高溫礦井低品位余熱綜合利用技術研究

亓玉棟,程衛民，于巖斌，潘 剛

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000；3.山東科技大學礦山災害預防控制重點實驗室，山東 青島 266590)

高溫礦井低品位余熱綜合利用技術研究

亓玉棟1,2,程衛民3，于巖斌3，潘 剛3

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000；3.山東科技大學礦山災害預防控制重點實驗室，山東 青島 266590)

本文基于對山東唐口礦井原冬季供暖系統、夏季降溫系統及礦井排水、洗浴排水與乏風排放的研究，結合該礦實際，提出了高溫礦井各類低品位熱能的集成利用技術和系統。提出利用熱泵技術，冬季可實現對礦井排水、洗浴廢水、乏風排放所含低品位熱能的回收利用，夏季可實現對降溫設備冷凝熱的回收；利用太陽能集熱器，全年可實現對太陽能的熱利用；同時該系統可實現對礦井排水的凈化回用及乏風的噴淋凈化，滿足礦井常年洗浴用熱及夏季降溫、冬季地面供暖及井口房風流加熱的要求；實現各類低品位熱能的集成利用和礦區污水及礦塵的低排放，可取代傳統的地面鍋爐供熱，降低常規能源消耗和礦井用水抽采量。

余熱；高溫礦井；綜合利用；節能

煤炭是我國的主要能源，在一次能源構成中約占70%[1]，煤炭企業作為能源生產單位同時消耗大量能源并排放大量的廢水、礦塵等。如表1為煤炭企業生產過程中消耗的部分資源，表2為煤炭企業排放的部分廢物，可以說煤炭企業是一高能耗和高排放行業[2-4]。從礦井熱能利用角度考慮：冬季礦井排放的廢水、乏氣含有大量低品位熱能，夏季礦井降溫系統排放大量冷凝熱；冬季井口風流預熱及地面洗浴中心常年消耗大量熱能(該熱能主要由地面燃煤鍋爐提供)，因此如何結合礦區各類耗能與低品位熱能排放特點，根據礦區輔助建筑物的布置，對各類低品位能量進行綜合集成利用并對乏風及排水進行凈化處理，是建設綠色礦山與實現節能減排和低品位熱能合理利用的關鍵，本文以山東唐口礦井為例進行礦井低品位熱能與礦井排水綜合利用方案的研究。

表2 煤礦企業部分排放物

1 唐口礦井原能量利用系統

唐口礦井地處魯西南地區，采深1000m，為一高溫礦井，礦井需風量250m3/s?，F有職工3200余人，地面辦公建筑、機械加工車間及輔助用房2.5萬m2，礦區職工公寓建筑面積10萬m2。為治理礦井熱害，改善礦井熱濕環境，礦井采用冰制冷降溫系統；為改善地面辦公環境，地面辦公建筑及井口輔助用房均安設了中央空調；為保證冬季井口風流溫度不低于2℃，冬季利用鍋爐作為熱源對井口風流進行預熱，同時向地面附屬建筑及職工公寓進行供暖。該礦原采用的技術方案如下所示。

1.1 夏季降溫系統

礦井降溫采用冰冷卻空調系統，制冰用水采用約15℃深井水，經兩級預冷機組串聯冷卻至5℃后進入制冰機組制冰；地面采用中央空調，其降溫系統原理如圖1所示(作為示意，并聯設備圖中僅畫出一臺)，主要設備參數見表3[5]。由該表可知，降溫系統全部投入運行時通過冷卻塔或蒸發式冷凝器排放給大氣的冷凝熱為13406kW。地面建筑用空調制冷機組與礦井降溫設備均設于一單層鋼結構制冷機房內，機房占地面積850m2，高8m。

