矿井风井余热综合利用技术研发与应用

姜涛

摘要： 根据国家环保政策对燃煤锅炉淘汰规定，田陈煤矿北井采用矿井余热方式解决矿工洗浴热水，以及生活办公采暖和井口冬季保温及防冻；夏季亦可制冷用于井下降温和职工生活。

Abstract： According to the national environmental protection policy on the elimination of coal-fired boilers， the north well of Tianchen Coal Mine adopts the mine waste heat to solve the miners' bathing hot water problem， as well as the living office heating and wellhead winter insulation and antifreeze； in the summer， it also can be used for cooling the well and employees.

关键词： 风井；余热；利用技术；研发

Key words： air shaft；waste heat；utilization technology；R&D;

中图分类号：TD72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0116-02

0 引言

根据国家环保政策对燃煤锅炉淘汰规定，田陈煤矿北井锅炉属于被淘汰之列，明确规定必须停止运行。为此田陈煤矿北井采用矿井余热方式解决矿工洗浴热水，以及生活办公采暖和井口冬季保温及防冻；夏季亦可制冷用于井下降温和职工生活。

1 目前田陈北井锅炉运行基本情况概述

田陈煤矿北井目前常驻5个采掘及机电区队，常驻职工约900人，使用1台4T/h和1台2T/h燃煤蒸汽锅炉，供北井工广区域职工洗浴和冬季采暖，副井口保温防冻。

1.1 北井供暖及洗浴基本要求 ①工业广场建筑冬季供暖（面积9735m2）。冬季供暖要求新建系统供暖面积大于10000m2，并留有20%以上的余量，系统供水温度：45-50℃，要求室内温度不低于24℃；副井口进风量7100m3/min，副井筒进风温度≥5℃。供暖时间为120天，即11月15日至次年3月15日。天气发生异常情况时，应提前或延长供暖时间±10天。浴室、更衣室需根据天气情况提前或延长供暖时间30天。②洗浴热水（400立方/天）。洗浴热水要求：池浴水高于45℃，淋浴水适当高于45℃以上，全天洗浴热水按400m3设计。浴室内喷淋设施承包方须重新设计，重新安装喷头和自动控制阀门，人离水停，节约用水。③夏季澡堂更衣室及食堂供冷（面积2000m2）。夏季系统冷水温度，达到7～12℃，风机盘管具备除湿功能，总供冷面积大于2000m2，要求室内温度不高于24℃。④副井口夏季制冷：90天。具体运行时间，据气温情况确定。夏季至少运行一台机组专向井口供冷，且具备除湿功能，副井口进风量7100m3/min。下井口进风温度比井上气温最少降低6℃，必要时可进一步降温。

1.2 实际热力负荷需求情况 ①广场建筑采暖热负荷：681kW；②副井口保温与防冻热负荷：1946kW；③洗浴热水负荷：580kW；④总热负荷3207kW。

1.3 北井燃煤锅炉运行费用情况 目前田陈北井共有锅炉司机、水质化验工、兼职维修工等共10人，年统计燃料约1833吨。北井燃煤锅炉年运行费用265.1万元。

2 北井可供利用的余热情况分析

2.1 可利用热源分析 ①矿井通风机乏风情况：田陈煤矿北井矿井排风量7100m3/min，冬季排风温度>22℃，相对湿度85%。夏季排风温度28℃，相对湿度>90%。②空压机余热利用情况：目前安装有空压机4台，其中60 m3/h三台，30 m3/h一台，正常时，一台60m3立方/h空压机常时运行，另一台30m3/h空压机间断运行（约10h/d）。③有一座污水处理站可供利用。污水处理量约400 m3/d，温度18℃左右。

2.2 可利用热源能力计算： ①矿井乏风可提取供热量：4918kW；②空压机供热量：321kW；③余热总热负荷：5239kW。

2.3 余热利用结论 通过分析计算，矿井乏风及空压机可提供的供热能为5239kW，实际需要的热负荷为3207kW，完全可以满足用热需求。

2.4 矿方可利用的设施 ①可利用锅炉房现有沉降水池改造为新建系统调节水池，可利用现有锅炉房及值班室改造为新建系统机房。②可提供6000V接入口给乙方新安装的箱变供电。③可利用现有地暖和暖气片采暖及管路系统，但必须满足采暖要求，现有换热机组需要更换。

3 拟采用的热能综合利用技术

3.1 空压机余热回收利用技术方案 空压机工作最终是一个等温压缩过程，运行中会产生大量热能，实际运行中大约超过65%以上的功率会产生热能，仅有40%左右功率产生空气势能。目前压风机采用水循环加冷却塔方式给予压缩机冷却，以保证压风机正常工作。

余热利用方案拟采用外置高效换热器，改造目前水冷却方式，提取空压机运行过程中产生热量，而且冷却效果更优异，可回收余热制备最高75℃的热水，用于洗浴。

空压机热水机特点：①可以很简单全自动清洗换热器的水垢；②节能效果好（节能60%）；③解决水/油可能渗透的问题；④控制油温，空压机油温在80～90℃；⑤回收空压机轴功率的60%，产热水量多；⑥水溫的精准控制，进水温度10～20℃，循环一次产生热水温度高达60℃；⑦圆管结构油道顺畅，阻力小，油气压降小；⑧提高空压机的产气量8～10%；⑨减少冷却系统60%的负荷；⑩使用寿命达10年以上；{11}能为工厂降低能耗3～7%。

