礦井風井余熱綜合利用技術研發(fā)與應用

姜濤

摘要： 根據國家環(huán)保政策對燃煤鍋爐淘汰規(guī)定，田陳煤礦北井采用礦井余熱方式解決礦工洗浴熱水，以及生活辦公采暖和井口冬季保溫及防凍；夏季亦可制冷用于井下降溫和職工生活。

Abstract： According to the national environmental protection policy on the elimination of coal-fired boilers， the north well of Tianchen Coal Mine adopts the mine waste heat to solve the miners' bathing hot water problem， as well as the living office heating and wellhead winter insulation and antifreeze； in the summer， it also can be used for cooling the well and employees.

關鍵詞： 風井；余熱；利用技術；研發(fā)

Key words： air shaft；waste heat；utilization technology；R&D;

中圖分類號：TD72 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0116-02

0 引言

根據國家環(huán)保政策對燃煤鍋爐淘汰規(guī)定，田陳煤礦北井鍋爐屬于被淘汰之列，明確規(guī)定必須停止運行。為此田陳煤礦北井采用礦井余熱方式解決礦工洗浴熱水，以及生活辦公采暖和井口冬季保溫及防凍；夏季亦可制冷用于井下降溫和職工生活。

1 目前田陳北井鍋爐運行基本情況概述

田陳煤礦北井目前常駐5個采掘及機電區(qū)隊，常駐職工約900人，使用1臺4T/h和1臺2T/h燃煤蒸汽鍋爐，供北井工廣區(qū)域職工洗浴和冬季采暖，副井口保溫防凍。

1.1 北井供暖及洗浴基本要求 ①工業(yè)廣場建筑冬季供暖（面積9735m2）。冬季供暖要求新建系統(tǒng)供暖面積大于10000m2，并留有20%以上的余量，系統(tǒng)供水溫度：45-50℃，要求室內溫度不低于24℃；副井口進風量7100m3/min，副井筒進風溫度≥5℃。供暖時間為120天，即11月15日至次年3月15日。天氣發(fā)生異常情況時，應提前或延長供暖時間±10天。浴室、更衣室需根據天氣情況提前或延長供暖時間30天。②洗浴熱水（400立方/天）。洗浴熱水要求：池浴水高于45℃，淋浴水適當高于45℃以上，全天洗浴熱水按400m3設計。浴室內噴淋設施承包方須重新設計，重新安裝噴頭和自動控制閥門，人離水停，節(jié)約用水。③夏季澡堂更衣室及食堂供冷（面積2000m2）。夏季系統(tǒng)冷水溫度，達到7～12℃，風機盤管具備除濕功能，總供冷面積大于2000m2，要求室內溫度不高于24℃。④副井口夏季制冷：90天。具體運行時間，據氣溫情況確定。夏季至少運行一臺機組專向井口供冷，且具備除濕功能，副井口進風量7100m3/min。下井口進風溫度比井上氣溫最少降低6℃，必要時可進一步降溫。

1.2 實際熱力負荷需求情況 ①廣場建筑采暖熱負荷：681kW；②副井口保溫與防凍熱負荷：1946kW；③洗浴熱水負荷：580kW；④總熱負荷3207kW。

1.3 北井燃煤鍋爐運行費用情況 目前田陳北井共有鍋爐司機、水質化驗工、兼職維修工等共10人，年統(tǒng)計燃料約1833噸。北井燃煤鍋爐年運行費用265.1萬元。

2 北井可供利用的余熱情況分析

2.1 可利用熱源分析 ①礦井通風機乏風情況：田陳煤礦北井礦井排風量7100m3/min，冬季排風溫度>22℃，相對濕度85%。夏季排風溫度28℃，相對濕度>90%。②空壓機余熱利用情況：目前安裝有空壓機4臺，其中60 m3/h三臺，30 m3/h一臺，正常時，一臺60m3立方/h空壓機常時運行，另一臺30m3/h空壓機間斷運行（約10h/d）。③有一座污水處理站可供利用。污水處理量約400 m3/d，溫度18℃左右。