表3 降溫系統主要設備參數

1.2 冬季供暖系統

1.3 礦工洗浴及洗衣房耗熱

該礦現有職工3200余人，礦工洗澡用熱水由15℃深井水經兩臺熱水鍋爐加熱至水溫60℃后送至礦洗浴中心，熱水水溫由個人自行調控，可按水溫40℃計算，日用水量200m3。洗浴用水具有明顯的周期性，職工升井后用水量較大，其他時段用水量較?。焊叻迤谠O計用水量80L/s(折合耗熱量8.4MW)，每天耗熱量為21000MJ，平均為0.24MW。洗衣房熱水用量均勻，水溫60℃，用水120m3/d(折合耗熱量22680MJ/d，平均供熱量0.26MW)。洗浴中心與洗衣房平均耗熱量為0.5MW，峰值耗熱量8.66MW。洗浴中心與洗衣房及礦燈房設置于井口房附近，占地面積約1700m2。

由以上分析可得，該礦冬季地面附屬建筑采暖耗熱量、井口房風流加熱、洗浴中心等總平均耗熱量約12.6MW，峰值耗熱量約20.7MW。

1.4 礦區用水情況和污水、乏風排放

根據唐口礦提供的統計數字，該礦各類耗水量如表4所示，礦區排水與乏風排放參數如表5所示。由表4、表5可以得出，該礦耗水量和排水量都非常高。而礦井乏風的直接排放，因乏風中的大量礦塵隨風擴散，使礦區附近居民及礦區辦公建筑，很少開窗通風及在室外晾曬衣物。

圖1 夏季降溫系統原理圖

表4 原唐口煤礦耗水量統計數據

用途用水量井下用水4000m3/d洗浴中心及洗衣房用水320m3/d制冷機房冷卻水補水500m3/d地面沖廁用水①200m3/d礦區生活耗水①200m3/d地面綠化用水②24m3/d合計5244m3/d

注：①礦區職工公寓、辦公樓及附屬建筑生活日用水量約400m3/d，沖廁及其他生活用水各按一半取值；②因地面綠化用水缺乏統計數字，根據《建筑給水排水設計規范》中對小區綠化、道路噴灑用水定額推薦值估算所得。

1.5 原系統存在問題的分析

由上面的分析可知，礦井夏季降溫與冬季供暖系統及礦井污水和乏風排放過程中，其能量利用不合理并影響了礦區周邊環境。其存在的主要問題為：①系統能量利用不合理：冬季礦井風流預熱、地面建筑采暖及洗浴用熱均采用鍋爐作為熱源，而夏季降溫期間制冷機組的冷凝熱、冬季礦井排水與乏風所含大量低品位熱能均未加利用白白排放，一方面礦區用熱消耗了大量常規能源，并加重了礦區附近環境污染；②礦區水資源利用不合理：地面生活熱水、沖廁、綠化及井下降溫和施工作業等用水全部采用深井水，而礦井排水僅不足1/3用于洗煤，其余全部排放，不僅造成水資源的浪費，同時地下水資源的過度抽采和大量排水對礦區周邊水資源破壞嚴重；③礦井乏風直接排放對礦區附近的大氣環境造成嚴重影響。因此，原系統在能源利用、水資源利用與排放及大氣環境等方面均存在不足。為提高能源和排水利用率，實現低排放和能量的梯級、合理利用，本文進行以下研究。

在研制過程中，項目團隊攻克了在超高溫液態鋰工質環境下裝置的結構應力協調、浸入式測量與流動穩定性控制等難題。目前，該回路已經開展了系列高溫難熔合金在1 400 ～1 500 K溫區流動鋰環境中的抗腐蝕性能研究實驗，高溫運行性能達到國際領先水平，為超高溫液態鋰與結構材料的相容性等研究提供了重要實驗平臺。

表5 礦區污水、乏風的排放數據

注：冬季外界氣溫低，相對于冬季的大氣低溫礦區排水與乏風所含的低品位熱能也是一種寶貴的能源，因此僅注明冬季溫度。

2 能量綜合利用方案技術分析

針對礦井冬季排水與乏風排放所含有的低品位熱能及夏季降溫系統排放的大量冷凝熱，提出利用熱泵機組進行回收利用；同時在井口房及制冷機房房頂布置太陽能集熱器，并對各類排水進行分類處理和合理回用，以實現對低品位熱能和排水的回收利用，降低常規能源及深井水的抽采量。

