某高寒高海拔銅礦井口防凍加熱系統(tǒng)設(shè)計

張繼業(yè)

（1．河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2．中國恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038 ）

1 高海拔礦山條件

《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016～2020年）》中規(guī)劃建設(shè)103個能源資源基地，劃定了267個國家規(guī)劃礦區(qū)，部分礦山分部在西藏、青海、新疆、云南這些高海拔省份。例如云南迪慶州普朗銅礦礦區(qū)海拔高度3600m～4500m；西藏昌都市玉龍銅礦礦區(qū)海拔高度4560m～5124m，西藏拉薩市驅(qū)龍銅礦區(qū)海拔高度4350m～5407m。復雜多樣的高原地理氣候環(huán)境（氣壓低、含氧量少、氣候寒冷、溫差大），極大的影響和制約高海拔礦山地下開采生產(chǎn)。同時根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》第 6.4.1.7 條，為保障采礦生產(chǎn)安全，各通風平硐硐口進風溫度須≥2℃，考慮到礦區(qū)冬季漫長嚴寒，礦井進風必須加熱防凍。

例如云南迪慶州普朗銅礦采暖期長達179天，冬季室外溫度長期低于 0℃，礦井平均進風干球溫度-12℃，主要運輸平硐巷道頂?shù)装彘L期有地下水滲出，進洞 200m 內(nèi)如不進行供暖加熱，巷道頂?shù)装彘L期處于冰凍狀態(tài)，影響礦山正常生產(chǎn)。

2 礦井加熱技術(shù)現(xiàn)狀

礦井井筒防凍加熱技術(shù)在煤礦中應(yīng)用較為廣泛，傳統(tǒng)的加熱技術(shù)為用熱源通過換熱器將進風空氣溫度提高到2℃以上，保證礦井防凍效果。熱源可由已煤炭、油、燃氣為燃料的鍋爐房提供，亦可用電能直接供熱提供。鍋爐系統(tǒng)初投資較大，管理、運行、維護費用較高，而且燃燒也會對環(huán)境造成污染。

根據(jù)國家能源政策、節(jié)能標準一貫的指導方針，具有工業(yè)余熱和區(qū)域供熱作為熱源時應(yīng)優(yōu)先采用。礦井通風系統(tǒng)的風流沖洗井下工作面后將有毒有害氣體由回風井巷排出，同時也將井下人員、機具作業(yè)產(chǎn)生熱量以及井巷巖壁積蓄的低溫熱能排出[1，2]。通過回風源熱泵技術(shù)回收這部分低溫熱能來加熱水，儲存熱量可以循環(huán)利用，也是國家大力提倡的節(jié)能方式，以其低耗、易維護等優(yōu)點得到了一定的推廣。

在高寒高海拔礦山，由于氣壓低、含氧量少，以煤炭、油、燃氣作為燃料的礦井加熱方案并不經(jīng)濟適用，只能選擇以電加熱、回風源熱泵提供能量的加熱方式。

3 某高寒高海拔銅礦礦井井口加熱系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計條件

（1）礦井通風系統(tǒng)概況。該礦采用平硐開拓膠帶運輸，中段采用有軌運輸，自然崩落法開采，設(shè)計開采規(guī)模1250萬t/a。根據(jù)該礦通風系統(tǒng)的特點，設(shè)計采用多級機站通風方式，總需風量為647m3/s。新鮮風流經(jīng)3850m風平硐、3600m進風平硐、3660m有軌運輸平硐和3720m無軌平硐進入井下，由輔扇和通風構(gòu)筑物負責分配風流，污風經(jīng)3700m回風平硐、南回風井和3540m膠帶運輸平硐排出地表[2]。通風系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

根據(jù)在Ventsim VisualTM軟件中，將系統(tǒng)風機參數(shù)、通風構(gòu)筑物、通風監(jiān)測點與礦山實際進行解算，各硐口滿負荷工況最大風量見表1。

（2）經(jīng)查詢銅礦所在地區(qū)氣象資料，該礦區(qū)冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度為-8.6℃，相對濕度60%，極端最低溫度平均值-27.4℃。實際測定冬季礦井進回風參數(shù)平均溫度為8℃。

圖1 通風系統(tǒng)示意圖

表1 各硐口滿負荷風量

（3）井口加熱需熱量計算。為滿足冬季進風溫度高于2℃，需通過井口加熱器對進入井口的空氣（室外溫度計算值取-12℃，相對濕度60%）進行加熱，運用礦井井口加熱量計算公式[3]計算各進風井口防凍加熱所需熱量見下表：

公式中：Q——進風所需加熱熱量， kw；

α——熱量損失系數(shù)，井口房不密閉時，α=1.05～1.10

Th——冷、熱風混合后空氣溫度，取2℃；

Tw——室外平均冷風進風溫度，取-12℃；

V ——進風風量，m3/s；

Cp——空氣定壓比熱，Cp=1.01kj/kg·℃

ρ——空氣密度，kg/m3；

表2 進風加熱需熱量表

故為滿足礦山井口防凍需求，在空氣調(diào)節(jié)室外平計算溫度為-12℃時將進風溫度加熱到2℃，礦山井口總加熱量為8555kw。

（4）回風井口可提取熱量核定。經(jīng)實測未加熱前3700m回風平硐及南回風井回風空氣平均密度為0.851 kg/m3，干球溫度為8℃，相對濕度60%；如運用回風源熱泵技術(shù)回收此部分低溫余熱，機組排出回風溫度為1℃，相對濕度95%?？刹榈么诉^程焓差為：7.6Kj/kg。

