某矿井余热资源利用系统研究

汤玲玲 祝 健 姚 曜 刘 饶



某矿井余热资源利用系统研究

汤玲玲 祝 健 姚 曜 刘 饶

（合肥工业大学 合肥 230009）

通过对某矿区矿井余热资源的调查与分析，应用先进的节能技术，开展废热和余热的回收利用分析与设计。利用少量的电能，采用回风热泵技术和压风机余热回收技术，供应矿区地面建筑采暖、职工洗浴和井筒防冻用热的需要，取代传统锅炉房，节约煤炭的消耗量，减少环境的污染。

矿井回风；压风机余热；回收利用；经济分析

0 引言

在我国，能源结构主要依靠矿物燃烧，特别是煤炭矿物燃烧产生大量的CO2、SO2等有害气体，所带来的环境问题不可小觑[1]。调查发现矿井的通风中以及压风机运行过程中含有大量热能，利用矿井回风源热泵技术和压风机余热回收技术回收其能量，对于改变传统的煤矿供热模式有着重要的变革意义，同时对节能减排工作同样具有重要意义[2]。本课题的研究项目位于安徽省凤台县城西20km处，行政区划隶属于凤台县岳张集镇。课题拟结合矿区实际情况，应用现有的先进节能技术，开展余热回收利用分析与设计，采用矿井回风热泵和压风机余热回收新技术，为工业场地建筑提供冬季供暖、井口防冻，以及厂区全年的生活热水提供热源，研究和实践“低碳运行生态矿山建设”的理念。

1 工作原理

矿井回风源热泵系统由矿井回风换热器和扩散塔（二者共同构成回风换热装置）、动力装置、集水池、汇水槽及附件组成。矿井回风热回收系统的核心装置是回风换热器。矿井回风在风机作用下压入扩散塔内，从而使矿井回风转变为低速、均匀、稳定的气流，该气流与回风换热器中喷淋出的高密度的雾化水滴充分接触，从而完成气水之间的热湿交换，交换后的矿井回风通过挡水板排至大气，喷淋水进入汇水槽，然后输送至热泵机组，系统图[3]如图1。

矿井压风机是一个能耗比较大的矿井常用动力设备，在矿井压风机工作过程中，一部分热能转变成压缩空气的势能，一部分热能以废热的形式被排放到空气中浪费掉。同时，为降低空压机的油温，还需要消耗电能开动冷却风机来降低油温，以保证空压机的正常运行。利用压缩机运行过程中的高温油气的热能，通过高效热交换器，将热能传递给常温水。如图2原理图所示，通过能量转换，在降低压缩机油温度同时，将生活热水进行预加热，实现废热回收[4]。

图1 矿井回风源热泵系统图

图2 压风机热回收原理图

2 工程概况

2.1 矿风井场总耗热量计算

（1）7000m2地面建筑采暖，采暖室内温度要求18-24℃；

（2）全年约300位工作人员洗浴热水制备，洗浴热水温度要求>45℃；

（3）措施进风井冬季防冻加热，其进风量2200-2500m3/min，冬季要求进风温度>2℃。

经计算，建筑采暖最大负荷为648kW，洗浴热水制备最大负荷195kW，井口防冻加热负荷1725kW，见表1。

表1 供热负荷

2.2 矿井余热资源调查与分析

根据现场调查，该煤矿风井场具有开放利用价值的余热资源情况如下表。

表2 风井场余热资源情况统计

2.3 余热量计算

（1）压风机余热量

式中：Q为压风机余热量，kW；为压风机单机装机容量，180kW；为运行台数，2台；为平均加载率，75%；为热回收率，65%。由式（1）得，Q为214kW。

（2）矿井回风余热量计算[5]

根据调查了解，该煤矿回风风量约6500-8500m3/min，温度按15℃，相对湿度60%，经过综合取热装置后，设计排风温度2℃，相对湿度95%计算其余热量，具体如下：

式中：Q为矿井回风余热量，kW；为设计回风量，6500m3/min；为回风密度，1.22kg/m3； H为回风进入综合取热器焓值，31kJ/kg；0为回风经综合取热器后焓值，设计12.5kJ/kg；60为单位转换系数。由式（2）得，Q为2445kW。

（3）张集矿井风井场余热量汇总。

表3 余热量汇总

该煤矿风井场余热量总计2659kW，其余热量完全满足风井场供热负荷2568kW的需求。

3 余热利用的实施方案

根据风井场压风机余热资源情况，其热量规模、连续性、稳定性等指标完全满足该场地洗浴热水供热需求，故可采用该压风机余热作为该洗浴热水系统供热热源[6]。压风机余热约214kW，选择压风机余热回收设备3台，平均回收热量为107kW，两用一备，与压风机一一对应，且连锁运行，采用单独的室外管网系统。

回风热泵主机可选配2台SRSL-1210，制热量：1220kW，热水供回水温度：50℃/45℃，采暖季2台主机运行，室外设置两套管网系统，由机房内的集分水器接出，一套为建筑采暖用，另一套给措施井口加热用，其他季节停用。

