進(jìn)入全自動(dòng)水處理裝置進(jìn)行二次處理，經(jīng)二次處理后的可供使用的水資源進(jìn)入水源熱泵冷卻水側(cè)的蓄水池，產(chǎn)生能夠供水源熱泵系統(tǒng)使用的可靠水源。

2.3 礦井排水與水源熱泵技術(shù)的綜合應(yīng)用

礦井排水中含有大量的低品位熱能資源，在煤礦排水中往往經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行排放，不僅浪費(fèi)了礦井排水中的余熱資源，而且所排放的水中含有的熱量排放到空氣中還造成了環(huán)境溫度的升高，形成了一定的熱污染，通過(guò)水源熱泵系統(tǒng)利用排放的礦井排水中余熱資源不僅能夠提取其中的低品質(zhì)熱能，還能降低排水的水溫，對(duì)環(huán)境保護(hù)有一定的效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了余熱資源的二次利用，間接的節(jié)約了一些能源。在利用礦井排水水資源時(shí)，通過(guò)全自動(dòng)水處理裝置對(duì)礦井排水進(jìn)行水處理，達(dá)到符合水源熱泵使用要求后進(jìn)入水源熱泵冷卻水側(cè)的蓄水池供水源熱泵使用。

3 水源熱泵系統(tǒng)綜合分析

3.1 信湖煤礦冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)淮北礦業(yè)集團(tuán)提供的與之有關(guān)的信湖煤礦各類建筑面積及其冷熱負(fù)荷等數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，匯總整理統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 信湖煤礦冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

3.2 信湖煤礦熱源情況

根據(jù)淮北礦業(yè)集團(tuán)提供的關(guān)于信湖煤礦各種信息如下：信湖煤礦礦井回風(fēng)溫度23 ℃～28 ℃，濕度90%～100%，冬季按23 ℃考慮，夏季按28 ℃考慮，相對(duì)濕度全年按95%考慮，生產(chǎn)中期風(fēng)量388 m3/s礦井。礦井排水量初步設(shè)計(jì)為490 m3/h，根據(jù)目前礦井水出水量，對(duì)比周圍同類礦井，按70 m3/h考慮，水溫按25 ℃計(jì)算。信湖礦礦井總回風(fēng)和礦井排水蘊(yùn)含熱能非常豐富，礦井通風(fēng)系統(tǒng)總回風(fēng)量達(dá)到388 m3/s時(shí)完全可以滿足全礦用熱需求。

3.3 水源熱泵系統(tǒng)與水氣熱交換系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)性分析

根據(jù)負(fù)荷情況配置3臺(tái)HE700熱泵機(jī)組和11臺(tái)HE1400熱泵機(jī)組。

熱泵機(jī)組型號(hào):HE-700;具體參數(shù)如下：名義制熱量:706.9 kW;名義制冷量:609.2 kW;名義耗電功率(制熱):146.76 kW; 名義耗電功率(制冷):106.3 kW;最小水源水流量:65.8 m3/h;制熱熱水流量:116.1 m3/h;名義工況:冬季制熱出水溫度40 ℃～50 ℃，夏季制冷出水溫度5 ℃～15 ℃;外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高): 4.5 m×1.48 m×2.05 m;質(zhì)量:3 800 kg。

熱泵機(jī)組型號(hào):HE-1400;具體參數(shù)如下：名義制熱量:1 413 kW;名義制冷量:1 218 kW; 名義耗電功率(制熱): 294 kW; 名義耗電功率(制冷):213 kW;最小水源水流量:132 m3/h;制熱熱水流量:233 m3/h;制冷水源水流量:112 m3/h;制冷冷水水流量:210 m3/h;名義工況:冬季制熱出水溫度40 ℃～50 ℃，夏季制冷出水溫度7 ℃～12 ℃;外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高):4.8 m×2.2 m×2.25 m;質(zhì)量:7 500 kg。

夏季：最熱季節(jié)8臺(tái)HE1400熱泵機(jī)組和2臺(tái)HE700臺(tái)熱泵機(jī)組工作，提供建筑空調(diào)，同時(shí)提供洗浴熱水。

冬季：最冷季節(jié)11臺(tái)HE1400及3臺(tái)HE700熱泵機(jī)組提供建筑采暖和井筒防凍熱源及洗浴熱水。

過(guò)渡季：2臺(tái)HE700臺(tái)熱泵機(jī)組工作提供洗浴熱水。礦井回風(fēng)通過(guò)氣熱交換系統(tǒng)把礦井回風(fēng)中的余熱轉(zhuǎn)化為可供水源熱泵使用的余熱水資源。礦井排水利用主要從污水處理廠引水(由于礦井設(shè)計(jì)涌水達(dá)到490 m3/h,據(jù)此從污水處理廠建設(shè)設(shè)計(jì)能取水300 m3/h的管路到蓄水池)。通過(guò)礦井回風(fēng)余熱和礦井排水余熱形成的余熱水資源最終供水源熱泵系統(tǒng)使用[4-6]。

