礦井排水低溫余熱回收利用技術研究及應用

文_朱曉寧 范守俊 安云龍

1 兗州煤業股份有限公司 2 煙臺三金節能科技有限公司

為應對全球氣候變化和保障國家能源安全，我國持續優化產業結構和能源消費結構，積極倡導清潔能源開發利用技術的研究與推廣，全面構建清潔低碳安全高效的能源體系，2021 年10 月，國務院印發《2030 年前碳達峰行動方案的通知要求工業領域加快綠色低碳轉型和高質量發展，推動低品位余熱供暖發展。

兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦位于山東濟寧，核定生產能力660 萬t/a，是山東省大型現代化礦井，礦井排水量5000m3/d，排水溫度平均在20℃左右，工廠區有冬季采暖、夏季供冷和職工洗浴需求，傳統主要依靠鍋爐和制冷機等多套系統實現，存在耗能高運行效率低、多套系統管理復雜、運行維護成本高等弊端。為降低供熱運行能耗，充分利用礦井自身排水余熱資源，開展礦井排水低溫余熱回收利用相關技術研究，提升余熱利用效率和工藝設計水平，最大程度實現余熱資源梯級利用。

1 礦井排水低溫余熱回收利用技術研究

興隆莊煤礦低溫余熱資源豐富，針對低溫余熱回收利用的相關技術開展研究，通過對現有可利用熱資源、制冷取暖系統、洗浴用水系統的詳細分析與對比，研究創新，改造了多套取暖制冷系統，實現資源節約與高效利用的全新能源利用方式。

1.1 礦井排水低溫余熱回收水源熱泵技術

水源熱泵技術是將水為載體的低溫低位熱能資源，采用熱泵原理通過少量的電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移，具有節能、環保和經濟三大優勢，是解決本研究供暖、制冷及洗浴用水多項需求的最優選擇。以實際工況為基礎的高效能工況熱泵機組設計和優化，是水源熱泵系統研究的重要內容，可實現熱泵機組的高效、低能耗運行。

夏季制冷時，將吸收建筑物房間的熱量排放到衛生熱水或礦井水中，達到建筑物房間供冷的目的。同時用制冷時提取的熱量制取洗浴衛生熱水。冬季供暖時，提取溫度為20℃的礦井排水中的熱量，為選定的部分公用建筑供暖，剩余熱量制取洗浴衛生熱水。非供冷供暖季，提取礦井排水中的熱量制取洗浴衛生熱水。

通常冷水型熱泵機組在制冷時通過冷卻塔散熱，熱泵的冷卻水標況為進出口水溫32 ～37℃。興隆莊煤礦礦井排水低溫余熱回收利用技術的熱泵機組在制冷時有兩種工況：①采用礦井水作為冷卻水（夏季礦井水20 ～26℃）；②利用熱泵機組空調散熱時的熱量制取衛生洗浴用水。衛生洗浴用水的溫度要求40 ～45℃高于空調散熱水的工況溫度，因此在設計熱泵機組在制冷的同時制取衛生洗浴用水功能時，要對熱泵的技術參數進行重新設計，需將進行技術參數調校，即調校后熱泵機組的冷凝器進出口溫度40 ～45℃、流量113.8m3/h，壓縮機最大輸入功率136kW。設計的熱泵機組在空調供回冷凍水7 ～12℃時，能夠同時制取40 ～45℃洗浴用水，這時機組散熱的冷卻水溫度突破32 ～37℃的標準工況。

1.2 采用礦井排水作為制冷散熱載體的無塔散熱技術

傳統的空調制冷散熱方式需要設空調冷卻塔，在冷卻塔里把空調的散熱溫度用淋水進行汽水交換的方式散發，夏季環境溫度越高，冷卻塔散熱效果越差。對無塔散熱技術和工藝方法進行研究和設計，采用環境溫度的礦井排水作為制冷散熱冷卻載體，新技術不需要冷卻塔，沒有漂水浪費。根據冷卻水回水溫度從32℃降到26℃，每降低1℃空調熱泵主機可節電3%的經驗估算，采用溫度20 ～26℃的煤礦礦井排水冷卻，系統能效提高15%左右。

