九里山礦低品位熱能智能化綜合利用分析

摘要：九里山礦低品位熱能智能化處理與綜合利用項目，以充分利用礦井水余熱和南風井瓦斯發(fā)電煙氣余熱為核心目標，通過低品位熱能梯級利用技術(shù)和田字式溢流儲熱裝置，實現(xiàn)了3種工業(yè)廢棄能源的組合增熱，有效提高了熱源效率，降低了運行成本。該項目不僅滿足了主要建筑的全年供暖和制冷需求，為職工創(chuàng)造了舒適的生活環(huán)境，還預(yù)計每年可節(jié)約300萬元以上的費用，并大幅減少環(huán)境污染，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，積極響應(yīng)了國家節(jié)能減排政策，為礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻。

關(guān)鍵詞：九里山礦；低品位熱能；節(jié)能減排

中圖分類號：TK115 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-0-04

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Analysis of Intelligent Comprehensive Utilization of Low-Grade Thermal Energy in Jiuli Mountain Mine

LIANG Nan

（Jiuli Mountain Mine， Henan Jiaozuo Coal Energy Co.， Ltd.， Jiaozuo 454000， China）

Abstract： The Jiuli Mountain mine low-grade thermal energy intelligent processing and comprehensive utilization project aims to fully utilize the waste heat from mine water and the flue gas of gas-fired power generation at the Nanfeng Well as its core objectives. By employing the low-grade thermal energy cascade utilization technology and a field-shaped overflow heat storage device， the project has achieved combined heating from three types of industrial waste energy， effectively improving the efficiency of heat sources and reducing operating costs. The project not only meets the annual heating and cooling needs of the main buildings， creating a comfortable living environment for the staff， but it is also expected to save over 3 million yuan in costs annually. Additionally， it significantly reduces environmental pollution， demonstrating good economic and environmental benefits. The project actively responds to the national energy-saving and emission-reduction policies and makes a positive contribution to the sustainable development of the mining area.

Keywords： Jiuli mountain mine; low-grade thermal energy; energy saving and emission reduction

河南焦煤能源有限公司九里山礦（簡稱九里山礦）位于焦作市馬村區(qū)，作為主力生產(chǎn)礦井，主要從事煤炭開采。為充分發(fā)揮九里山礦井水資源及南風井瓦斯發(fā)電站煙氣余熱的利用價值，貫徹落實國家藍天行動計劃，降低燃氣鍋爐運營成本，引進先進的工業(yè)熱泵技術(shù)，對礦井水進行熱量提取和換熱。九里山礦設(shè)計了多源熱能轉(zhuǎn)換增熱技術(shù)，并應(yīng)用于礦井水余熱利用和瓦斯發(fā)電煙氣余熱回收系統(tǒng)，實現(xiàn)了3種工業(yè)廢棄能源的集成增熱。此舉最大化地分配煙氣余熱，顯著提高了九里山礦工業(yè)廢棄能源智能化綜合利用系統(tǒng)的熱源效率，降低了熱量提取的能耗，充分展現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)越性和經(jīng)濟性。

針對九里山礦的特定需求，定制了主機房負載側(cè)供暖輸出分集水器及井口專用合金鋁繞流子供熱風機組（防爆型）。通過精確計算副井進風量和冬季極寒天氣下的井口防凍溫度要求，確保了風速、風量、分集水器的直徑及轉(zhuǎn)化口直徑滿足全礦建筑供暖需求，同時保障了副井冬季防凍供暖。通過多熱源結(jié)合，成功實現(xiàn)了包括5棟宿舍樓、區(qū)隊辦公樓、科技樓、南北行政樓、機關(guān)辦公樓及洗浴中心等在內(nèi)的約37 000 m2建筑的夏季制冷和冬季采暖需求，確保了九里山礦主要建筑全年室內(nèi)溫度舒適，為職工營造溫馨的辦公生活環(huán)境。

1 低品位熱能梯級利用技術(shù)

1.1 低品位熱能梯級利用技術(shù)的優(yōu)勢

轉(zhuǎn)換增熱技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，為煙氣余熱的深度利用開辟了新路徑。該技術(shù)巧妙地將瓦斯發(fā)電站的煙氣余熱優(yōu)先用于冬季副井供暖，隨后轉(zhuǎn)化為洗浴熱水，實現(xiàn)了熱量的多層次、梯級利用，有效提高了能源的綜合利用率，同時減少了能源浪費。水源熱泵系統(tǒng)作為一種高效的可再生能源利用技術(shù)，能夠汲取地球土壤和水體中儲存的太陽能資源，為制冷供暖空調(diào)系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、可再生的冷熱源，實現(xiàn)了能量的高效轉(zhuǎn)換。

