礦井回風余熱水源熱泵系統在梧桐莊礦的應用

文/趙和凡 田昌軍

礦井回風余熱水源熱泵系統在梧桐莊礦的應用

文/趙和凡 田昌軍

礦井回風換熱與地源熱泵技術相結合所產生的礦井回風熱能利用技術，能有效降低礦區生產耗煤量，實現產煤不用煤的低碳運行目標，是一項綠色環保、高效節能的實用新技術。但對于中大型礦井來說，礦井排水熱能利用受礦井排水的水量、排水的穩定性、礦井水水質等因素的制約，供熱可靠性較差。同時，礦井回風風量大、風速高，在不改變擴散塔斷面尺寸的條件下很難進行礦井回風的熱能提取。因此，進一步深入研究和開發大容量、高效率礦井回風余熱水源熱泵系統，符合貫徹科學發展觀和構建和諧社會的需要，也為建設綠色礦山提供了有利的條件。

一、礦井回風余熱水源熱泵系統的原理與設計

1.熱泵技術原理

熱泵技術是利用制冷系統蒸發換熱裝置將淺層低溫熱能(包括地表土壤、淺層地下水、工業廢水、礦井排水、礦山排風等蘊藏的低品位熱能)提取出來，在消耗較少的高品位（機械能、電能、高溫水等）能量情況下，通過冷凝裝置制取溫度較高的介質，獲得更多的高品位能量。使低品位（溫度較低的地熱、工業排水熱）能源得到充分利用。熱泵熱回收系統可實現向建筑物冬季供暖、夏季供冷、常年提供衛生熱水的功能。熱泵熱回收系統供熱系數＞1，其中常用的水源熱泵是熱泵的一個分支，是空調系統中能效比（COP值）較高的制冷與制熱方式，理論計算COP可達到7，實際運行一般為4～6。

2.礦井回風余熱水源熱泵系統的設計

設計礦井回風余熱水源熱泵系統，首先需要掌握礦井回風參數，即冬夏季的排風溫度、相對濕度、空氣成分、排風量、通風系統總阻力及通風機參數等。根據回風參數，才能確定設計方案、分析計算回風余熱量及熱回收系統的換熱效率，才能確定換熱器設備及系統裝置。

梧桐莊礦根據礦井排風參數及特點采用了熱泵原理所設計的礦井回風余熱水源熱泵系統（如圖1所示）。該系統主要由井口回風熱回收換熱及收集系統,熱回收介質收集池及加壓泵系統，熱回收介質凈化處理裝置，熱泵機組、熱量輸出系統，水處理及補水系統等五部分組成。

圖1 礦井回風余熱水源熱泵系統示意圖

基本流程為：礦井回風余熱水源熱泵系統采用導風管道將擴散塔出口的排風流向轉為水平方向流動流入回風換熱裝置內，并與噴淋霧化水熱質交換實現換熱，礦井回風被冷卻降溫，噴淋水吸收回風熱量溫度升高，落入換熱器的集水槽內，匯集至落水管道流回至水池熱水區，換熱器流回的熱水經水泵加壓輸送至機房熱泵，被熱泵提取熱量后，流至水池冷水區，經換熱器循環水泵加壓輸送至換熱器霧化噴淋繼續吸收熱量完成換熱循環。

二、實施礦井回風余熱水源熱泵系統的工程實例及效果

1.梧桐莊礦礦井回風可用余熱調研

梧桐莊礦為熱水型高溫礦，井下排水、巷道和圍巖均可向空氣散熱，加之大容量的機電設備散熱，礦井排風中含有大量余熱量，可以用作熱泵機組的低溫熱源。為獲得實際運行中最低排風溫度及最小可提取熱量，須在冬季最冷月進行排風監測。據監測數據顯示，在較冷月份，排風量基本穩定在231m3/s，溫度在20.5℃左右，可提取的熱量為10146.5kW左右，經熱泵加熱后供熱熱量13528.7kW。由于生產礦井排風不能間斷，因此礦井排風含熱量較大且穩定，可實現連續為熱泵系統提供熱量，具有較高的穩定性和可靠性。