水源熱泵系統(tǒng)是利用水資源中的低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)換成能夠使用的高品質(zhì)熱能，但它有局限性，它的局限性在于只能利用可利用的水源，而不能直接從礦井回風(fēng)中吸取可利用的低品質(zhì)熱能。采用水源熱泵冷卻水系統(tǒng)中的循環(huán)水與信湖煤礦礦井回風(fēng)中含有的余熱通過(guò)水氣熱交換系統(tǒng)進(jìn)行水氣熱交換，取得能夠供水源熱泵直接使用的低品質(zhì)熱能。水氣熱交換系統(tǒng)含水噴霧系統(tǒng)、水收集裝置、沉淀池、全自動(dòng)水處理裝置、循環(huán)水泵、補(bǔ)水裝置、相應(yīng)管線等輸送至能夠供水源熱泵機(jī)組使用的水源熱泵集水池。并結(jié)合礦井排水中經(jīng)全自動(dòng)水處理后輸送，如水源熱泵集水池的低品質(zhì)熱水形成可供水源熱泵系統(tǒng)使用的低品質(zhì)熱能。水氣熱交換系統(tǒng)中的水噴霧熱交換系統(tǒng)采用鍍鋅鋼管加水噴霧裝置并互相連接，最終形成水噴霧網(wǎng)絡(luò)，從而通過(guò)水氣熱交換系統(tǒng)中的水噴霧網(wǎng)絡(luò)與礦井回風(fēng)中帶有低品質(zhì)熱能的回風(fēng)進(jìn)行水氣熱交換。通過(guò)水氣熱交換系統(tǒng)中的水噴霧網(wǎng)絡(luò)與礦井回風(fēng)中攜帶的熱能進(jìn)行充分接觸，使水霧能夠吸收到礦井回風(fēng)中攜帶的低品質(zhì)熱能，并且通過(guò)熱交換吸收到礦井回風(fēng)中的顯熱和潛熱，從而提高了熱交換效率。同時(shí)還能減少礦井回風(fēng)中含有的污染物的排放，保護(hù)了大氣環(huán)境，減少了大氣污染(見圖1)。

3.4 水源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型分析

根據(jù)以上水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備配備情況及以下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行綜合性經(jīng)濟(jì)分析。

水源熱泵系統(tǒng)中采暖、空調(diào)及井筒防凍系統(tǒng)運(yùn)行基本參數(shù)如下:制冷周期:90 d/a;供暖周期:120 d/a;日開機(jī)時(shí)間:10 h/d(夏季),24 h/d(冬季);平均電價(jià):0.6元/度(見表2)。

表2 采暖、空調(diào)及井筒防凍系統(tǒng)運(yùn)行情況

水源熱泵系統(tǒng)中洗浴熱水系統(tǒng)運(yùn)行基本參數(shù)如下:運(yùn)行周期:270 d/a;日開機(jī)時(shí)間:12 h/d;平均電價(jià):0.6元/度(見表3)。

表3 洗浴熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況

綜上所述運(yùn)行費(fèi)用加上每年運(yùn)行人員工作8萬(wàn)元及維修費(fèi)用1萬(wàn)元后，每年水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用為471.312 5萬(wàn)元，約為471萬(wàn)元。

根據(jù)傳統(tǒng)運(yùn)行模式運(yùn)行情況每年運(yùn)行費(fèi)用約為1 743萬(wàn)元，較水源熱泵系統(tǒng)每年的運(yùn)行費(fèi)用高出很多，通過(guò)水源熱泵系統(tǒng)不僅僅利用了礦井回風(fēng)余熱資源和礦井排水余熱資源，而且每年還節(jié)約了大量的運(yùn)行費(fèi)用。避免了能源的浪費(fèi)，提高了節(jié)能率，并符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的大政方針，使得水源熱泵得到了更廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的收益。同時(shí)證實(shí)了水源熱泵系統(tǒng)在礦井回風(fēng)余熱回收中的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)使用水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)既保障了信湖煤礦礦區(qū)井筒供暖、浴室洗浴熱水、生產(chǎn)生活建筑供暖，還為空調(diào)系統(tǒng)提供了冷源供給，并從經(jīng)濟(jì)角度證實(shí)了水源熱泵技術(shù)在礦井回風(fēng)和礦井排水中的經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)達(dá)到了節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)的目的。

通過(guò)水源熱泵技術(shù)與礦井回風(fēng)資源及水氣熱交換系統(tǒng)的結(jié)合使用，利用礦井回風(fēng)中含有的低品質(zhì)余熱資源，實(shí)現(xiàn)了低品位熱源向高品質(zhì)熱量的轉(zhuǎn)化。并且規(guī)避了水源熱泵只用于水資源的局限性，拓展了水源熱泵的使用范圍，為水源熱泵使用環(huán)境的多樣化提供了方向。

礦井回風(fēng)經(jīng)水氣熱交換系統(tǒng)后，降低了礦井回風(fēng)中所含的粉塵等污染物的排放量，同時(shí)有利于提高空氣品質(zhì)，使空氣品質(zhì)更環(huán)保、更利于健康，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境的目的。

通過(guò)水源熱泵技術(shù)與礦井排水余熱資源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)了從礦井排水中提取低溫余熱等低品位熱源向高品位熱源的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井排水的二次利用，同時(shí)減少了礦井排水對(duì)空氣的余熱排放，響應(yīng)了節(jié)能與環(huán)保要求。