某礦井余熱資源利用系統研究

湯玲玲 祝 健 姚 曜 劉 饒

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某礦井余熱資源利用系統研究

湯玲玲 祝 健 姚 曜 劉 饒

（合肥工業大學 合肥 230009）

通過對某礦區礦井余熱資源的調查與分析，應用先進的節能技術，開展廢熱和余熱的回收利用分析與設計。利用少量的電能，采用回風熱泵技術和壓風機余熱回收技術，供應礦區地面建筑采暖、職工洗浴和井筒防凍用熱的需要，取代傳統鍋爐房，節約煤炭的消耗量，減少環境的污染。

礦井回風；壓風機余熱；回收利用；經濟分析

0 引言

在我國，能源結構主要依靠礦物燃燒，特別是煤炭礦物燃燒產生大量的CO2、SO2等有害氣體，所帶來的環境問題不可小覷[1]。調查發現礦井的通風中以及壓風機運行過程中含有大量熱能，利用礦井回風源熱泵技術和壓風機余熱回收技術回收其能量，對于改變傳統的煤礦供熱模式有著重要的變革意義，同時對節能減排工作同樣具有重要意義[2]。本課題的研究項目位于安徽省鳳臺縣城西20km處，行政區劃隸屬于鳳臺縣岳張集鎮。課題擬結合礦區實際情況，應用現有的先進節能技術，開展余熱回收利用分析與設計，采用礦井回風熱泵和壓風機余熱回收新技術，為工業場地建筑提供冬季供暖、井口防凍，以及廠區全年的生活熱水提供熱源，研究和實踐“低碳運行生態礦山建設”的理念。

1 工作原理

礦井回風源熱泵系統由礦井回風換熱器和擴散塔（二者共同構成回風換熱裝置）、動力裝置、集水池、匯水槽及附件組成。礦井回風熱回收系統的核心裝置是回風換熱器。礦井回風在風機作用下壓入擴散塔內，從而使礦井回風轉變為低速、均勻、穩定的氣流，該氣流與回風換熱器中噴淋出的高密度的霧化水滴充分接觸，從而完成氣水之間的熱濕交換，交換后的礦井回風通過擋水板排至大氣，噴淋水進入匯水槽，然后輸送至熱泵機組，系統圖[3]如圖1。

礦井壓風機是一個能耗比較大的礦井常用動力設備，在礦井壓風機工作過程中，一部分熱能轉變成壓縮空氣的勢能，一部分熱能以廢熱的形式被排放到空氣中浪費掉。同時，為降低空壓機的油溫，還需要消耗電能開動冷卻風機來降低油溫，以保證空壓機的正常運行。利用壓縮機運行過程中的高溫油氣的熱能，通過高效熱交換器，將熱能傳遞給常溫水。如圖2原理圖所示，通過能量轉換，在降低壓縮機油溫度同時，將生活熱水進行預加熱，實現廢熱回收[4]。

圖1 礦井回風源熱泵系統圖

圖2 壓風機熱回收原理圖

2 工程概況

2.1 礦風井場總耗熱量計算

（1）7000m2地面建筑采暖，采暖室內溫度要求18-24℃；

（2）全年約300位工作人員洗浴熱水制備，洗浴熱水溫度要求>45℃；

（3）措施進風井冬季防凍加熱，其進風量2200-2500m3/min，冬季要求進風溫度>2℃。

經計算，建筑采暖最大負荷為648kW，洗浴熱水制備最大負荷195kW，井口防凍加熱負荷1725kW，見表1。

表1 供熱負荷

2.2 礦井余熱資源調查與分析

根據現場調查，該煤礦風井場具有開放利用價值的余熱資源情況如下表。

表2 風井場余熱資源情況統計

2.3 余熱量計算

（1）壓風機余熱量

式中：Q為壓風機余熱量，kW；為壓風機單機裝機容量，180kW；為運行臺數，2臺；為平均加載率，75%；為熱回收率，65%。由式（1）得，Q為214kW。

（2）礦井回風余熱量計算[5]

根據調查了解，該煤礦回風風量約6500-8500m3/min，溫度按15℃，相對濕度60%，經過綜合取熱裝置后，設計排風溫度2℃，相對濕度95%計算其余熱量，具體如下：

式中：Q為礦井回風余熱量，kW；為設計回風量，6500m3/min；為回風密度，1.22kg/m3； H為回風進入綜合取熱器焓值，31kJ/kg；0為回風經綜合取熱器后焓值，設計12.5kJ/kg；60為單位轉換系數。由式（2）得，Q為2445kW。

（3）張集礦井風井場余熱量匯總。

表3 余熱量匯總

該煤礦風井場余熱量總計2659kW，其余熱量完全滿足風井場供熱負荷2568kW的需求。

3 余熱利用的實施方案

根據風井場壓風機余熱資源情況，其熱量規模、連續性、穩定性等指標完全滿足該場地洗浴熱水供熱需求，故可采用該壓風機余熱作為該洗浴熱水系統供熱熱源[6]。壓風機余熱約214kW，選擇壓風機余熱回收設備3臺，平均回收熱量為107kW，兩用一備，與壓風機一一對應，且連鎖運行，采用單獨的室外管網系統。

回風熱泵主機可選配2臺SRSL-1210，制熱量：1220kW，熱水供回水溫度：50℃/45℃，采暖季2臺主機運行，室外設置兩套管網系統，由機房內的集分水器接出，一套為建筑采暖用，另一套給措施井口加熱用，其他季節停用。

