口孜東煤礦礦井回風冷熱一體化利用系統(tǒng)設計與應用

蘇 偉

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

近年來，國家陸續(xù)發(fā)布了《大氣污染防治行動計劃》《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》等政策性文件，指出了改善環(huán)境空氣質量和防治大氣污染的發(fā)展戰(zhàn)略，提出了淘汰每小時10蒸噸及以下燃煤鍋爐的要求，明確了發(fā)展清潔供熱的方向。為此，從加強環(huán)保、提效減能等方面考慮，必須對煤礦即將淘汰的燃煤鍋爐熱源進行合理的替換或改造[1，2]。

口孜東煤礦礦井回風冷熱一體化利用系統(tǒng)是為取代現有4臺10t/h燃煤蒸汽鍋爐而建設，該系統(tǒng)為中煤集團新集公司首個大型礦井回風余熱利用工程，具有綠色清潔節(jié)能、污染物零排放等優(yōu)勢。該工程結合口孜東煤礦內、外部清潔能源現有條件，對冷、熱源及供冷、供熱方式進行改造，采取了以礦井回風換熱為熱源的熱泵系統(tǒng)，電鍋爐作為高峰負荷時的輔助熱源，改造后總供熱能力為14MW，供冷能力為6MW。

1 工程現狀

中煤新集能源股份有限公司口孜東煤礦位于安徽省阜陽市潁東區(qū)，口孜東礦南距縣城約20km，西至阜陽市40km，礦井建設規(guī)模為5.00Mt/a，配套建設相同規(guī)模的選煤廠。該礦井原有供熱熱源為場地自建4×10t/h規(guī)模燃煤蒸汽鍋爐房，由于不滿足環(huán)保政策被停用。場地主要熱用戶為井口防凍、洗浴用熱和地面建筑中央空調供暖；中央空調原有冷源為采用燃煤鍋爐房提供蒸汽驅動的5.3MW溴化鋰制冷機房，由于無蒸汽供應而停用。原有冷熱媒均通過室外架空管道輸送，冷熱媒情況見表1。室外空氣計算參數見表2[3]。

表1 場地內現有用戶冷、熱媒參數

表2 室外空氣計算參數

1.1 地面建筑供暖、供冷負荷的確定

根據該礦冷熱源實際使用情況統(tǒng)計，通過現場調研冷、熱負荷情況，同時考慮建筑使用功能和末端供冷、供暖系統(tǒng)狀況，經計算得出供暖熱負荷需求為4669kW，供冷冷負荷需求為5800kW。冷熱負荷計算見表3。

表3 供暖、供冷負荷

1.2 洗浴用熱負荷的確定

根據該礦熱水實際使用情況統(tǒng)計，每天洗浴用水總量約為1300m3，其中900m3為浴室燈房平分三班使用、400m3為公寓24h全天使用。按照上述熱水使用制度，浴室燈房每班使用300m3，每班熱水可加熱時間為6h，即每小時需加熱50m3；公寓為即時平均用熱，每小時需加熱17m3。按照用水溫度45℃與給水全年平均水溫12℃計算，加熱溫差為33℃，即浴室洗浴用熱負荷為1919kW、公寓洗浴用熱為652kW。

1.3 井筒防凍熱負荷的確定

為防止冬季井筒及提升設備結冰，保證礦井安全生產，對井筒進風采取加熱措施。根據《煤炭工業(yè)供暖通風與空氣調節(jié)設計標準》的規(guī)定，按照將井筒335m3/s總進風量由室外極端氣溫平均值-9.8℃加熱至2℃的要求，計算出井筒防凍熱負荷為5639kW。

由于規(guī)范規(guī)定要求的室外計算參數較低，為了提高熱源選型經濟性，分析計算不同室外計算溫度對應的熱負荷，并按照氣象數據集統(tǒng)計的歷年持續(xù)時間計算耗熱量。則井筒防凍熱負荷計算結果見表4[4]。

