矿井回风余热水源热泵系统在梧桐庄矿的应用

文/赵和凡 田昌军

矿井回风余热水源热泵系统在梧桐庄矿的应用

文/赵和凡 田昌军

矿井回风换热与地源热泵技术相结合所产生的矿井回风热能利用技术，能有效降低矿区生产耗煤量，实现产煤不用煤的低碳运行目标，是一项绿色环保、高效节能的实用新技术。但对于中大型矿井来说，矿井排水热能利用受矿井排水的水量、排水的稳定性、矿井水水质等因素的制约，供热可靠性较差。同时，矿井回风风量大、风速高，在不改变扩散塔断面尺寸的条件下很难进行矿井回风的热能提取。因此，进一步深入研究和开发大容量、高效率矿井回风余热水源热泵系统，符合贯彻科学发展观和构建和谐社会的需要，也为建设绿色矿山提供了有利的条件。

一、矿井回风余热水源热泵系统的原理与设计

1.热泵技术原理

热泵技术是利用制冷系统蒸发换热装置将浅层低温热能(包括地表土壤、浅层地下水、工业废水、矿井排水、矿山排风等蕴藏的低品位热能)提取出来，在消耗较少的高品位（机械能、电能、高温水等）能量情况下，通过冷凝装置制取温度较高的介质，获得更多的高品位能量。使低品位（温度较低的地热、工业排水热）能源得到充分利用。热泵热回收系统可实现向建筑物冬季供暖、夏季供冷、常年提供卫生热水的功能。热泵热回收系统供热系数＞1，其中常用的水源热泵是热泵的一个分支，是空调系统中能效比（COP值）较高的制冷与制热方式，理论计算COP可达到7，实际运行一般为4～6。

2.矿井回风余热水源热泵系统的设计

设计矿井回风余热水源热泵系统，首先需要掌握矿井回风参数，即冬夏季的排风温度、相对湿度、空气成分、排风量、通风系统总阻力及通风机参数等。根据回风参数，才能确定设计方案、分析计算回风余热量及热回收系统的换热效率，才能确定换热器设备及系统装置。

梧桐庄矿根据矿井排风参数及特点采用了热泵原理所设计的矿井回风余热水源热泵系统（如图1所示）。该系统主要由井口回风热回收换热及收集系统,热回收介质收集池及加压泵系统，热回收介质净化处理装置，热泵机组、热量输出系统，水处理及补水系统等五部分组成。

图1 矿井回风余热水源热泵系统示意图

基本流程为：矿井回风余热水源热泵系统采用导风管道将扩散塔出口的排风流向转为水平方向流动流入回风换热装置内，并与喷淋雾化水热质交换实现换热，矿井回风被冷却降温，喷淋水吸收回风热量温度升高，落入换热器的集水槽内，汇集至落水管道流回至水池热水区，换热器流回的热水经水泵加压输送至机房热泵，被热泵提取热量后，流至水池冷水区，经换热器循环水泵加压输送至换热器雾化喷淋继续吸收热量完成换热循环。

二、实施矿井回风余热水源热泵系统的工程实例及效果

1.梧桐庄矿矿井回风可用余热调研

梧桐庄矿为热水型高温矿，井下排水、巷道和围岩均可向空气散热，加之大容量的机电设备散热，矿井排风中含有大量余热量，可以用作热泵机组的低温热源。为获得实际运行中最低排风温度及最小可提取热量，须在冬季最冷月进行排风监测。据监测数据显示，在较冷月份，排风量基本稳定在231m3/s，温度在20.5℃左右，可提取的热量为10146.5kW左右，经热泵加热后供热热量13528.7kW。由于生产矿井排风不能间断，因此矿井排风含热量较大且稳定，可实现连续为热泵系统提供热量，具有较高的稳定性和可靠性。

2．工程概况

梧桐庄矿在一期设计中采用了矿井排水、奥灰水向热泵系统提供热量，替代了锅炉房为广场供热，但由于矿井排水流量稳定性和奥灰水系统的可靠性较差。因此，在实施二期工程时，增加了矿井回风余热水源热泵系统，以提高原水源热泵系统的供热能力、系统运行稳定性和可靠性。

经过设计，回风换热器换热量10068kW，处理风量300m3/s，供热能力≥13423kW，换热循环水泵4台（实际台数可按需开启），每台流量350m3/h，扬程40m，热泵机组供水循环水泵4台（三用一备），每台流量270m3/h，扬程25m。经现场实施，建立矿井回风余热水源热泵系统。

3.工程实施效果

利用回风换热系统换热循环水向热泵机组提供余热量，当前回风余热水源热泵系统主要满足1#和2#主井防冻加热需要。。

将回风源换热系统与热泵制热系统运行监测的部分数据按运行延续时间整理成分布图，根据测试的基本数据可见，矿井排风温度基本稳定在23℃左右、提供余热量稳定，回风换热器换取循环水温度约为20℃。室外气温在-2.5℃以上，热泵机组负荷能力75%时，采暖供水温度最低约为46.2℃以上、最高50.1℃，机组最高可达到51.6℃（减载条件），供回水温差约为6.5℃；蒸发器出水温度12℃、进出水温差约为4.3℃；供1#、2#主井加热器、加热器出风温度与回水温度差约为6℃左右，最低出风温度33℃以上。为原有热泵系统补充热量约为3.2MW，机组蒸发器出水温度为12℃以上，证明还有大量余热量可供提取。矿井回风余热水源热泵系统有效地补充了水源热泵系统的供热能力，提高了供热系统的稳定性和可靠性。

三、结论

1．供热稳定性和可靠性较高

为保证矿井安全、人员健康及维持生产需要，必须向矿井连续输送新鲜空气，矿井通风经井下巷道和工作面时蓄含了大量余热。因此，生产矿井排风可连续为该系统提供较大的余热量，矿井回风余热水源热泵系统的供热稳定性和可靠性较高。

2．易于实现系统自动化管理

矿井回风余热水源热泵系统采用大风量高效回风换热器，换热效率高、提供热量大、热量输出稳定、可替代矿区锅炉供热，且系统主要由机电设备构成，机组成熟、系统简洁，运行管理操作方便。

3．良好的节能效益

矿井回风余热水源热泵系统提取矿井回风中余热，最大可提供余热量10MW，经热泵后供热能力13.5MW，能满足梧桐庄矿16MW最大供热量84%的需求。该系统可替代锅炉的当量供热能力约为10MW，假设冬季实际锅炉热效率62%，夏季压火运行热损失取45%。理论上一个采暖季净节约标准耗煤量约为5896t、非采暖季将热泵系统用于制取洗浴热水净节约标准耗煤量约470t。据统计1kg原煤=0.7143kg标准煤，则利用回风源热泵系统每年（扣除耗电量当量耗煤量）净节约原煤耗量8912t。

4．良好的减排效益

梧桐庄矿应用矿井回风余热水源热泵系统可实现供热能力13.5MW，采暖季可直接减少标准耗煤量约为7703t、非采暖季直接减少标准耗煤量626t，每年合计直接减少耗煤量约8329t（当量原煤耗量11661t/ a）。同时每年可减少污染排放5663t碳粉尘、20764t二氧化碳(CO2)、625t二氧化硫(SO2)、312t氮氧化物(NOX)。并且节省下的燃煤用于电站锅炉，可实现高效燃烧（效率93%以上）和热量的综合梯级利用，大大提高了能源利用效率，具有良好的社会效益。

（作者单位：冀中能源峰峰集团梧桐庄矿）

（责任编辑：周琼）