1.3 適用于礦井排水惡劣工況下的新型換熱技術

換熱器機組是水源熱泵系統的防火墻，興隆莊煤礦礦井排水水質成分復雜，雜質含量較高，對換熱設備具有一定的腐蝕性；排水中固體顆粒雜質及煤粉含量較高，極容易對換熱設備造成堵塞，利用煤礦礦井水的熱量必須解決排污水對設備腐蝕和堵塞問題。從礦井排水源頭的水處理解決問題，將旋流排污技術、全自動清洗過濾技術融合在一個水過濾裝置，解決系統內水垢附著、設備腐蝕、微生物滋生和粘泥危害的問題。同時，適度增加換熱器板的間距，可以通過更大更長的固體顆粒物與絲狀物，減少因堵塞而產生的拆機維修停工成本，提高了礦井排水通過率又保證了整體換熱效果。從而保證系統中換熱裝置的有效工作，減少礦井排水處理運行和投資成本。

1.4 具有熱回收新風換氣功能的末端空氣處理技術

研究制冷系統運行增加新風功能，獨立地進行室內空氣置換、凈化、流動，在排除室內的污染空氣的同時，輸入自然新鮮空氣，并將輸入室內的新風經過過濾等多項處理后再送入室內。通過對新風換氣功能的熱回收技術的研究，達到夏季制冷效果，熱回收率可達70%左右。

1.5 礦井排水低溫余熱回收熱冷雙供一體化技術

通過不斷地調整優化熱泵機組的技術參數，分析運行效能，研發熱冷雙供一體化技術，通過礦井排水的低溫余熱實現熱泵機組冷熱雙供和單供冷、單制熱的功能，提供煤礦夏季空調制冷和制熱；冬季供暖和非供暖季制取衛生洗浴用水。

2 礦井排水余熱回收利用方案的實施

2.1 排水余熱分析

2.1.1 礦井水余熱情況

根據興隆莊煤礦現場采集的礦井水數據顯示，礦井排水量5000m3/d，24h 間歇排水，平均水溫約20℃，原水池容積2000m2，清水池容積800m3。清水池中的水經處理后作為系統冷熱源。

2.1.2 冷熱負荷情況

排水余熱系統冷熱負荷是熱泵系統方案制定和設計的重要依據，不同應用場景的冷熱負荷需求量也有所不同。興隆莊煤礦主要用熱制冷負荷計算如下：

（1）礦區余熱可提取的熱量

煤礦礦井排水量為5000m3/d 按照每小時平均排水208.33m3，提取溫度12 ℃計算，可提取熱量為：1.163×208.33×（20-8）=2907.45kW。

（2）建筑空調供冷負荷等計算

選定的部分公用建筑10000m2夏季供冷，供冷期3 個月，冷負荷為100W/m2，空調供冷負荷為1000kW。

（3）建筑供暖負荷等計算

選定的部分公用建筑6000m2冬季供暖，采暖期及前后1 個月，暖負荷為100W/m2，供暖負荷為600kW。

④洗浴熱水的熱量計算

夏季制冷狀態下，冷負荷為1000kW。夏季供冷時，熱泵機組COP為3.897，排放熱量為1000×(1+1/3.896)=1256.6kW，將熱量排至衛生熱水水箱中，熱泵機組排水溫度45℃，進水溫度40℃（當溫度高于45℃時排入礦井水散熱）。可提供35m3/h衛生熱水（將水從15℃加熱至45℃）。制熱狀態下，2 臺水源熱泵機組制熱量為639.5×2=1279kW，可提供36.6m3/h衛生熱水（將水從15℃加熱至45℃）。每天可滿足約500m3衛生熱水需求。