回收回風熱量可根據(jù)公式[4]：

式中：Qh——回收熱量，kw；

△i——焓值差，kj/kg；

ρ——空氣密度，kg/m3；

V ——回風風量，m3/s；

根據(jù)熱泵機組選型參數(shù)COP取計算值為3.57，則機組可提供的高位熱能為：

根據(jù)上式計算各個回風出口可提取熱量為：

表3 不同回風出口可提取熱量表

3.2 礦山井口加熱系統(tǒng)設(shè)計

由于礦區(qū)所在區(qū)域地處高海拔，環(huán)保要求高，且無煤炭、燃油、燃氣等能源條件，可供使用能源僅為電能。為達到節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念，根據(jù)礦山實際通風網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)布置位置，方案設(shè)計主要采用在回風井設(shè)置回風源熱泵機組回收回風余熱，通過熱水循環(huán)泵和熱水管網(wǎng)將熱量輸送至進風硐室，通過水-空氣換熱機組對進風進行預熱，設(shè)置軟水裝置和定壓補水裝置。熱泵機組不足熱量采用電加熱器補足。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 回風源熱泵機組加熱系統(tǒng)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)計為：

（1）3850m進風斜坡道與南回風井結(jié)合設(shè)置一套獨立的空氣源熱泵預熱系統(tǒng)：此兩處進回風硐口位于礦體南側(cè)山坡，距離較近。為提取南回風井回風余熱量，選配MAS130型風冷螺桿熱水機組5臺（制熱量510kw），MAS90型風冷螺桿熱水機組1臺（制熱量350kw），加熱循環(huán)水系統(tǒng)，供回水溫度50℃/45℃輸送至3850進風斜坡道；在3850m進風斜坡道井口設(shè)置水空氣換熱器（單臺供熱量690kw），不足熱量由電加熱器補足。

熱泵機組系統(tǒng)裝機功率為967kw，電加熱器500kw，合計1467kw，可節(jié)約加熱能耗2066kw。

（2）3600m進風平硐與3700m回風平硐結(jié)合設(shè)置一套獨立的空氣源熱泵預熱系統(tǒng)：此兩處進回風硐口位于礦體北側(cè)山坡，距離較近。選配MAS130型風冷螺桿熱水機組3臺（制熱量510kw），MAS90型風冷螺桿熱水機組1臺（制熱量350kw）提取3700m回風平硐回風余熱量，3600m進風平硐設(shè)置3臺水空氣換熱器（單臺供熱量630kw），不足熱量由4臺電加熱器補足；熱泵機組系統(tǒng)裝機功率為650kw，電加熱器功率2000kw，合計2650kw，可節(jié)約加熱能耗675kw。

（3）3720m無軌平硐及3660m有軌運輸平硐由于布置在礦體西側(cè)，距離其它硐口較遠，分別設(shè)置電加熱空氣預熱機組對進風加熱；

（4）3540m膠帶運輸平硐由于可回收熱量較小，且與其它硐室距離較遠，從經(jīng)濟角度考慮，不布置余熱回收。

（5）控制系統(tǒng)：在室外、進風硐口、回風硐口設(shè)置溫度監(jiān)控測點，通過PLC對熱泵機組及電加熱器集中控制，根據(jù)進風溫度變化進調(diào)節(jié)風井口加熱器開啟數(shù)量，來保證進風溫度維持在2℃以上，防止結(jié)冰。

4 設(shè)計方案運行費用分析

根據(jù)以上設(shè)計方案，將3850m進風斜坡道井口加熱能耗由約3533kw降低至1467kw，3600m進風平硐井口加熱能耗由約3325kw降低至2650kw。按照冬季每天運行10小時，每年運行100天計算，年節(jié)省電量可節(jié)省289萬KWh，按0.35元/KWh的工業(yè)用電電費計算，每年可節(jié)省運行電費101.15萬元。

由于空氣源熱泵熱泵運行幾乎不需要維護、值守，每年可節(jié)省設(shè)備維護成本約10萬元，人工成本16萬元。

5 結(jié)論

（1）項目設(shè)計對礦井井口加熱熱量和回風余熱提取熱量進行了解算，提出了井口加熱防凍系統(tǒng)方案；

（2）項目設(shè)計有效的解決了高寒、高海拔礦山供熱形式單一、供熱熱效率的難題，采用回風源熱泵技術(shù)回收礦井回風低焓熱能，用于井口防凍和空氣預熱，節(jié)約了大量能源，減少排放，是綠色礦山建設(shè)的一個方面。

（3）本項目為高寒高海拔有色金屬礦山，有獨特的地理及區(qū)位優(yōu)勢，經(jīng)濟和社會效益明顯，可在類似條件下推廣應(yīng)用。