3.2 矿井乏风换热技术 目前的矿井乏风换热技术喷淋水风水换能方式：喷淋式回风换热系统是采用二次循环方式（即风-水热交换，水-氟利昂热换热器交换两个过程）。主要包括扩散塔、回风换热器、循环水池、热源水循环泵等。回风换热器喷淋水在换热器和扩散塔中与回风充分接触换热后，经管路汇流至循环水池。热源水循环泵将循环水池的水供至水源热泵机组，为其提供热源，之后返回回风换热水池完成热源水循环，换热循环水泵将从热泵机组提取热量后的循环水再次送入回风换热器，完成换热水水循环。其基本原理就是利用氟利昂液态气态转换产生吸热与放热过程进行热能交换，制备热水或冷水，也就是日常的空调机原理。其物理学原理是利用“淋水式表焓取热”原理，将热量转换到循环水中，再用热泵回收循环水中热量的办法，回收乏风的余热。

4 余热回收利用技术方案

利用矿井乏风余热、空压机余热，建设“田陈煤矿北井余热综合利用项目”用于田陈煤矿北井建筑的冬季供暖及副井口保温与防冻、全年职工洗浴热水制备及夏季澡堂更衣室、食堂供冷的需求。热泵机组根据热负荷的大小调节运行数量，关闭机组的同时关闭机组的电动阀，减少循环水量。系统通过调节热泵机组和水泵的运行状态，实现系统节能运行。全系统采用集中控制，参控设备约50台，采用计算机+PLC控制。根据主要工艺流程，集控系统包括热泵机房系统、回风换热系统、井口空气加热系统等。

4.1 热泵运行方式：热泵运行台数根据热水供回水的热量和温差进行控制。开启机组时开启相应机组电动阀。系统启动时，应先开启供水设备、水处理设备，再开启补水设备，补水完成后，开启循环泵，待循环流量达到机组的要求后，开启机组。关闭顺序反之。

运行方式选择：本系统设有集中控制和就地控制两种方式。集中控制又分为联锁自动、联锁手动和手动三种方式，其中联锁自动用于正常生产，自动时，系统各设备按程序自动启停；联锁手动时，需按各设备间的联锁关系，通过计算机界面启停。手动和就地时没有联锁关系，只用于检修和调试。

4.2 分季节运行方案 ①冬季供暖季，运行乏风采热系统水源热泵机组工作向工广建筑和井口供暖，另取部分热能供洗浴用水，压风机取热系统运行供洗浴用水。②夏季供冷季，运行乏风采冷系统水源热泵机组向工广建筑和井口供冷，另取部分热能供洗浴用水，压风机取热系统运行供洗浴用水。③春秋（非供暖、供冷）季供暖季，乏风采暖系统水源热泵机组停运，只运行压风机取热系统供洗浴用水，不足部分运行空气源热泵进行补充。

5 主要装机设备及系统概况

所选设备均为能耗指标先进的节能产品，如选用能效比高的变频降膜式螺杆水源热泵机组。热水和热源循环泵均采用变频启动、调速控制，使水泵的设备功率输出，随系统所需水量的变化而变化，使其始终在高效区运行。

6 采用的运行模式

①冬季供暖费用：冬季供暖期为120天，水源热泵机组输入功率为306.4kW。2台热泵机组冬季运行24小时/天，满负荷运行折算系数取0.6。循环水泵等其他设备功率按热泵机组输入功率的30%计算，电费0.65元/度，则冬季水源热泵运行费用为：306.4×120×24×0.6×0.65×1.3×2=89万元。②热泵机组制备洗浴热水年运行费用：制洗浴热水热泵功率86kW，机组每天运行16小时。循环水泵等其他设备功率按热泵机组输入功率20%计算，电费0.65元/度，全年热泵机组运行费用：86×16×245×0.65×1.2=26万元；新系统年运行费用：89+26=115万元。本项目矿井单位不作任何投资，不承担建设和运行风险，采用合同能源管理模式运作，承包运行六。期间矿方只需每年将节约的原来的运行费用按适当比例和年限划拨给投资方即可，所有的投资、管理、设备维护、系统运行都交由投资方即可，矿方只享受服务，不用参与任何事情。第七年各项投资产权矿方。

7 主要创新点

①本项目中涉及一种风塔换热装置，具体为一种矿井排风风塔二相流体高效逆流混合换热系统。解决了目前矿井排风换热技术换热效率低、飘水率高、建设成本高的问题。②本项目中涉及空压机高效油-水换热系统技术，解决了系统面临的管道结垢、换热效率低、清洗维护困难的问题。③系统春秋两季提取生活中水的热量制备洗浴热水，达到废水利用，节能环保的目的。该技术2017年8月开工，11月15日运行，应用完成后年节约资金100万元，并且彻底解决燃煤锅炉问题，节能量1365吨标准煤/年，减少二氧化碳排放3412吨/年，减少碳排放928吨/年，减少二氧化硫排放102吨/年，减少氮氧化物排放51吨每年，产生良好的社会效益。

参考文献：

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[2]韩磊，裴婷.矿井余热利用技術研究现状及展望[J].应用能源技术，2013（05）.

[3]杜春涛，董志峰，孟国营，刘建功.矿井回风喷淋换热器节水及换热效率影响因素研究[J].煤炭科学技术，2012（12）.