乏風余熱利用技術在某礦區風井場地的應用

周新朋

摘 要：本文結合某乏風余熱利用改造工程，通過對供熱現狀、余熱資源分析、負荷分析、余熱利用設備選型等方面進行綜合分析，對礦井乏風余熱利用技術的應用進行探討，提供了乏風余熱利用技術設計經驗，以及良好的節能環保效益。

關鍵詞：礦井乏風;余熱利用;直冷式取熱乏風熱泵;一次能源

1 前言

煤礦礦井乏風風量大，出風溫度穩定，相對濕度高，礦井乏風屬于較穩定的低溫余熱資源，可用于礦井風井場地低品位用熱需求，如供暖和井口保溫等，且這類負荷通常較小。

隨著國家和地方環保政策的要求越來越高，礦區既有燃煤鍋爐，尤其是10t/h以下的燃煤鍋爐逐步淘汰，這就給乏風余熱利用技術的應用創造了條件。本文結合某乏風余熱利用改造工程，對礦井乏風余熱利用技術的應用進行分析，以便對改技術的應用給出可供參考的設計經驗。

2 供熱現狀

本工程風井場地供熱負荷主要為場地建筑采暖通風和井筒防凍加熱負荷，現狀采用燃煤蒸汽鍋爐供熱方式，鍋爐房規模為2×10t/h蒸汽鍋爐，受環保政策要求，需拆除既有燃煤鍋爐，對現有供熱系統進行改造。

3 余熱資源分析

風井場地乏風量130m3/s，礦井乏風出風溫度10℃，相對濕度60%，比焓21.703kJ/kg，屬于低焓乏風，但利用乏風量連續穩定的特點，礦井乏風屬于礦區特有的較穩定的低溫余熱資源。

4 負荷分析

4.1 供熱負荷

風井場地總的供熱負荷為6102kW，其中供暖負荷1838kW，井筒保溫負荷4264kW。

4.2 年供熱量

本工程所在地供暖期為144天，采暖室外計算溫度為-15℃，供暖期室外平均溫度-3.9℃，起始供暖室外溫度5℃，供暖室內計算溫度為18℃，井口加熱混合空氣溫度2℃。

供暖最大負荷利用小時數為2419.2小時，年供熱量16007GJ;井口加熱最大負荷利用小時數為1612.8小時，年供熱量24757.1GJ。供暖和井口加熱系統的年供熱量合計40764.1GJ。

5 余熱利用設備選型

5.1 直冷式取熱乏風熱泵技術

本工程采用乏風熱泵機組提取乏風余熱，供井口加熱和供暖系統用熱，乏風熱泵機組采用“直冷式取熱乏風熱泵系統”供熱技術，采用深焓取熱方式，取熱過程涵蓋干冷區、濕冷區、霜冷區和冰冷區。乏風取熱過程在焓濕圖上的過程線如圖1所示，圖中1—2過程為干冷區、2—3過程為濕冷及霜冷區，3—4過程冰冷區。

空氣加熱室內的空氣狀態變化過程如圖2所示，圖中tw至tr過程為冷空氣在空氣加熱機組內的加熱過程，tr至to和tw至to是空氣加熱機組送出的熱風和冷風的混合過程，混合后的空氣溫度不低于2℃。

5.2乏風余熱量計算

（1）乏風余熱參數

礦井回風取熱前狀態參數：溫度10℃，相對濕度60%，焓值21.703kJ/kg;

礦井回風取熱后狀態參數：溫度-3℃，相對濕度95%，焓值3.649 kJ/kg;

礦井乏風風量：130m3/s，則礦井回風可利用熱量為2910kW。

（2）乏風余熱供熱能力分析

據（1）可知，風井乏風可利用乏風余熱為2910kW。考慮乏風在取熱過程中，乏風溫暖降低至露點溫度（4.606℃）以下后，開始結露結霜，當降低至0～-3℃時，在取熱箱的乏風側換熱器表明開始結冰，換熱器表面結霜和結冰增大換熱熱阻，影響去熱效果。

經計算，霜冷區和冰冷區的除霜和融冰過程耗熱量約300kW，則礦井乏風可利用的凈余熱量2610kW。

乏風熱泵機組實際運行COP約2.8，熱泵機組的最大供熱能力4060kW。

由于乏風熱泵機組供熱參數為50/40℃，只能用于井口保溫防凍使用。

根據前面的負荷分析，風井場地總熱負荷為6102kW，其中井筒保溫熱負荷4264kW，供暖通風熱負荷1838kW，僅靠乏風余熱量無法滿足場地熱負荷需求，供熱缺口2042kW，因此尚需設置輔助熱源，本技術方案采用乏風熱泵機組+電熱水鍋爐的供熱方案。

其中，電熱水鍋爐承擔全部供暖通風熱負荷和小部分的井口保溫加熱負荷，由于兩者供熱參數不同，需增設板式換熱器，滿足井口保溫熱水參數要求。

5.3 裝機規模

（1）裝機規模

供熱方案裝機規模如下（水泵、化水、管道等不詳列）。

冷式礦井乏風熱泵（井口加熱）：制熱量：1350kW，冷媒R22? P=1.0MPa最大電耗：490kW，380V/50Hz，五線制 冷凝側溫度：50/40℃，3臺。

電熱水鍋爐（供暖及井口加熱）：制熱量1350kW? ?P=1.0MPa 最大電耗：1350kW，380V/3P/50Hz 供回水溫度：70/55℃，2臺。

板式換熱器：熱負荷800kW? P=1.0MPa，高溫側70/55℃，低溫側50/40℃，2臺。

（2）裝機供熱能力驗算

乏風熱泵機組的供熱能力：1350×3=4050kW;

電熱水鍋爐供熱能力：1350×2=2700kW;

裝機總供熱能力：6750kW，滿足風井場地供熱負荷需求。

其中，井口保溫供熱能力：1350×3+800=4850kW，滿足井筒防凍保溫的供熱負荷需求;供暖通風系統的供熱能力：1350+550=1900kW，滿足供暖通風系統的熱負荷需求。

綜上，本技術方案所選裝機規模可滿足風井場地的供熱需求。

5.4結論

（1）采用乏風熱泵技術，充分利用礦井余熱資源，最大程度降低一次能源消耗，同燃煤鍋爐相比，年節約120萬t標煤，年減少煙塵排放量1200萬t，年減少NOX排放912萬t。

（2）本文給出乏風余熱利用技術的設計分析過程，為該技術在同類工程中的應用提供了參考經驗。

參考文獻

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