關于煤礦余熱資源綜合利用設計的研究

李萌

摘要：隨著我國社會經濟的進步和發展，我國的煤礦企業的發展也取得了一定的進步。我國的煤礦企業不僅是生產能源的主要單位，更是能源消耗巨大的單位。在煤炭生產的環節較多，過程也非常復雜，由于消耗能量的環節繁多，因此節能的空間是非常大的。礦井的深部開采是接下來煤礦發展的主要趨勢，礦井的地溫熱害以及礦井水中的余熱資源是礦井生產中需要重點研究和解決的兩個重要問題，研究和開發這些余熱資源對于減輕礦井熱害，改善井下的工作環境具有十分重要的作用。

Abstract： With the progress and development of China's social economy， the development of China's coal mining enterprises has also made certain progress. China's coal mining enterprises are not only the main unit for producing energy， but also the unit with huge energy consumption. There are many links in the production of coal， and the process is very complicated. Because there are many links of energy consumption， the space for energy conservation is very large. The deep mining of mines is the main trend of coal mine development. The geothermal heat damage of mines and the waste heat resources in mine water are two important issues that need to be studied and solved in mine production. Research and development of these waste heat resources is very important to reduce mine heat and improve the working environment in the underground.

關鍵詞：煤礦；余熱資源；綜合利用；設計

Key words： coal mine；waste heat resource；comprehensive utilization；design

中圖分類號：TK229.92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0227-02

0 引言

《煤礦安全規程》中做出明確規定：當采掘工作面的空氣溫度大于三十攝氏度的時候，必須要停止作業。通過多年的工作和實踐來看，地下熱源主要有空氣壓縮熱、地熱、氧化反應熱等，這些地下熱源能夠為水源的熱泵系統的運行提供便利條件，利用水源的熱泵技術又能夠開發礦區的余熱資源。我們以X煤礦為例來說明：X煤礦的生產能力為5.0×106t/a，在煤礦的建井階段和生產階段都擁有非常豐富的余熱資源。礦井水中含有非常豐富的余熱資源，這些余熱能夠影響到圍巖的相關性質，也能夠提高工作面的溫度，影響礦井工作的安全，威脅著礦井工作人員的生命和財產安全。

1 我國礦井中能夠利用的余熱資源介紹

1.1 空壓機余熱 空壓機的功率大約為250千瓦，我們假設X煤礦中有五臺空壓機，通過實際的運行經驗和工作經驗我們可以發現，在絕大多數的工作時間內會同時運行三臺空壓機，因此空壓機能夠提供的廢棄熱量是：250kW×70%×3=525kW[1]。

1.2 風井余熱 礦井生產是有一定的特點的，比如礦井的排風溫度是恒定的，排風量也是比較穩定的，因此風井的余熱也是一種質量較高的廢熱資源。和其它余熱相比，風井余熱是非常優質的，但是由于實際施工中，風井距離礦區是非常遠的，如果想要利用礦井余熱，不僅需要解決征地、敷設官網等問題，還需協調好地方上的關系，非常麻煩，并且開發的成本也非常高，因此一般情況下風井余熱的還沒有被納入研究范圍。

1.3 洗浴廢水中產生的廢熱資源 據相關資料統計，我國大部分煤礦每天都會產生大量的洗浴廢水，這些洗浴廢水的溫度一般都在三十攝氏度左右。我們按照X煤礦每天產生700立方米的洗浴廢水來計算，假設能夠收集這些洗浴廢水加以利用，能夠產生的熱量大約是700×（30-10）÷24×1.163=678.41kW。由于浴室內部的溫度一般在三十攝氏度左右，是一種非常理想的低溫熱源，但是對洗浴廢水的處理是非常麻煩的，需要進行頭發收集，廢水加壓等處理，工作時間短并且相對集中，還有許多限制性的條件，因此目前只是作為一種備用性的熱源[2]。

1.4 礦井回風余熱 X煤礦中的回風資源非常豐富，通過實際的測量我們發現，礦井回風中的熱能非常豐富，如果能加以開發和利用，能夠成為冬季里的一種非常優質的低質低溫熱源。不管是礦井建井期還是生產期的供熱，都能夠發揮巨大的作用。

2 確定冷、熱源

我們以X煤礦為例來分析和確定冷、熱源。

2.1 各階段的熱源結構介紹

X煤礦中有一臺蒸汽鍋爐，熱功率為1.4MW，主要負責的是是建井期的臨時供熱，因此礦井各個階段的熱源組成結構如下所示：

第一階段：基本熱源是2t/h的蒸汽鍋爐加礦井深井水熱泵，另外，在礦井的浴室內部設立排水熱泵作為備用熱源，只有如此，才能更好的滿足供暖期的總熱負荷的需要[3]。

第二階段，基本熱源為空壓機冷卻熱泵加礦井深井水熱泵加2t/h的蒸汽鍋爐，調峰熱源是礦井內部浴室的排水熱泵。為了減小礦區生活供熱的熱負荷，礦區工作人員必須采取一定的輔助措施，比如盡量在不同的時間段內加熱池浴熱水和淋浴水[4]。

第三階段，組合的基本熱源為空壓機冷卻水熱泵加蒸汽鍋爐加礦井深井水熱泵加礦井回風水源熱泵，在不包含浴室排水熱泵的情況下，第三階段的穩定熱大約在8406kW左右，就現實需要而言，還缺2600kW左右，為了解決供給和需求兩個方面的矛盾，需要從礦區生活供熱和供暖這兩個方面著手，在非供暖期，供熱方式采用蒸汽鍋爐，并且適當降低室內的溫度[5]。