表4 井筒防凍熱負荷

2 設計方案

2.1 余熱資源

按照目前國家相關政策要求，改造后的冷熱源必須使用清潔能源。目前礦井能利用的清潔冷熱源方式主要有：天然氣鍋爐、蓄熱電鍋爐、太陽能供熱、井下降溫冷凝熱回收、洗浴廢水熱回收、礦井瓦斯余熱利用、礦井回風余熱利用、礦井排水余熱利用等。根據現場實地調研，口孜東礦在燃氣供應、電力供應、場地條件、瓦斯穩(wěn)定性、井下降溫冷凝熱、礦井排水量等方面的內外部資源條件均存在不足，無法采用，具備實施條件的為礦井回風余熱冷熱源一體化利用系統(tǒng)。

口孜東礦開采面深，井型大，通風線路長，為高溫熱害礦井。出于安全生產的要求，礦井正常生產過程中，礦井要不斷的向地面連續(xù)排出大量穩(wěn)定的礦井回風。在冬(夏)季，礦井回風與地面大氣存在溫差，回風中蘊藏的大量低溫余熱(冷)能直接排放導致大量的低溫余熱(冷)資源浪費。為此，利用熱泵技術，提取礦井回風流中的能量，作為礦井的冷熱源具備切實的可行性。

為保證回風余熱資源計算準確，在2017年采暖季的最冷天對該礦回風井風溫參數進行了12h檢測，數據如圖1所示。根據圖1可知，即使在當地氣象參數最冷天，礦井回風溫度也穩(wěn)定在18℃以上，可以此為基準計算最不利供熱工況下的回風余熱量，夏季回風溫度參數較為穩(wěn)定，經測試穩(wěn)定在28℃左右，詳細余熱余冷計算參數見表5。

圖1 最不利日12h回風溫度參數監(jiān)測圖

表5 最不利回風余熱量計算表

2.2 回風余熱利用系統(tǒng)原理

礦井回風熱能的利用關鍵是回風熱能的提取，根據該礦回風的取熱焓差計算結果，采用噴淋式換熱熱泵技術進行余熱利用[5，6]。該技術通過礦井回風熱交換器在改造后的回風換熱塔內造就一個水霧空間，實現將礦井回風中蘊含冷熱能通過噴淋換熱方式遷移到熱泵機組的循環(huán)水里面，循環(huán)水作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源。冬季制熱工況時，熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量，循環(huán)水溫度降低，降溫后的低溫冷水在回風換熱器中噴淋吸收回風中的熱能，吸收熱能后水溫升高返回機組為熱泵機組提供熱源；夏季制冷工況時，熱泵系統(tǒng)向循環(huán)水釋放熱量，循環(huán)水溫度提高，升溫后的高溫冷卻水在回風換熱器中向回風釋放熱能，釋放熱能后的水霧降溫后返回機組為熱泵系統(tǒng)提供冷源；整個系統(tǒng)如此循環(huán)往復。

2.3 系統(tǒng)流程設計

回風余熱利用工藝由能量收集系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)、熱源水及熱(冷)水管道系統(tǒng)、井口加熱系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及土建配套系統(tǒng)等組成。供熱系統(tǒng)主要工藝流程為：被熱泵機組提取熱量后的5℃左右的冷水，進入能量收集系統(tǒng)中的噴淋換熱器，與回風進行熱交換，水溫上升至17℃左右，落入能量收集系統(tǒng)中的積水槽后自流進入集水池，再利用循環(huán)水泵輸送至機房，經水處理后進入熱泵系統(tǒng)提取熱量，提取過熱量后的水再重新進入能量收集系統(tǒng)循環(huán)使用，當遇到極寒天氣時，啟動輔熱系統(tǒng)進行熱補充。制冷系統(tǒng)主要工藝流程為：被熱泵機組釋放熱量后的37℃左右的冷卻水，進入能量收集系統(tǒng)中的噴淋換熱器，與回風進行充分的循環(huán)熱交換，溫度降低為32℃左右，進入能量收集系統(tǒng)中的積水槽，自流進入集水池，再利用循環(huán)水泵輸送至機房，經水處理后進入熱泵系統(tǒng)吸收熱量，吸收熱量后的水再重新進入能量收集系統(tǒng)循環(huán)使用，系統(tǒng)內還設有冷卻塔作為備用冷卻散熱設施。系統(tǒng)內的主要工藝原理如圖2所示，主要工藝流程如圖3所示。