在節(jié)能降耗方面，水源熱泵系統(tǒng)的表現(xiàn)尤為突出。根據(jù)美國環(huán)保署的測算，水源熱泵系統(tǒng)能夠幫助用戶平均節(jié)約高達40%的空調(diào)用電費用[1]，在冬季采暖季節(jié)，其運行成本僅相當于同工況燃氣鍋爐的1/7，顯著降低了用戶的能源開支。此外，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，環(huán)保效益顯著。水源熱泵機組在運行過程中，無排煙、無廢棄物，避免了環(huán)境污染和場地占用問題。在不燃燒任何礦物燃料的情況下，實現(xiàn)了零排放，為用戶提供了一個清潔、環(huán)保的能源解決方案。

轉(zhuǎn)換增熱技術(shù)與水源熱泵系統(tǒng)的結(jié)合，不僅體現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新在能源利用領(lǐng)域的巨大潛力，也為我國節(jié)能減排、綠色發(fā)展提供了有力支持。該技術(shù)方案具有高效、節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定等優(yōu)勢，成為工業(yè)、商業(yè)及居民用能領(lǐng)域的優(yōu)選方案，為推動我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生態(tài)文明建設(shè)做出積極貢獻。

1.2 低品位熱能梯級利用技術(shù)的方案

轉(zhuǎn)換增熱裝置由礦井水管、增熱管、保溫管、定位組件及限位組件構(gòu)成。其中，增熱管通過一系列定位組件與礦井水管同軸裝配，而保溫管則同軸地套接在礦井水管外部。保溫管的兩端通過限位組件與礦井水管形成滑動連接，確保了多個定位組件均勻分布在礦井水管內(nèi)側(cè)，并與增熱管滑動配合。這3管均采用連續(xù)S形彎折設(shè)計，礦井水管兩端分別設(shè)有進口和出口，并在側(cè)壁上開設(shè)增熱管連接口，以便增熱管兩端彎折并密封對接。裝置中的定位套和固定桿設(shè)計用于增熱管的定位和熱脹冷縮的位移導(dǎo)向。定位套滑動套接在增熱管外部，固定桿則以輻射狀連接在定位套外側(cè)，其遠離定位套的一端固定在礦井水管內(nèi)壁。

在礦井水管兩端外壁上固定有限位盤，通過彈簧與保溫管端部連接，以適應(yīng)熱脹冷縮產(chǎn)生的位移，防止保溫管受損。接管座上的螺紋連接口與金屬軟管相接，用于緩解增熱管兩端的水力沖擊，提升裝置的安全性和可靠性。

1.3 低品位熱能梯級利用技術(shù)的工作原理

將煤礦瓦斯余熱發(fā)電機組的熱水出口，通過管道接入裝置連接礦區(qū)澡堂的供水管道。如此，增熱管中換熱后的熱水可繼續(xù)供澡堂使用，同時實現(xiàn)增熱管內(nèi)熱水與礦井水管中礦井水的逆向流動，達到礦井水轉(zhuǎn)換增熱的目的[2]。將礦井水管、增熱管和保溫管設(shè)計為連續(xù)S形彎折，有效降低了流體流速，增加了換熱流程，提高了換熱效率。增熱后的礦井水通過出口連接至礦區(qū)空調(diào)機組的熱泵，顯著降低熱泵能耗，降低了空調(diào)機組的運行成本。

該轉(zhuǎn)換增熱裝置的結(jié)構(gòu)簡潔、布置靈活，有效利用了煤礦瓦斯發(fā)電機組余熱鍋爐排放的煙氣余熱，間接提高礦井水中低品質(zhì)熱能的利用率，充分挖掘了礦井水熱能的價值。

2 田字式溢流儲熱裝置

2.1 田字式溢流儲熱裝置的技術(shù)背景

將約290 ℃的高溫瓦斯煙氣導(dǎo)入KSYQ-360型不銹鋼擾流子換熱設(shè)備，與系統(tǒng)軟水介質(zhì)進行首次熱交換，軟水介質(zhì)吸收高溫煙氣的熱量后溫度升至約80 ℃。通過一次循環(huán)泵，將80 ℃的軟水介質(zhì)輸送到二次換熱板式換熱器，與自來水進行二次熱交換，將自來水溫度加熱至約60 ℃，以此作為轉(zhuǎn)換增熱的熱源[3-5]。熱源通過供熱水泵送至鍋爐房的熱源調(diào)節(jié)中轉(zhuǎn)站。