2.1 冬季礦井能量供應方案

為綜合利用礦井所排放的低品位熱能，提出了圖2所示的冬季能量供應系統，利用熱泵機組分別對礦井排水、洗浴廢水和礦井乏風所含低品位熱能進行回收利用[6-7]，同時在地面井口房樓頂、制冷機房房頂安設太陽能集熱器，以盡可能充分利用太陽能。

由圖2可知，該系統主要包括礦井排水、洗浴排水及乏風低品位能量回收系統，其流程見圖3～5。

如前文所述，冬季礦井排水水溫27±1℃，考慮沉淀過濾池等的散熱，其溫度按26℃計算，經板式換熱器后水溫變為16℃，不考慮排水水量的變化礦井排水量按3000m3/d，則每天至少可回收的熱量為1.26×105MJ(折合1.46MW)。取洗浴廢水的溫度34℃，經熱泵機組后水溫為16℃，排水量按300m3/d，由此可得每天回收的熱量約為2.27×104MJ(折合0.26MW)；因此礦井與洗浴排水可回收的熱量約為1.72MW。

根據實測礦井乏風冬季排放溫度為28±1℃，相對濕度95±5%，風量250m3/s，如排風溫度按27℃，相對濕度按90%計算，經噴淋后溫度為13℃，相對濕度100%。則可見式(1)[8]。

圖2 冬季礦井能量供應原理圖

圖3 排水系統能量回收流程

圖4 洗浴用水能量回收流程

(1)

式中：h1為噴淋前乏風焓值(回風溫度27℃，相對濕度90%)，h1=78.85kJ/kg；h2為噴淋后風流焓值(排風溫度13℃，相對濕度100%)，h2=36.53kJ/kg；ρ為排風密度，ρ=1.2kg/m3；L為排風風量，L=250m3/s。

經計算可得，通過噴淋冷水，礦井乏風可回收的能量為：Q==(h1-h2)ρL=12.7MW。

由以上分析可知，冬季對礦井排水和乏風進行能量回收，可回收利用的低品位熱能平均約為14.4MW。如熱泵機組的COP按3.5計算，需消耗5.78MW的電能，得到約20.2MW的熱量，高于礦區冬季平均耗熱量。該熱量不僅可滿足礦區耗熱量，還可向礦區周邊居民供應一定的熱量。

2.2 降溫季節能量供應方案

如前所述，地面空調及礦井制冷設備向空氣排放大量冷凝熱，而洗浴中心熱水供應系統消耗大量常規能源，因此，可對冷凝熱進行回收利用。當前對冷凝熱的回收利用主要有三種方式：壓縮機與冷凝器之間增加一個熱回收冷凝器，即分體串聯模式；冷凝器旁邊并聯一個熱回收冷凝器，即分體并聯模式；冷凝器中增加熱回收管束，即單冷凝器模式[9-10]。但這些方式均需要對原制冷劑管路進行改造，勢必影響冷凝壓力與機組的制冷能效，因此為避免對原制冷劑管路的調整并提高制冷系統的能效，提出了如圖6所示的改造方案。

圖5 礦井乏風能量回收流程

圖6 夏季礦井能量供應方案原理圖

該方案利用3套熱泵機組分別與地面空調用冷水機組、兩級預冷機組和制冰壓縮機組的冷卻塔(或蒸發式冷凝器)并聯，將部分冷卻水分別引致熱泵機組的蒸發器，通過熱泵機組將制冷機組的(部分)冷凝熱轉至熱泵機組冷凝器，經深度凈化處理后的礦井排水在熱泵機組冷凝器內被加熱至60℃以供應洗浴中心用熱。以兩級預冷機組冷凝熱回收為例，其回收流程如圖7源。所示，即兩預冷機組冷卻水自A點被引至1#熱泵機組蒸發器，其攜帶的冷凝熱被轉移至熱泵機組，經深度凈化后的26℃的礦井排水在冷凝器內被加熱至60℃之后被送至地面洗浴中心。地面空調冷水機組及制冰機組冷凝熱回收系統與圖7基本相同，不再贅述。