2.2 排水余熱系統設計與運行策略

研究設計適應興隆莊煤礦供冷-供暖同時制熱的雙供一體化技術參數，依據估算的冷負荷，考慮到實際使用情況，合理設計水源熱泵機組參數以及功能轉換控制參數，設計2臺水源熱泵機組運行。采用水源熱泵系統合理利用水源資源進行能量交換，可制冷、供暖一機多用，一套系統便可取代原來的鍋爐加空調裝置，特別對同時有供熱和制冷要求的建筑物，水（地）源熱泵有著明顯的優勢，不僅節省了大量能源，而且減少了設備的初投資。

排水余熱系統的運行工況分為季節性調節和制冷制熱功能調節。其中，季節性調節主要為冬夏兩季轉換調節，水源熱泵機組功能調節主要為制取洗浴用水、冬季供熱、夏季制冷等功能調節與工況轉換，實現自動控制。夏季熱泵系統啟動順序為電動水閥、水源側循環水泵、空調循環水泵、水源熱泵機組，夏季停機順序相反。冬季熱泵系統啟動順序為空調循環水泵、水源側循環水泵、水源熱泵機組，冬季停機順序相反。系統設置冬夏季轉換閥，在換季時進行切換。

系統可以根據空調側回水溫度進行運行控制。制冷控制：空調側回水溫度高于14℃（或者設定溫度值）時啟動第二臺熱泵機組共同運行；當空調側回水溫度低于12℃（或者設定溫度值）時，關閉一臺熱泵機組。制熱控制：衛生熱水水溫度低于44℃，啟動第二臺熱泵機組共同運行；衛生熱水溫度高于46℃時，關閉一臺熱泵機組。

3 礦井排水低溫余熱利用運行效果

對專用水源熱泵系統、供冷末端系統、特種板式換熱機組模塊、管網系統、有新風功能的末端空氣處理系統等子系統進行現場安裝，自2021 年7月開始試運行。熱泵機組最大單機荷載65%，未出現雙機共同運行的情況；供暖制冷兩種方式轉換銜接使用，延長供暖期，增加大面積空調制冷；加寬后的換熱器換熱效率約95%，未出現堵塞現象，旋流排污、全自動清洗系統均正常運行；末端溫度室內穩定在25 ～27℃之間。煤礦礦井排水低溫余熱回收利用系統運行系統整體運行穩定可靠，效果良好，達到設計要求的各項指標。

4 經濟效益和社會效益分析

4.1 經濟效益

興隆莊煤礦“煤礦礦井排水余熱回收利用技術研究與應用”是國內較為先進的工業礦山余熱利用技術。通過新技術實現冷熱聯供的雙供一體化，做到機組夏季制冷同時免費制取衛生洗浴用水（需要時）；夏季單制冷（不需要熱水）時將散熱量排放到煤礦礦井水中，省卻冷卻塔的投資和運行費用，沒有漂水浪費；冬季供暖時提取煤礦礦井排水低溫余熱，是典型的清潔能源供暖（冷）方式。

4.2 社會效益

排水余熱綜合利用工程投入運行后，全時間運行按照70%效率計算，共提供5304MW/h 熱量（如表1 所示），相當于節約標準煤651.5t，減少有害氣體及顆粒的排放。減少二氧化碳排放1706.9t，環保效益顯著，為實現碳達峰、碳中和目標作出積極貢獻。

表1 熱（冷）源供應量

5 結語

煤礦礦井排水余熱資源較為豐富，多數礦井排水溫度20℃左右，根據國標《水源熱泵機組》：水源熱泵制熱和制冷工況下水源側的適宜溫度均為10 ～25℃，礦井排水低溫余熱資源是非常理想的水源熱泵系統冷熱源。本研究通過深入研究煤礦礦井排水低溫余熱回收利用相關技術，設計了余熱利用綜合系統，實現冷熱聯供的雙供模式，滿足興隆莊煤礦夏季空調制冷、冬季供暖及全年衛生熱水需求，達到清潔供暖制冷的要求。取得了良好的運行效果，具有良好的推廣應用價值。研究應用成果對落實大氣污染防治行動計劃，推進節能降碳產業創新發展，加快傳統產業綠色轉型升級，確保完成“雙碳”目標具有重要的推動和示范作用。