第四階段的基本熱源是瓦斯發電余熱加空壓機冷卻水熱泵加礦井回風水源熱泵，這一階段需要注意的問題是充分利用瓦斯發電的余熱，當余熱不足的時候，盡量用礦井回風水源熱泵來彌補。

第五階段的組合基本熱源是礦井回風水源熱泵加空壓機冷卻水熱泵，優先使用的能源是空壓機冷卻水，備用熱源是其它剩余的余熱資源。

2.2 各個階段的冷源結構

第一階段：無冷負荷。

第二階段：無冷負荷。

第三階段：冷水機組制冷方式。在白天供冷期間，相關人員負責停止運營蒸汽鍋爐，礦區為了免費為員工提供生活熱水，需要把制冷機組的部分已經冷卻的水接到生活熱泵機組的蒸發器內，晚上仍然有專人來負責蒸汽鍋爐的運行。

第四階段：熱泵機組制冷。制備生活用水仍然采用的是瓦斯發電的余熱這一方式，白天不夠的采取能量回收的方式彌補，晚上不夠的采取井下降溫冷卻水熱泵的方式彌補。

第五階段：第四階段和第五階段的供冷期冷負荷是相同的，但是第五階段晚上采用的是井下降溫冷卻水熱泵提供熱水，白天的生活熱水主要來自制冷機組的熱能量回收。

2.3 礦區冷熱源的控制的原則

不管在哪個階段，冷熱源的控制的原則都是免費能源優先。在國家節能減排政策的號召下，相關單位必須盡最大努力的使用免費的能源，為了方便管理，我們可以采用自動控制節能設備，將各種能源設備進行統一的管理和控制。

3 煤礦區水源熱泵的設計方案

在本方案中，需要遵循的一個重要的設計原則就是最大限度的利用礦井的余熱資源，方案所要達到的預期目標主要有以下幾個：一是聯合建筑的制冷和供暖，二是工廠內部的浴室洗浴熱水的加熱和建筑供暖，三是冬季井口的防凍工作。由于礦井水在回收利用的時候，不可避免的會產生熱量的損失，因此工作人員需要采取相應的保溫措施，比如在排水渠內設置蓋板等。

3.1 井口防凍系統 為了滿足井口防凍的需要，我們一般會采取用37攝氏度的熱水來對新風進行加熱的方式，在滿足井口防凍的要求之下，選擇一組備用機組，供出水的溫度為10/5攝氏度，供暖循環水側的供回水的溫度為40/35攝氏度。加熱之后，風溫是比較低的，為了滿足井口防凍的熱負荷，工作人員需要加大加熱的風量，但是如果僅僅采取空氣加熱室加熱的方式，并不能滿足井口防凍的相關要求，因此需要加大進風的面積。另外，在原本空氣加熱室改造的基礎之上，工業的熱風機組不僅能夠保障井口防凍的相關工藝要求，也能夠在一定程度上節省工程的土地建設投資。

3.2 職工浴室洗浴熱水的加熱系統 池浴用水和淋浴用水是洗浴用水的兩大分類，據相關資料顯示，一般礦區的池浴用水的水溫為60攝氏度，每天所需的池浴用水大約為250立方米，淋浴用水的水溫為46攝氏度，每天所需要的淋浴用水約為370立方米。在本方案中，我們對洗浴熱水主要采用梯級加熱的加熱方式，根據當地的實際需要，工作人員把加熱好的熱水直接送到聯合建筑的地下水箱內，因此聯合建筑內部的舊的淋浴系統并不需要重新進行設計和改造，只需要簡單的設計一下池浴水的供水系統即可。

3.3 工業場地的采暖系統 現有的建筑中，辦公室、值班室等場所對于供暖的要求是非常高的，工地等場所對于供暖的要求并不是那么高。預計在未來的發展中，將會增加59257.51平方米的采暖面積，總共的采暖負荷能夠達到9.4MW。

3.4 聯合建筑的制冷和供暖設計 聯合建筑的總供暖的負荷約為1839.3kW，制冷負荷大約為3224.2平方米。在煤礦的礦井排水量較大和水質良好的的情況下，夏季天氣較熱的時候可以采用為冷卻水，冬天可以作為熱源水，綜合考慮聯合建筑的供暖需求的情況下，我們的方案中采用的是半封閉螺桿水源熱泵機組提取14攝氏度礦井水的熱量，通過末端風機盤管的循環來達到聯合建筑的供暖要求。

4 結語

應用水源熱泵系統來提取礦井廢熱資源，和燃煤鍋爐相比，每年可以節省大量的運行費用，減少廢棄物和污染物的排放。通過上述的介紹和闡釋我們可以發現，盡管我國的煤礦余熱資源的研究和利用已經取得了一定的發展和成就，但是就我國煤礦企業現階段的發展狀況而言，還存在許多技術上和管理上的問題。因此相關的煤礦企業還需加強探索和研究，尋找回收余熱資源的方法，盡可能的減少供暖的消費，減輕供熱系統的消耗。

參考文獻：

[1]董憲偉，張九零， 侯欣然.煤礦余熱資源綜合利用研究[J]. 河北能源職業技術學院學報，2014，14（3）：49-51.

[2]吳學強.煤礦余熱資源綜合利用設計研究[J].中國資源綜合利用，2018（3）.

[3]馮小勇，屈云海.昆鋼新區鋼鐵冶煉余熱資源綜合利用研究及應用[J].昆鋼科技，2016（6）：53-58.

[4]陳新偉.煤礦壓風機綜合余熱回收設計研究[J].中州煤炭， 2017，39（7）：226-229.

[5]白延斌，焦春玲，霍海紅.新形勢下煤礦暖通設計的探討[J]. 制冷與空調（四川），2017，31（3）：281-285.