專為九里山礦瓦斯發(fā)電煙氣副井供暖梯級利用設(shè)計的熱源調(diào)節(jié)中轉(zhuǎn)站，由A1、A2、B1、B2部分構(gòu)成。60 ℃的熱水直接送入A1、A2儲熱倉，根據(jù)遠程控制指令，中轉(zhuǎn)供熱水泵將儲熱倉中的熱水送至廢棄能源管理中心的轉(zhuǎn)換增熱裝置。該裝置將熱源的溫度提升15 ℃，通過九里山礦負載側(cè)循環(huán)系統(tǒng)為副井口供暖。

轉(zhuǎn)換增熱系統(tǒng)在熱交換后，降溫至45 ℃的熱水返回田式中轉(zhuǎn)站的B1、B2熱分流倉。A1、A2、B1、B2倉內(nèi)的十字墻通過內(nèi)溢流方式，向洗浴中心供應(yīng)45～50 ℃的洗浴用水。這一流程實現(xiàn)了瓦斯發(fā)電熱煙氣熱能的全面回收，先用于副井口供暖，再供應(yīng)洗浴熱水，實現(xiàn)了熱能的梯級利用，達到了全回收、無浪費的經(jīng)濟效益，具有良好的節(jié)能減排效果[6-8]。

2.2 田字式溢流儲熱裝置的技術(shù)方案

田字式溢流儲熱裝置是一項精密的溫控系統(tǒng)，由二次換熱器、三次換熱器以及一個精心設(shè)計的保溫儲水箱構(gòu)成。儲水箱的頂部裝有保溫蓋板，內(nèi)部安裝了十字形絕熱隔板，巧妙地將儲水箱劃分為4個互相獨立的儲水腔，包括2個用于回水的回水腔和2個用于蓄熱的蓄熱腔。這些蓄熱腔與回水腔之間通過精心布置的溢流管相連，并配備了單向閥，確保了介質(zhì)只能單向流動，從而提高了熱能的利用效率。

為獲得良好的保溫效果，十字形絕熱隔板內(nèi)部采用了真空結(jié)構(gòu)，填充了高效隔熱材料。每個儲水腔的側(cè)壁上都設(shè)有熱水進口和熱水出口，這些進口和出口的位置設(shè)計巧妙，確保了熱水和回水的有效利用。熱水進口和出口外側(cè)分別連接了熱水進管和熱水出管，回水進口和出口外側(cè)分別連接了回水進管和回水出管，每個管道上都配備了電動閥，以便于精確控制水流[9-10]。

在熱水出管和進管的設(shè)計上，兩個蓄熱腔的熱水出管匯集成一根出水母管，并在遠離熱水出管的一端安裝了供熱泵，從而有效輸送熱水。同樣，兩個蓄熱腔的熱水進管在遠離蓄熱腔的一端與一根進水母管相連，而兩個回水腔的回水進管則在遠離回水腔的一端連接到一根回水母管上，確保了水流的順暢和高效利用。

通過精確操控各熱水進管上的電動閥，可以將來自二次換熱器的60～65 ℃熱水儲存到相應(yīng)的蓄熱腔。根據(jù)需求，通過操控各熱水出管上的電動閥，可以將蓄熱腔內(nèi)的一次熱水通過供熱泵輸送到三次換熱器內(nèi)。經(jīng)過熱交換后，熱水降溫到45～50 ℃，并通過回水母管輸送到回水腔內(nèi)，再由給水泵供應(yīng)到礦區(qū)的各個洗浴中心，作為洗浴用水使用。同時，三次換熱器內(nèi)的冷媒被加熱后，可用于礦井副井口的供暖。

為了確保供水穩(wěn)定，兩個回水腔之間設(shè)有連通管，并配備連通閥，以便在蓄水不足時，可以及時補充水源。此外，每個回水腔的側(cè)壁頂部都設(shè)有溢流口，用于連接溢流排放管，當水位過高時，可以通過溢流排放管進行排水。這些溢流水還可以作為二次換熱器的冷媒循環(huán)使用。二次換熱器和三次換熱器均采用高效的板式換熱器，保證了換熱效率。儲水腔內(nèi)安裝有液位傳感器和溫度傳感器，用于實時監(jiān)控水位和溫度，便于根據(jù)需要調(diào)整補水量和出水量。此外，每個儲水腔底部都設(shè)有排污閥，方便定期排污和檢修時的排水，確保了系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