2．工程概況

梧桐莊礦在一期設計中采用了礦井排水、奧灰水向熱泵系統提供熱量，替代了鍋爐房為廣場供熱，但由于礦井排水流量穩定性和奧灰水系統的可靠性較差。因此，在實施二期工程時，增加了礦井回風余熱水源熱泵系統，以提高原水源熱泵系統的供熱能力、系統運行穩定性和可靠性。

經過設計，回風換熱器換熱量10068kW，處理風量300m3/s，供熱能力≥13423kW，換熱循環水泵4臺（實際臺數可按需開啟），每臺流量350m3/h，揚程40m，熱泵機組供水循環水泵4臺（三用一備），每臺流量270m3/h，揚程25m。經現場實施，建立礦井回風余熱水源熱泵系統。

3.工程實施效果

利用回風換熱系統換熱循環水向熱泵機組提供余熱量，當前回風余熱水源熱泵系統主要滿足1#和2#主井防凍加熱需要。。

將回風源換熱系統與熱泵制熱系統運行監測的部分數據按運行延續時間整理成分布圖，根據測試的基本數據可見，礦井排風溫度基本穩定在23℃左右、提供余熱量穩定，回風換熱器換取循環水溫度約為20℃。室外氣溫在-2.5℃以上，熱泵機組負荷能力75%時，采暖供水溫度最低約為46.2℃以上、最高50.1℃，機組最高可達到51.6℃（減載條件），供回水溫差約為6.5℃；蒸發器出水溫度12℃、進出水溫差約為4.3℃；供1#、2#主井加熱器、加熱器出風溫度與回水溫度差約為6℃左右，最低出風溫度33℃以上。為原有熱泵系統補充熱量約為3.2MW，機組蒸發器出水溫度為12℃以上，證明還有大量余熱量可供提取。礦井回風余熱水源熱泵系統有效地補充了水源熱泵系統的供熱能力，提高了供熱系統的穩定性和可靠性。

三、結論

1．供熱穩定性和可靠性較高

為保證礦井安全、人員健康及維持生產需要，必須向礦井連續輸送新鮮空氣，礦井通風經井下巷道和工作面時蓄含了大量余熱。因此，生產礦井排風可連續為該系統提供較大的余熱量，礦井回風余熱水源熱泵系統的供熱穩定性和可靠性較高。

2．易于實現系統自動化管理

礦井回風余熱水源熱泵系統采用大風量高效回風換熱器，換熱效率高、提供熱量大、熱量輸出穩定、可替代礦區鍋爐供熱，且系統主要由機電設備構成，機組成熟、系統簡潔，運行管理操作方便。

3．良好的節能效益

礦井回風余熱水源熱泵系統提取礦井回風中余熱，最大可提供余熱量10MW，經熱泵后供熱能力13.5MW，能滿足梧桐莊礦16MW最大供熱量84%的需求。該系統可替代鍋爐的當量供熱能力約為10MW，假設冬季實際鍋爐熱效率62%，夏季壓火運行熱損失取45%。理論上一個采暖季凈節約標準耗煤量約為5896t、非采暖季將熱泵系統用于制取洗浴熱水凈節約標準耗煤量約470t。據統計1kg原煤=0.7143kg標準煤，則利用回風源熱泵系統每年（扣除耗電量當量耗煤量）凈節約原煤耗量8912t。

4．良好的減排效益

梧桐莊礦應用礦井回風余熱水源熱泵系統可實現供熱能力13.5MW，采暖季可直接減少標準耗煤量約為7703t、非采暖季直接減少標準耗煤量626t，每年合計直接減少耗煤量約8329t（當量原煤耗量11661t/ a）。同時每年可減少污染排放5663t碳粉塵、20764t二氧化碳(CO2)、625t二氧化硫(SO2)、312t氮氧化物(NOX)。并且節省下的燃煤用于電站鍋爐，可實現高效燃燒（效率93%以上）和熱量的綜合梯級利用，大大提高了能源利用效率，具有良好的社會效益。

（作者單位：冀中能源峰峰集團梧桐莊礦）

（責任編輯：周瓊）