煤矿余热资源综合利用设计研究

吴学强

（中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院，南京 210049）

Y煤矿位于安徽淮南矿区陈桥区东北，设计生产能力为5.0×106t/a，设计服务年限为56.9 a。Y煤矿在建井期和生产期均拥有多种丰富且可靠的余热资源，如果采取措施加以利用，对企业来说可大力改善矿区环境，获得较好的社会效益，节约企业运行成本。

1 冷、热冷负荷统计

冷、热负荷数据引自Y煤矿初步设计中相关数据，详细数据如表1所示。为了能与矿井建设进度对应起来，同时方便热能利用方案实施，故将冷、热负荷分阶段统计。

表1 各阶段热负荷统计

煤矿主要行政生活福利建筑冷负荷采用总建筑面积的冷负荷指标法进行估算，详情如表2所示[1]。

由表2计算可得，建筑总面积为49133 m2，估算冷负荷总量为4851.8 kW。

2 余热资源分析

2.1 矿井深井水余热

Y煤矿建有四座水源井泵房，均位于工业场地以北500～1000 m近似矩形的区域里。根据矿方提供的数据，2013年生活平均小时用水量维持在60～70 m3/h；2015年地面工程全部建成后，生活平均小时用水量将达到130 m3/h。

深井水位于地下30～40 m处，最冷月平均水温能维持在15℃以上，是理想的低质低温热源，作为矿井建井期供热热源的组成部分，其定量分析如下。

表2 集中空调建筑物冷负荷统计

2.1.1 余热量

2015年以前余热量为：

2015年底及以后余热量为：

式中，c为水的比热（kJ/（kg·℃））；m为质量流量（kg/s）。

2.1.2 制热量

按照热泵机组的综合性能系数（COP）4.5计算，则2015年以前制热量为：

2015年底及以后制热量为：

2.2 空压机余热

Y煤矿空压机房设计安装六台MM300-2S风冷型双级螺杆式压缩机组，五用一备，每天工作16 h，全年工作330 d。机组正常排气温度在70～95℃，额定冷却风量为768 m3/min，冷却空气出口温度高于环境温度8～10℃，是理想的低质低温热源。空压机房于2014年投运，作为矿井建井期、生产期供热热源的组成部分，其定量分析如下。

根据上海英格索兰压缩机有限公司产品样本介绍，空压机产生的余热中有70%被润滑油吸收，剩余30%被压缩空气带走，可以回收部分是润滑油余热[2]。

2.2.1 余热量

2014年底及以后余热量为：

式中，n为工作压缩机台数；c为空气比热（kJ/（kg·℃））；ρ—为冷却空气进出口平均密度（kg/m3），取0℃时密度1.293；Q为体积流量（m3/s）。

2.2.2 制热量

按照热泵机组的综合性能系数（COP）4.5计算，则2014年底及以后制热量为：

2.3 矿井浴室排水余热

Y煤矿主要的洗浴热水用户是联合建筑，将于2013年底交付使用，联合建筑浴室正常生产时按三班制工作，每班排水1 h，达到设计人数时排水量为448 m3/d，2013年至投产前排水量按50%考虑[3]。浴室排水温度大约在30℃，是比较理想的低质低温热源，但由于其工作时间短、工作时间相对集中、排水量不稳定，需要对排水进行毛发收集、加压，需要考虑排水对换热器的腐蚀和堵塞等问题，浴室排水余热有其利用上的诸多限制条件，故将其作为矿井建井期供热热源的备用部分，其定量分析如下。

2.3.1 余热量

2013年底至投产的余热量为：

投产以后的余热量为：

2.3.2 制热量

按照热泵机组的综合性能系数（COP）4.5计算，则2013年底至投产的制热量为：

2.4 矿井回风余热

Y煤矿回风资源十分丰富，2015年井下贯通后回风量为5000～6000 m3/min，矿井生产前期回风量为370 m3/s，生产后期为430 m3/s。

矿井回风中蕴藏的热能十分巨大，投产后回风温度为20～22℃、相对湿度约85%，且十分稳定，是冬季非常理想的低质低温热源，作为矿井建井后期、生产期供热热源的主要组成部分。夏季，可以吸收矿井制冷工程中产生的冷凝热，作为矿井建井后期、生产期建筑物空调用冷源的天然冷却塔[4]。