圖2 主要工藝原理圖

圖3 主要工藝流程圖

1)建設規(guī)模。根據前文的計算結果，考慮到管網損失系數1.1，則回風余熱利用系統(tǒng)需要承擔的熱負荷為14.1MW，冷負荷為5.98MW。根據回風余熱量11.3MW和熱泵系統(tǒng)供熱COP為4，計算得知，回風系統(tǒng)的可供熱量為15MW，可以完全滿足熱負荷需求。由于井筒防凍負荷計算依據為當地最低溫度平均值，其最大負荷的持續(xù)時間較短，為了提高經濟性降低設備投資，熱泵系統(tǒng)按照2×1.3MW+4×2.8MW配置，其供熱量為13.8MW滿足全礦高峰供熱需求，另配備0.81MW的電熱鍋爐作為補充熱源滿足尖峰供熱需求；熱泵系統(tǒng)在夏季投入部分機組進行制冷工況運行，其供冷能力3×2.0MW滿足供冷需求。

2)能量收集系統(tǒng)。能量收集系統(tǒng)通過回風換熱器提取礦井回風中的熱量作為熱泵系統(tǒng)的熱源。在回風井擴散塔出風口位置上方新建鋼結構平臺，平臺上新設鋼風道與原擴散塔風道對接，設計采用18臺回風換熱器放于風道出口，風道底部設有120m3取熱集水箱?；仫L換熱器單臺取熱量0.65MW，合計取熱能力為11.7MW。風道及回風換熱器全套收集系統(tǒng)對礦井現有主通風機增加的風阻不超過80Pa，不影響礦井通風系統(tǒng)的正常運行。同時收集系統(tǒng)安裝設備牢固且無電動設備，不影響回風中瓦斯氣體的安全排放及通風系統(tǒng)反風要求，完全滿足回風井口的安全要求。

3)熱泵系統(tǒng)。由于業(yè)主單位對熱泵機組的噪聲和調節(jié)性能要求較高，系統(tǒng)選用2臺1.3MW供熱量的螺桿型熱泵機組滿足全年全部洗浴用熱需求；選用4臺2.8MW供熱量的螺桿型熱泵機組滿足供暖全部負荷和井口防凍基本負荷，其中3臺機組夏季運行總供冷量6.0MW，滿足供冷需求。系統(tǒng)通過制冷工質的相變作用冬季將低溫水中的熱量轉化為50℃熱水，夏季將12℃冷水降至7℃，供末端設備使用。在擴散塔附近新建熱泵機房一座，建筑軸線尺寸為35m×21m，內設熱泵間、鍋爐間、水泵間、低壓配電室，二層設高壓配電室、值班室、監(jiān)控室、備品備件室，熱泵間屋頂布置3座橫流式冷卻塔作為備用冷卻裝置。

4)補熱系統(tǒng)。在熱泵機房內設置一臺供熱量為0.81MW的電熱水鍋爐，并配置換熱器、水泵等設備，當遇到極端天氣時作為井筒防凍的輔助熱源，保證井口不結凍，確保煤礦的安全生產。

5)井口加熱系統(tǒng)。現有井口防凍設備為自然對流式加熱器，在熱源改造后已無法滿足防凍需求，應進行拆除改造。設計采用10臺強制循環(huán)式井口空氣加熱機組，為提高混風效果，換熱后的空氣在井口房與井筒進風進行混合[7-10]。冬季，機組可保證井口混風溫度大于2℃，滿足安全生產要求。夏季，機組也可作為井口房溫度調節(jié)設施，改善下井工作人員等候時的環(huán)境條件。主井井口加熱室利用原空氣加熱室進行擴建，擴建后建筑平面尺寸為21m×11m，在副井井口房旁新建井口加熱室一座，建筑平面軸線尺寸為24m×6m。