2.2 可利用熱源能力計算： ①礦井乏風可提取供熱量：4918kW；②空壓機供熱量：321kW；③余熱總熱負荷：5239kW。

2.3 余熱利用結論 通過分析計算，礦井乏風及空壓機可提供的供熱能為5239kW，實際需要的熱負荷為3207kW，完全可以滿足用熱需求。

2.4 礦方可利用的設施 ①可利用鍋爐房現(xiàn)有沉降水池改造為新建系統(tǒng)調節(jié)水池，可利用現(xiàn)有鍋爐房及值班室改造為新建系統(tǒng)機房。②可提供6000V接入口給乙方新安裝的箱變供電。③可利用現(xiàn)有地暖和暖氣片采暖及管路系統(tǒng)，但必須滿足采暖要求，現(xiàn)有換熱機組需要更換。

3 擬采用的熱能綜合利用技術

3.1 空壓機余熱回收利用技術方案 空壓機工作最終是一個等溫壓縮過程，運行中會產生大量熱能，實際運行中大約超過65%以上的功率會產生熱能，僅有40%左右功率產生空氣勢能。目前壓風機采用水循環(huán)加冷卻塔方式給予壓縮機冷卻，以保證壓風機正常工作。

余熱利用方案擬采用外置高效換熱器，改造目前水冷卻方式，提取空壓機運行過程中產生熱量，而且冷卻效果更優(yōu)異，可回收余熱制備最高75℃的熱水，用于洗浴。

空壓機熱水機特點：①可以很簡單全自動清洗換熱器的水垢；②節(jié)能效果好（節(jié)能60%）；③解決水/油可能滲透的問題；④控制油溫，空壓機油溫在80～90℃；⑤回收空壓機軸功率的60%，產熱水量多；⑥水溫的精準控制，進水溫度10～20℃，循環(huán)一次產生熱水溫度高達60℃；⑦圓管結構油道順暢，阻力小，油氣壓降??；⑧提高空壓機的產氣量8～10%；⑨減少冷卻系統(tǒng)60%的負荷；⑩使用壽命達10年以上；{11}能為工廠降低能耗3～7%。

3.2 礦井乏風換熱技術 目前的礦井乏風換熱技術噴淋水風水換能方式：噴淋式回風換熱系統(tǒng)是采用二次循環(huán)方式（即風-水熱交換，水-氟利昂熱換熱器交換兩個過程）。主要包括擴散塔、回風換熱器、循環(huán)水池、熱源水循環(huán)泵等?；仫L換熱器噴淋水在換熱器和擴散塔中與回風充分接觸換熱后，經管路匯流至循環(huán)水池。熱源水循環(huán)泵將循環(huán)水池的水供至水源熱泵機組，為其提供熱源，之后返回回風換熱水池完成熱源水循環(huán)，換熱循環(huán)水泵將從熱泵機組提取熱量后的循環(huán)水再次送入回風換熱器，完成換熱水水循環(huán)。其基本原理就是利用氟利昂液態(tài)氣態(tài)轉換產生吸熱與放熱過程進行熱能交換，制備熱水或冷水，也就是日常的空調機原理。其物理學原理是利用“淋水式表焓取熱”原理，將熱量轉換到循環(huán)水中，再用熱泵回收循環(huán)水中熱量的辦法，回收乏風的余熱。

4 余熱回收利用技術方案

利用礦井乏風余熱、空壓機余熱，建設“田陳煤礦北井余熱綜合利用項目”用于田陳煤礦北井建筑的冬季供暖及副井口保溫與防凍、全年職工洗浴熱水制備及夏季澡堂更衣室、食堂供冷的需求。熱泵機組根據熱負荷的大小調節(jié)運行數(shù)量，關閉機組的同時關閉機組的電動閥，減少循環(huán)水量。系統(tǒng)通過調節(jié)熱泵機組和水泵的運行狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行。全系統(tǒng)采用集中控制，參控設備約50臺，采用計算機+PLC控制。根據主要工藝流程，集控系統(tǒng)包括熱泵機房系統(tǒng)、回風換熱系統(tǒng)、井口空氣加熱系統(tǒng)等。