2.4.1 冬季回风余热量

2015年井下贯通后至投产前，冬季回风余热量为：

生产前期，冬季回风余热量为：

生产后期，冬季回风余热量为：

式中，为回风换热器回风进出口平均密度（kg/m3），取13℃时密度1.234；h1为回风出口温度6℃、相对湿度98%时湿空气焓值（kJ/kg）；h2为回风进口温度20℃、相对湿度85%时湿空气焓值（kJ/kg）。

2.4.2 制热量

按照热泵机组的综合性能系数（COP）4.5计算，则2015年井下贯通后至投产前制热量为：

生产前期制热量为：

生产后期制热量为：

2.4.3 夏季回风冷却能力

2015年井下贯通后至投产前，夏季回风冷却能力为：

生产前期，夏季回风冷却能力为：

生产后期，夏季回风冷却能力为：

式中，为回风换热器回风进出口平均密度（kg/m3），取26℃时密度1.18；h1为回风进口温度22℃、相对湿度85%时湿空气焓值（kJ/kg）；h2为回风出口温度30℃、相对湿度99%时湿空气焓值。

2.4.4 制冷量

按照热泵机组的综合能效比（EER）5计算，则2015年井下贯通后至投产前制冷量为：

生产前期制冷量为：

生产后期制冷量为：

2.5 井下排水余热

Y煤矿生产期井下排水量充沛，正常涌水量581 m3/h，最大涌水量772 m3/h，灾变涌水量1629 m3/h，每天工作20 h，全年工作330 d。井下排水温度为30℃左右，且相对比较稳定，是理想的低质低温热源，作为矿井生产期供热热源的组成部分。

2.5.1 余热量

投产以后余热量为：

2.5.2 制热量

按照热泵机组的综合性能系数（COP）4.5计算，则投产以后制热量为：

2.6 瓦斯发电余热

Y煤矿按煤与瓦斯突出矿井设计，矿井达产后至一水平中期高瓦斯（30%）抽采量为15.28 m3/min，低瓦斯（10%）抽采量为6.55 m3/min，前期总抽采量21.83 m3/min；一水平后期，高瓦斯（30%）抽采量为36.20 m3/min，低瓦斯（10%）抽采量为15.51 m3/min，后期总抽采量51.71 m3/min，瓦斯资源比较丰富。

Y煤矿投产后拟建设瓦斯发电站一座，前期建设规模为8×500 kW，后期可达到7893 kW。发电机组年运行时间为6000 h，基本为全年运行。发电机组排烟温度为550℃左右，可以直接制备热水，是非常理想的免费高质高温热源，可以作为矿井生产期供热热源的组成部分。

为了充分利用瓦斯发电机组排气余热，每台机组排烟管后配套安装1台余热锅炉，经余热锅炉换热后排烟温度约为170℃。根据500GF1-3RW型瓦斯发电机组样本介绍，每台发电机组排烟余热可回收热量870 MJ/h，则生产前期的总制热量为：

2.7 井下降温冷却水余热

Y煤矿为立井开拓，井底车场水平为-945 m，井下热害问题尤为严重，故采用了机械制冷降温措施，设计了井下降温用地面制冷站。制冷站工作时间为夏季两个多月时间（约75 d），每天基本连续运行。井下降温用制冷机组产生的冷凝热非常大，其冷却水设计总流量达2000 m3/h，冷却水进/出水温度分别为32℃、38℃，是理想的低质低温热源，作为矿井生产期夏季生活热水供热热源的组成部分。