2.3 田字式溢流儲熱裝置的工作原理

田字式溢流儲熱裝置采用軟化水作為一次換熱設(shè)備（不銹鋼擾流子換熱器）的冷媒，與煤礦瓦斯發(fā)電機組中高溫煙道內(nèi)的煙氣進行熱交換，將溫度升至約80 ℃。隨后，這些熱水作為二次換熱器的二次熱源，進一步將通入的自來水轉(zhuǎn)換增熱至60～65 ℃，然后儲存于蓄熱腔。降溫后的軟化水在閉式循環(huán)系統(tǒng)中返回一次換熱設(shè)備，與高溫煙氣再次發(fā)生熱交換，高效吸收煙氣余熱。

蓄熱腔中的熱水作為三次換熱器的三次熱源，對通入的循環(huán)水進行轉(zhuǎn)換增熱，使其溫度提升約15 ℃。這些被加熱的循環(huán)水用于為礦井副井口供暖。三次熱源在三次換熱器中被冷卻至45～50 ℃后，送入回水腔中儲存?zhèn)溆?。通過給水泵，回水腔中的回水被輸送到礦區(qū)的洗浴中心，與自來水勾兌后用作職工洗浴水。

當二次換熱器中轉(zhuǎn)換增熱后的自來水量較大，蓄熱腔內(nèi)水位超過十字形絕熱隔板的頂端溢流管時，蓄熱腔內(nèi)的熱水會通過相應(yīng)的單向閥流入對應(yīng)的回水腔，提高回水腔的水溫并增加水量，實現(xiàn)熱能的充分利用。回水腔中的水溫升高時，洗浴時可多勾兌冷水，不影響正常使用。田字式溢流儲熱裝置的結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，能夠更高效、更可靠地利用煤礦瓦斯發(fā)電機組排放的高溫煙氣中的殘留余熱[11-12]。

3 經(jīng)濟效益分析

九里山礦在2018—2020年冬季供暖期采取了限氣措施，并實施了分時段供氣[4]。這一措施顯著影響了燃氣費用的支出。2018年，總?cè)細赓M用為280萬元，平均每年287.6萬元。2019年和2020年的燃氣費用分別為287萬元和269萬元，呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。

此外，九里山礦采用了智能調(diào)節(jié)綜合供熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總功率為600 kW，耗電量為748 800 kW·h。

智能調(diào)節(jié)綜合供熱系統(tǒng)的總功率為600 kW，總耗電量為748 800 kW·h，總費用為41.18萬元。所以，該系統(tǒng)的實際耗電成本為41.18萬元，遠低于傳統(tǒng)燃氣鍋爐供暖的成本。通過轉(zhuǎn)換增熱技術(shù)，九里山礦在供暖季將多余的1100 kW熱負荷以熱水的形式轉(zhuǎn)換給水源熱泵供暖系統(tǒng)，降低了水源熱泵主機的工作頻率和耗功率，獲得較好的節(jié)電效果。兩臺水源熱泵主機的供暖季節(jié)電效益為22.25萬元。由此可見，九里山礦的智能調(diào)節(jié)綜合供熱系統(tǒng)不僅降低了供暖和制冷的能耗成本，還減少了用工成本和維護費用，具有顯著的經(jīng)濟效益。九里山礦通過合理利用南風井瓦斯發(fā)電余熱，有效提升了能源利用率，為可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。

4 結(jié)論

九里山礦低品位熱能智能化處理與綜合利用項目設(shè)計了多種熱源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換增熱技術(shù)，并與空壓站余熱回收控制系統(tǒng)對接，實現(xiàn)了3種工業(yè)廢棄能源的組合增熱功能。此外，項目配備了為九里山礦量身定制的主機房負載側(cè)供暖輸出分集水器和井口專用合金鋁繞流子供熱風機組（防爆型），這些設(shè)備可隨時為副井供暖，確保井口溫度達到安全標準。該項目滿足了主要建筑的全年供暖和制冷需求，為職工創(chuàng)造了舒適的生活環(huán)境。項目中所部署的所有系統(tǒng)與設(shè)備運行穩(wěn)定，且高效節(jié)能，積極響應(yīng)國家藍天工程的啟動實施，充分利用了九里山礦井水優(yōu)勢資源和南風井瓦斯發(fā)電站的排放煙氣余熱，同時大幅降低了燃氣鍋爐的運行成本。

項目通過采用創(chuàng)新的技術(shù)方案和設(shè)備，實現(xiàn)了礦井排水、瓦斯發(fā)電煙氣余熱和空壓站余熱的高效利用，顯著降低了能源消耗和運行成本，為職工創(chuàng)造了舒適的工作和生活環(huán)境。未來，該項目可進一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，提高能源利用效率，并在其他礦區(qū)推廣，為煤礦行業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻。

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