該方案不僅可實現低品位冷凝熱的回收利用，利用熱泵機組蒸發器對冷卻水的冷卻，還降低了礦井及地面制冷機組冷卻水的溫度，提高制冷機組的制冷系數。

圖7 預冷機組冷凝熱回收流程圖

2.3 太陽能熱利用技術方案

魯西南地區全年日照較充分，而該礦地面井口房房頂僅有一水箱，制冷機房房頂閑置，且周邊無建筑物遮擋。因此可在屋頂布置太陽能集熱器，以預熱(制備)洗浴用熱水。

圖8 非降溫季太陽能熱利用方案

目前國內使用的太陽能集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器、熱管集熱器。平板集熱器不防凍，只能在春、夏、秋三季使用；真空管集熱器可在-20℃條件下使用；熱管集熱器可在-40℃條件下使用，但其冷凝端(加熱端)表面積僅是真空管的百分之一，易結水垢，換熱效果不如真空管，一般用于北方高寒地區。該礦所處地區最低氣溫在-15℃以上，因此選用真空管集熱器。晴天條件下每平方米集熱器每天的有效集熱量為：夏季8500～11000kJ，春秋季6500～ 8500kJ，冬季3000～ 4500kJ[11]。該系統在井口房房頂及制冷機房房頂安設1200m2集熱器，考慮到礦區粉塵對集熱器集熱性能的影響，單位面積集熱量取下限，則1200m2集熱器每天的有效集熱量：夏季為10200MJ，春秋季為7800MJ，冬季為3600MJ，分別相當于將71m3、55m3、25m3溫度為26℃的水加熱至60℃所需要的熱量?？紤]到太陽能集熱器集熱器受天氣狀況影響較大，煤礦企業要求24小時供應生活熱水，因此非降溫季節，太陽能熱利用可按圖2所示方案，太陽能集熱器布置于熱泵機組后，作為補充熱源對熱泵機組出口熱水進行再熱。其流程如圖8所示。

在降溫季節，為了降低熱泵機組的運行費用，并充分利用夏季太陽輻射熱，太陽能集熱器的布置方案如圖6所示，洗浴中心供熱流程如圖9所示。

圖9 降溫季太陽能熱利用方案

2.4 系統的能效的綜合分析

由1.3分析可知，冬季全礦平均需熱量約為12.6MW，峰值需熱量為20.7MW，夏季僅洗浴中心耗熱，平均需熱量約為0.5MW，峰值需熱量約為8.7MW；如2.1所述，熱泵機組的COP按3.5計算[12]，冬季熱泵機組可提供的熱量平均為20.2MW，略低于峰值需熱量而遠高于平均需熱量，可通過設置于屋頂的水箱進行熱量調節，以滿足全礦冬季耗熱需要。夏季僅洗浴中心需要供應熱水消耗熱量，安設于井口房及制冷機房房頂的太陽能集熱器正常日照條件下，每天可提供60℃的熱水71m3，降溫設備按額定工況運行時排放冷凝熱約為13.4MW，如COP同樣按3.5計算，熱泵機組可提供的熱量約為17.2MW，完全可以滿足礦井洗浴用熱要求，為降低運行費用，夏季優先利用太陽能集熱器制備洗浴熱水，熱泵機組的運行可根據地面制冷設備及洗浴用熱量自動控制運行。熱泵機組及太陽能集熱器的運行，運行完全可以取代傳統的鍋爐供暖，實現礦區的低排放。

為實現對礦井乏風的凈化處理，降低乏風所攜帶粉塵對礦區及附近環境的影響，如圖2所示，冬季對乏風進行噴淋除塵并進行余熱的回收利用，其他季節僅進行噴淋降塵而不進行余熱的回收利用；冬季相對于外界-5℃左右的自然環境，礦井排水及洗浴廢水所含有的低品位熱能是寶貴的能源，而夏季隨外界氣溫的升高，礦井排水不進行余熱的回收利用，僅對排水進行凈化處理，根據凈化處理深度的不同，分別作為地面綠化、洗煤、公寓及辦公樓沖廁等用水，經深度凈化后的水可作為洗浴用水和井下作業用水。礦井排水的回用，可大大降低深井水抽采量和礦井污水排放量。對排水和乏風的凈化處理與回收利用可明顯改善礦區周邊的水資源和大氣環境。