為了確保井筒內的溫度滿足生產要求，便于運行管理，節約能源，進風井空氣加熱設計選用某煤礦專用防凍型空氣加熱設備共計6臺，制熱量：303kW，風量：15000m3/h，總供熱能力為1818kW。

4 系統投資估算

根據供熱系統規劃設計及其主要設備選配情況[7]，經計算該煤礦風井場余熱回收供熱系統項目總投資約為524萬，詳見表4。

表4 余熱供熱系統投資估算

5 系統效益分析

5.1 能耗分析

（1）洗浴熱水制備系統全年能耗[8]

該系統全年只有兩臺水泵耗電，每臺1.5kW，全年365天24小時運行，則其全年電耗為：1.5×2×365×24/10000=2.63萬kWh。

（2）建筑采暖與措施井防凍加熱系統

冬季運行2臺熱泵、1臺熱水循環泵和6臺加熱機組，冬季采暖季120天，每天24小時運行，其電耗為：（169×2×0.4+45+3×6）×120×24/10000 =57.08萬kWh。

（3）該煤礦風井場余熱供熱系統全年總電耗：59.71萬kWh。

5.2 投資與運行費用分析

（1）能源費用

按當地平均電價計算0.68元/kWh計算，該煤礦風井場余熱供熱系統全年供熱電能消耗費用為：59.71×0.68=40.6萬元。

（2）年運行管理費用

余熱供熱系統運行管理人員需配置約3人，平均年人工資福利按5萬元計算，其管理費用約15萬元。

（3）系統設備年維護保養費用

該系統總投資約524.44萬元，根據以往工程經驗，可按總投資的2%計算該系統年運行保養費用：524.44×0.02=10.5萬元。

（4）余熱供熱系統全年總運行費用：66.1萬元。

（5）如采用傳統燃煤蒸汽鍋爐供熱方式，根據前面的計算的最大設計供熱負荷，需配置1臺6t/h蒸汽鍋爐。鍋爐房整體配電負荷約需60kW；燃煤蒸汽鍋爐全年綜合熱效率50%，年費用合計為142萬元，計算見表5。

表5 燃煤鍋爐運行費用分析

5.3 效益分析

5.3.1 經濟效益

經計算，如采用傳統燃氣鍋爐總投資約為300萬，如采用余熱回收系統，總投資約為524.44萬，結合前面分析計算，本項目實施完成后，較燃煤蒸汽鍋爐供熱系統全年可節省運行費用（142-66.1=74.1）75.9萬元。本項目較燃煤蒸汽鍋爐新增總投資約為（524.44-300=224.44）224.44萬元，其靜態投資回收期為：224.44/75.9=2.95年，可見本項目實施具備良好的經濟效益。

5.3.2 社會效益

本項目全年最大供熱負荷為2568kW，燃煤蒸汽鍋爐系統全年耗熱量為2.5萬GJ；余熱利用系統消耗電能79.18萬度；按我國煤電折算標準（1度電消耗0.298kg標煤），本項目全年運行相當于消耗標煤量為236噸；如采用燃煤鍋爐供熱，其全年綜合熱效率按50%計算，燃煤鍋爐需消耗標煤1708噸。本項目實施后，可減少標煤燃燒量1472噸，其節能減排率高達86%。減排的污染物量見表6，減排的環境價值見表7。

表6 污染物排放量

表7 減排環境價值

從上表看出：本項目實施后，可減排各種污染物約0.58萬噸，可獲得的環境效益約為33.1萬元。

6 結論

由以上統計計算及對比分析可得，采用礦井余熱資源利用系統，和燃煤鍋爐相比，每年可節省運行費用97.1萬元，節約標煤1472噸，減排各種污染物約0.58萬噸，可獲得的環境效益約為33.1萬元，具有顯著的社會、經濟和環境效益[9]。礦井余熱資源利用系統，有效的提取了礦井回風中的低品位能源和壓風機的余熱，降低能耗，真正意義上實現了系統的低碳高效運行。

[1] 韓磊.礦井余熱利用技術研究現狀及展望[J].應用能源技術,2013(10):36-39.

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[4] 王彥.礦井壓風機熱能回收綜合利用的研究和應用[J].能源技術與管理,2014,39(4):139-130.

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[6] 郭學功.礦井壓風機余熱回收裝置技術實踐[J].科技視界,2012,(28):401-403.

[7] 馬最良.地源熱泵系統設計與應用[M].北京:機械工業出版社,2007.

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[9] 黃興晨.熱泵原理及發展和供熱經濟性分析[J].應用能源技術,2009,(7):19-20.

Study on Waste Heat Resource Utilization System for a Mine

Tang Lingling Zhu Jan Yao Yao Liu Rao

( HeFei University of Technology, Hefei, 230009 )

Through the investigation and analysis of the waste heat of a certain coal mine, apply the advanced energy conservation technology to make the analysis and design on recycling of waste heat. The paper had a study on the heat pump technology and heat recovery technology, to supply heat for buildings in the industrial area in winter, wellhead freezing and everyday hot water, which replaces the conventional coal-fired boiler That will save the consumption of coal and reduces emissions of pollutants.

Mine return air; air compressor waste heat; recycle; economic analysis

1671-6612（2017）02-179-05

TU833

B

湯玲玲（1987-），女，在讀碩士研究生，E-mail：947760220@qq.com

祝 健（1967-），女，副教授，碩士生導師，E-mail：244532273 @qq.com

2015-12-09