2.7.1 余热量

投产以后余热量为：

2.7.2 制热量

按照热泵机组的综合性能系数（COP）4.5计算，则投产以后制热量为：

3 冷、热源确定

3.1 热源容量统计与热负荷统计比较

热源容量统计如表3所示，热负荷统计结果如表4所示。

3.2 冷源容量统计与冷负荷统计比较

冷却塔能力对应冷源容量统计如表5所示，冷负荷统计结果如表6所示。

表3 热源容量统计

表4 热负荷统计

表5 冷却塔对应冷源容量统计

表6 冷负荷统计表

3.3 各阶段热源结构组成

2013年，Y煤矿安装有一台2 t/h的临时蒸汽锅炉，折合热功率1.4 MW，用于建井期临时供热，故矿井各阶段热源组成结构为：

第一阶段：采用“矿井深井水热泵＋2 t/h蒸汽锅炉”组合作为基本热源，矿井浴室排水热泵作为备用热源，满足了供暖期总热负荷。

第二阶段：采用“矿井深井水热泵＋空压机冷却水热泵＋2 t/h蒸汽锅炉”组合作为基本热源，矿井浴室排水热泵作为调峰热源，两种热源同时运行满足了供暖期总热负荷。该阶段同时采取了以下辅助措施：错开淋浴和池浴热水的加热时间，有效减小了生活供热热负荷。

第三阶段：采用“矿井深井水热泵＋空压机冷却水热泵＋矿井回风水源热泵＋蒸汽锅炉”组合作为基本热源，矿井浴室排水热泵作为调峰热源，而本阶段稳定热源量只有8307 kW（不包含浴室排水热泵），尚有2603.5 kW的缺口，为保证井筒防冻的安全，只有从供暖、生活供热上解决供需矛盾。该阶段同时采取了以下辅助措施：一是错开淋浴和池浴热水的加热时间；二是适当降低了室内供暖温度。非供暖期（供冷期除外）仍采用蒸汽锅炉供热。

第四阶段：采用“空压机冷却水热泵＋矿井回风水源热泵＋瓦斯发电余热”组合作为基本热源，其他余热资源均作为备用热源，充分利用瓦斯发电余热，不足部分用空压机冷却水热泵、矿井回风水源热泵补足。

第五阶段：采用“空压机冷却水热泵＋矿井回风水源热泵”组合作为基本热源，其他余热资源作为备用热源。空压机冷却水为优先使用能源。

3.4 各阶段冷源结构组成

第一、第二阶段均无冷负荷。

第三阶段：采用冷水（热泵）机组制冷。供冷期白班停止运行蒸汽锅炉，将制冷机组的部分冷却水接入生活热水热泵机组的蒸发器，免费提供生活热水，实现了制冷机冷凝热的能量回收，多余冷凝热排至矿井回风这座天然冷却塔中，晚班仍运行蒸汽锅炉。

第四阶段：采用冷水（热泵）机组制冷。同期生活热水的制备方式仍主要依靠瓦斯发电余热，白班不足部分采用制冷机组冷凝热能量回收方式补足，晚班不足部分采用井下降温冷却水热泵补足。

第五阶段：供冷期冷负荷与第四阶段一致。同期白班生活热水采用制冷机组冷凝热能量回收方式提供，晚班采用井下降温冷却水热泵提供。

3.5 冷、热源控制原则

各时期采用免费能源优先的控制原则，一年四季最大限度地利用免费能源，并利用节能能源。通过联动控制柜自动控制节能能源设备开启，各种能源设备均全自动运行，集中控制。

4 结语

经定量分析计算，Y煤矿余热资源丰富，回收各种余热资源并加以组合，可替代传统的燃煤锅炉，满足了煤矿各个阶段供热、供冷等生产生活需求。

参考文献

1 中华人民共和国住房和城乡建设部工程质量安全监管司.全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调·动力[S].北京：中国计划出版社，2009.

2 赵忠玲，姜晓云，孔德志，等.彭庄煤矿余热综合利用可行性研究[J].煤炭技术，2016，35（10）：178-180.

3 中国煤炭建设协会.GB50215-2005煤炭工业矿井设计规范[S].北京：中国计划出版社，2015.

4 唐玲玲，祝 健，姚 曜，等.某矿井余热资源利用系统研究[J].供热节能，2017，（5）：18-21.