3 礦區耗水量的分析

表6為改造后礦區排水用途及深井水用水量。由該表可以看出，根據礦井排水處理程度的不同分別用作中水、洗煤用水及洗浴和井下作業用水。洗浴及洗衣房排水被用作洗煤用水。對比表4可知，深井水主要用于部分井下用水、制冷機房冷卻水補水及礦區生活用水(不含沖廁用水)，深井水抽采量由5244m3/d降低為約1900m3/d，節約用水約為64%，可顯著降低深井水的抽采量，同時礦區排水基本實現了零排放(不含生活排水)。

表6 改造后排水用途及深井水耗水量

備注：①該生活用水量不含沖廁耗水；②冬季對礦井排水及洗浴、洗衣排水全部進行低品位熱能的回收利用，夏季僅對排水進行利用。

4 結論

高溫礦井夏季降溫系統在消耗電能同時排放大量冷凝熱，冬季礦井排水、洗浴污水及乏風排放含有大量的低品位熱能；礦井地面乏風排放攜帶大量礦塵；井下施工、沖塵等也消耗大量淡水。采用鍋爐房供暖的方式，使得礦工常年洗浴及冬季井口風流預熱消耗大量常規能源，并進一步加劇了環境污染，本文針對高溫礦井各類低品位熱能提出的能量集成利用方案及系統，可實現對低品位熱能、太陽能的合理利用并及污水與乏風的低排放，并根據處理程度的不同對礦井排水進行循環利用。

1)全年對礦井乏風進行冷水噴淋，不僅可實現常年對乏風的凈化處理，冬季可利用熱泵技術對噴淋后的冷水提取熱量，實現對乏風的余熱回收。

2)熱泵技術的夏季應用不僅實現了降溫機組冷凝熱的回收利用，同時熱泵機組冷凍水作為制冷機組冷卻水可進一步降低制冷機組冷卻水水溫，提高制冷機組的能效系數。

3)熱泵技術的應用冬季可實現對礦井排水、洗浴用水等低品位熱能的余熱回收利用，同時為洗浴用熱、井口風流加熱及為地面建筑供暖提供熱量，可取代傳統的鍋爐供暖。

4)不僅可實現冬季對礦區排水所含低品位熱能的回收，根據對排水處理程度的不同進行循環利用，還顯著降低深井水的抽采量，同時實現礦區排水的零排放。

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Resarch of the complex utilization for waste heat energy in high temperature mine

QI Yu-dong1,2，CHENG Wei-min3，YU Yan-bin3，PAN Gang3

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation， Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention，Ministry of Education，Fuxin 123000，China；3.Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control，Ministry of Education，Qingdao 266590,China)

Bases on the analysis of the original heating，refrigerating，mine draining，bath draining and air exhausting system，and combines with the actual conditions of Tangkou Coalmine in Shandong Province.Presents a set of comprehensive and integrated utilization scheme for all the different kinds of low quality heat energy.With heat pumps，realizes the recycle of the low quality heat energy from the drainage，bathing water and the exhausting air in winter; and the condensing heat of the refrigerating system in summer.With solar collectors，realizes the thermal utilization of the solar for whole year.Achieves the mine drainage and bathing water purification and reusing，and the exhaust air purification by water spraying.Satisfies the demands of the coalmine for bathing heat whole year，refrigerating in summer，heating for the ground house and shaft house in winter; achieves the integrated utilization of different kinds of low quality heat energy and low emission of the drainage and dust，and can replace the traditional boiler heating system.Reduces conventional energy consumption and the amount of mine water drainage.

waste heat energy；heat hazard mine；complex utilization；energy conservation

2014-02-09

礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室基金課題資助(編號：JSK201209)

亓玉棟(1976-)，男，山東省萊蕪人，講師，主要從事礦井降溫與熱害防治方面的教學與研究。

程衛民。E-mail：chengmw@163.com。

TD727

A

1004-4051(2015)02-0060-07