6)室內末端系統(tǒng)。該系統(tǒng)室內空調末端采用原有空調系統(tǒng)設有的風機盤管末端。

7)水處理系統(tǒng)。包括管道、管件及水處理設備，噴淋換熱回水水處理設備為沉淀水箱、旋流除砂器，系統(tǒng)循環(huán)水水處理設備為鈉離子交換器、全自動過濾器，洗浴熱水水處理設備為防結垢硅磷晶罐等。

3 應用效果

該系統(tǒng)經過在口孜東煤礦的實施運行，有效的解決了燃煤鍋爐拆除后的清潔冷熱源供應問題，應用效果較為理想。

1)冷熱源均采用清潔能源，符合綠色環(huán)保政策。通過使用熱泵技術提取礦井回風余熱資源，供熱供冷過程中不消耗任何化石燃料，從根本上取消了廢氣、廢水、廢物的排放，完全符合國家環(huán)保和清潔供暖政策。通過對礦井回風余熱資源的使用也屬于礦井資源的綜合利用，對礦井綠色礦山建設創(chuàng)造了條件。

2)礦井回風熱資源穩(wěn)定可靠，確保冷熱源安全生產。冷熱源的安全生產影響著礦井的安全生產，冷熱源的可靠供應嚴重依靠主要燃料的供應。該系統(tǒng)主要能源來自礦井生產的副產物礦井回風，屬于礦井內部資源。根據礦井生產特性，該資源穩(wěn)定可靠，避免了外部燃料短缺帶來的影響。

3)冷熱源一體化設置，技術先進，節(jié)約投資。系統(tǒng)通過設置同一套冷熱一體化熱泵裝置，通過冬夏季的切換，即可滿足口孜東礦的供熱、供冷需求。當井下存在熱害時，該系統(tǒng)還可利用井口防凍設備在夏季制備冷風，降低井下熱濕環(huán)境。相較于傳統(tǒng)冷熱源分別設置的系統(tǒng)，冷熱源一體化設備利用率高，投資降低1500萬元[11-14]。

4)項目運行后供熱及制冷的實測數據見表6。項目測試基于冬季測試期間礦井排風溫度穩(wěn)定在18℃，室外空氣干球溫度5.5℃；夏季測試期間礦井排風溫度穩(wěn)定在28℃，夏季室外空氣干球溫度35℃。

4 成本及效益分析

口孜東煤礦工業(yè)場地現有燃煤鍋爐房1座，鍋爐房建有4臺SZL10-1.25-AⅡ型燃煤蒸汽鍋爐，及一座2臺2800kW溴化鋰機組制冷機房。項目實施后采取了規(guī)模為：2臺1.3MW、4臺2.8MW熱泵機組，及1臺810kW電熱水鍋爐，并同時可取代原有的溴化鋰制冷機房冷源。項目靜態(tài)投資5千萬元，年消耗用電量約為900萬kW·h，折標煤約1100t，電氣安裝容量總計約5000kW，新增建筑面積1200m2，年能源消耗費用約600萬元。項目實施后每年可減少礦區(qū)燃煤蒸汽鍋爐燃煤量13512t，減少煙塵排放量422.9t，減少SO2排放53.90t；減少NOx排放22.01t。

表6 項目實測數據

5 結 語

口孜東礦清潔地面冷熱源工程，采用了較為先進的冷熱源一體化熱泵回收系統(tǒng)，設備通過熱泵技術回收礦井回風熱資源，冷熱源供應可靠性高。作為煤礦生產的副產物礦井回風，對其充分、合理、高效的綜合利用是綠色礦山建設內容之一，同樣也只有通過合理利用工藝，才能保證優(yōu)質資源的高效利用。該系統(tǒng)的設置符合相關環(huán)保、節(jié)能政策，對未來礦井清潔冷熱源的設計和綠色礦山建設有一定的借鑒意義。