4.1 熱泵運行方式：熱泵運行臺數(shù)根據熱水供回水的熱量和溫差進行控制。開啟機組時開啟相應機組電動閥。系統(tǒng)啟動時，應先開啟供水設備、水處理設備，再開啟補水設備，補水完成后，開啟循環(huán)泵，待循環(huán)流量達到機組的要求后，開啟機組。關閉順序反之。

運行方式選擇：本系統(tǒng)設有集中控制和就地控制兩種方式。集中控制又分為聯(lián)鎖自動、聯(lián)鎖手動和手動三種方式，其中聯(lián)鎖自動用于正常生產，自動時，系統(tǒng)各設備按程序自動啟停；聯(lián)鎖手動時，需按各設備間的聯(lián)鎖關系，通過計算機界面啟停。手動和就地時沒有聯(lián)鎖關系，只用于檢修和調試。

4.2 分季節(jié)運行方案 ①冬季供暖季，運行乏風采熱系統(tǒng)水源熱泵機組工作向工廣建筑和井口供暖，另取部分熱能供洗浴用水，壓風機取熱系統(tǒng)運行供洗浴用水。②夏季供冷季，運行乏風采冷系統(tǒng)水源熱泵機組向工廣建筑和井口供冷，另取部分熱能供洗浴用水，壓風機取熱系統(tǒng)運行供洗浴用水。③春秋（非供暖、供冷）季供暖季，乏風采暖系統(tǒng)水源熱泵機組停運，只運行壓風機取熱系統(tǒng)供洗浴用水，不足部分運行空氣源熱泵進行補充。

5 主要裝機設備及系統(tǒng)概況

所選設備均為能耗指標先進的節(jié)能產品，如選用能效比高的變頻降膜式螺桿水源熱泵機組。熱水和熱源循環(huán)泵均采用變頻啟動、調速控制，使水泵的設備功率輸出，隨系統(tǒng)所需水量的變化而變化，使其始終在高效區(qū)運行。

6 采用的運行模式

①冬季供暖費用：冬季供暖期為120天，水源熱泵機組輸入功率為306.4kW。2臺熱泵機組冬季運行24小時/天，滿負荷運行折算系數(shù)取0.6。循環(huán)水泵等其他設備功率按熱泵機組輸入功率的30%計算，電費0.65元/度，則冬季水源熱泵運行費用為：306.4×120×24×0.6×0.65×1.3×2=89萬元。②熱泵機組制備洗浴熱水年運行費用：制洗浴熱水熱泵功率86kW，機組每天運行16小時。循環(huán)水泵等其他設備功率按熱泵機組輸入功率20%計算，電費0.65元/度，全年熱泵機組運行費用：86×16×245×0.65×1.2=26萬元；新系統(tǒng)年運行費用：89+26=115萬元。本項目礦井單位不作任何投資，不承擔建設和運行風險，采用合同能源管理模式運作，承包運行六。期間礦方只需每年將節(jié)約的原來的運行費用按適當比例和年限劃撥給投資方即可，所有的投資、管理、設備維護、系統(tǒng)運行都交由投資方即可，礦方只享受服務，不用參與任何事情。第七年各項投資產權礦方。

7 主要創(chuàng)新點

①本項目中涉及一種風塔換熱裝置，具體為一種礦井排風風塔二相流體高效逆流混合換熱系統(tǒng)。解決了目前礦井排風換熱技術換熱效率低、飄水率高、建設成本高的問題。②本項目中涉及空壓機高效油-水換熱系統(tǒng)技術，解決了系統(tǒng)面臨的管道結垢、換熱效率低、清洗維護困難的問題。③系統(tǒng)春秋兩季提取生活中水的熱量制備洗浴熱水，達到廢水利用，節(jié)能環(huán)保的目的。該技術2017年8月開工，11月15日運行，應用完成后年節(jié)約資金100萬元，并且徹底解決燃煤鍋爐問題，節(jié)能量1365噸標準煤/年，減少二氧化碳排放3412噸/年，減少碳排放928噸/年，減少二氧化硫排放102噸/年，減少氮氧化物排放51噸每年，產生良好的社會效益。

參考文獻：

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