为了确保井筒内的温度满足生产要求，便于运行管理，节约能源，进风井空气加热设计选用某煤矿专用防冻型空气加热设备共计6台，制热量：303kW，风量：15000m3/h，总供热能力为1818kW。

4 系统投资估算

根据供热系统规划设计及其主要设备选配情况[7]，经计算该煤矿风井场余热回收供热系统项目总投资约为524万，详见表4。

表4 余热供热系统投资估算

5 系统效益分析

5.1 能耗分析

（1）洗浴热水制备系统全年能耗[8]

该系统全年只有两台水泵耗电，每台1.5kW，全年365天24小时运行，则其全年电耗为：1.5×2×365×24/10000=2.63万kWh。

（2）建筑采暖与措施井防冻加热系统

冬季运行2台热泵、1台热水循环泵和6台加热机组，冬季采暖季120天，每天24小时运行，其电耗为：（169×2×0.4+45+3×6）×120×24/10000 =57.08万kWh。

（3）该煤矿风井场余热供热系统全年总电耗：59.71万kWh。

5.2 投资与运行费用分析

（1）能源费用

按当地平均电价计算0.68元/kWh计算，该煤矿风井场余热供热系统全年供热电能消耗费用为：59.71×0.68=40.6万元。

（2）年运行管理费用

余热供热系统运行管理人员需配置约3人，平均年人工资福利按5万元计算，其管理费用约15万元。

（3）系统设备年维护保养费用

该系统总投资约524.44万元，根据以往工程经验，可按总投资的2%计算该系统年运行保养费用：524.44×0.02=10.5万元。

（4）余热供热系统全年总运行费用：66.1万元。

（5）如采用传统燃煤蒸汽锅炉供热方式，根据前面的计算的最大设计供热负荷，需配置1台6t/h蒸汽锅炉。锅炉房整体配电负荷约需60kW；燃煤蒸汽锅炉全年综合热效率50%，年费用合计为142万元，计算见表5。

表5 燃煤锅炉运行费用分析

5.3 效益分析

5.3.1 经济效益

经计算，如采用传统燃气锅炉总投资约为300万，如采用余热回收系统，总投资约为524.44万，结合前面分析计算，本项目实施完成后，较燃煤蒸汽锅炉供热系统全年可节省运行费用（142-66.1=74.1）75.9万元。本项目较燃煤蒸汽锅炉新增总投资约为（524.44-300=224.44）224.44万元，其静态投资回收期为：224.44/75.9=2.95年，可见本项目实施具备良好的经济效益。

5.3.2 社会效益

本项目全年最大供热负荷为2568kW，燃煤蒸汽锅炉系统全年耗热量为2.5万GJ；余热利用系统消耗电能79.18万度；按我国煤电折算标准（1度电消耗0.298kg标煤），本项目全年运行相当于消耗标煤量为236吨；如采用燃煤锅炉供热，其全年综合热效率按50%计算，燃煤锅炉需消耗标煤1708吨。本项目实施后，可减少标煤燃烧量1472吨，其节能减排率高达86%。减排的污染物量见表6，减排的环境价值见表7。

表6 污染物排放量

表7 减排环境价值

从上表看出：本项目实施后，可减排各种污染物约0.58万吨，可获得的环境效益约为33.1万元。

6 结论

由以上统计计算及对比分析可得，采用矿井余热资源利用系统，和燃煤锅炉相比，每年可节省运行费用97.1万元，节约标煤1472吨，减排各种污染物约0.58万吨，可获得的环境效益约为33.1万元，具有显著的社会、经济和环境效益[9]。矿井余热资源利用系统，有效的提取了矿井回风中的低品位能源和压风机的余热，降低能耗，真正意义上实现了系统的低碳高效运行。

[1] 韩磊.矿井余热利用技术研究现状及展望[J].应用能源技术,2013(10):36-39.

[2] 邓宝.热害矿井空气能系统降温与废热提级利用系统设计[J].制冷与空调,2014,28(3):302-303.

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[4] 王彦.矿井压风机热能回收综合利用的研究和应用[J].能源技术与管理,2014,39(4):139-130.

[5] 刘军辉.风源热泵系统在东庞矿的应用研究[J].河北煤炭,2012,(3):66-68.

[6] 郭学功.矿井压风机余热回收装置技术实践[J].科技视界,2012,(28):401-403.

[7] 马最良.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

[8] 朱冬冬.曙光煤矿矿井回风源热泵系统节能分析[J].中国高新技术企业,2013,(24):75-77.

[9] 黄兴晨.热泵原理及发展和供热经济性分析[J].应用能源技术,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

汤玲玲（1987-），女，在读硕士研究生，E-mail：947760220@qq.com

祝 健（1967-），女，副教授，硕士生导师，E-mail：244532273 @qq.com

2015-12-09