煤矿风井余热供热系统应用

赵轶君

（大同煤矿集团白洞煤业有限责任公司，山西 大同 037029）

0 引言

我国能源消耗多数是依靠矿物燃烧而得到的，尤其是煤炭燃烧。在燃烧过程中，会产生大量的二氧化碳和二氧化硫，给环境带来较大影响。经过调查显示，矿井通风中，压风机具体运行过程中均存在较大的热能，应用矿井回风热源泵技术以及压风机余热回收技术，能够对传统煤矿供热模式进行改变，对节能减排工作也具有重要意义［1-3］。以某矿区为例，分析该矿区当中存在的余热能源，同时研究如何借助余热供热系统实现供热，具有一定现实意义。

1 煤矿风井余热资源利用

1.1 排水余热回收技术

对矿井排水余热进行回收，主要是排水过程中出现的余热进行回收，以防止矿井水当中出现有害成分，对热泵机的正常使用带来影响。对此，在进行余热回收之前，一定要对矿井水进行科学处理，目前比较常见的回收方式主要有：在热泵机组以及矿井集水池的旁边安装相应过滤器，或者安装旋流除砂器，对矿井中存在的尘土进行净化处理，在对矿井水进行具体净化过程中，利用矿井水流经热回收系统的同时，对矿井水作出相应处理，通过这种方式，能够有效减少矿井水热量损失。对矿井水进行具体过滤过程中，主要可以分成初级过滤和高级过滤，这就能够减少经过热泵机组的尘土，不但能够保护热泵机组，还能在一定程度上提升转换效率［4-6］。

1.2 空压机余热利用技术

空压机余热利用技术，主要是对热能作出适当的转换。例如，当空压机具体运转的过程中，可能会出现较多热量资源，此后对这些资源进行适当回收和转换，将其转换到水中，借助水吸收大量热能，此时水温则会有所上升。与此同时，空压机温度逐渐降低，这种情况下不但可以实现热量回收目的，同时还能够确保空压机安全运行［7-8］。空压机余热技术的应用，可以充分利用压缩机热能，同时提供75℃的热水，比较适合用于矿区建筑取暖或者职工洗浴，且能够对空压机原有系统进行停用，从而实现大幅度节能。

2 煤矿风井余热资源概况

2.1 风井场地总耗热量计算

以某煤矿为例，存在7 000 m2地面建筑采暖，采暖需要将室内温度控制在18～24℃之间。每一年大约有300位工作人员需要洗浴热水制备，要求洗浴水温在45℃以上。在冬季对风井进行防冻加热处理，确保进风量控制在2 200～2 500 m3/min之间，同时要求冬季进风温度保持在2℃以上。对相关数据进行计算之后得出，建筑采暖最大负荷为648 kW，而洗浴热水制备的最大负荷为195 kW，在井口位置需进行防冻加热处理，其负荷量为1 725 kW。表1为供热负荷表。

表1 供热负荷表

2.2 矿井余热资源

结合现场调查，这一煤矿风井场地可以进一步开发和利用，其存在较为丰富的余热资源。对风井场地当中的压风机余热量进行计算，计算公式为

式中：Qy—压风机余热量，kW；N—压风机单机装机容量，取180 kW；n—运行台数，本风井中共使用2台；ρ—平均加载率，取75%；K—热回收率，取65%。通过上述公式可得Qy=175.5 kW。

对矿井回风余热量进行计算，结合相关调查显示，这一煤矿的回风量大约6 500～85 000 m3/min，按照15℃的温度进行计算，相对湿度为60%，技术人员进行综合取热装置后，将排风温度控制在2℃，其中相对湿度为95%，对余热量进行计算，其具体公式为

式中：Qf—矿井的回风余热量，kW；L—设计回风量，取6 500 m3/min；ρ—回风密度，取1.22 kg/m3；Hi—回风进入综合取热器焓值，取31 kJ/kg；H0—回风经综合取热器后所得的焓值，将其设置为12.5 kJ/kg；60—属于单位转换系数。计算可得Qf为2 445 kW。

经过上述计算之后得出，该风井当中的余热资源为压风机的余热量175.5 kW和矿井回风余热量为2 445 kW。对这一煤矿进行分析，其余热总量大约为2 620.5 kW，分析后发现其可以满足风井场地的供热负荷需求。

3 煤矿风井场地余热利用策略

结合风井场地压风机余热资源，对热量规模和连续性、稳定性等指标进行分析，要求这些指标可以充分满足这一场地洗浴热水对供热的需要，因此将其作为洗浴热水系统的供热热源。而对于压风机余热而言，上述计算得出为214 kW，使用3台余热回收设备，其平均回收热量大约为107 kW，两用一备，要求其和压风机相互对应，并且要求其能够联锁运行，借助单独的室外管系统。

此外，还需要使用2台回风热泵，本风井使用的是型号为SRSL-1210的回风热泵。制热量控制在1 220 kW，将热水供回水水温控制在50℃/45℃，在采暖季节需要使用2台主机运行，而室外则安装2台主机具体运行，其中一套是用于建筑采暖，另一套则应用于井口加热，在采暖季节以外的季节，停用设备。

为了确保井筒的温度始终满足生产需要，方便对其进行运行管理，有效节约资源，对进风井空气进行加热，主要是借助某煤矿当中的专用防冻型空气加热设备，一共使用6台，其制热量需要控制在303 kW，而风量控制在15 000 m3/h，总体供热量控制为1 818 kW。

4 系统投资和系统效益

4.1 系统投资估算

结合供热系统的规划设计，同时分析使用的主要设备情况，经过相应计算后得出最终投资为524万元，使用设备主要有风机余热回收机组3套、一次热水循环泵2台、二次热水循环泵2台、板式换热器2台、保温蓄热水箱1个等。同时还需要使用回风热泵压缩冷凝机组2台、回风取热箱8台、热水循环泵2台等。

4.2 系统效益

能耗：洗浴使用的热水制备系统，假设全年365 d，24 h运行，经过计算后得到每台需要耗能1.5 kW，那么全年耗能为：1.5×2×365×24/10 000=2.63万kW·h。

建筑采暖和措施井防冻加热系统：冬季一共需要使用2台热泵，并且需要使用1台热水循环泵以及6台加热机组。在冬季，采暖季一共有120 d，假设每天需要24 h运行，所花费的电量则为（169×2×0.4+45+3×6）×120×24/10 000=57.08万kW·h。经过总体计算所得，这一煤矿的风井场地中，余热供热系统的全面能耗高达59.71万kW·h。

4.3 投资与运行费用

本系统使用所耗费的能源费用为：结合当地电价0.68元/kW·h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。此外，系统运行过程中，还需要花费一定的设备管理和维护维修费用，该系统运行过程中一共配置了3人，平均年工资按照5万元进行计算，管理费用约为15万元，该系统每年总投资约为524.44万元。以往工程中，根据总投资的2%进行计算，得出系统每年运行保养费用为524.44×0.02=10.5万元。对于余热供热系统而言，经过计算后得出全年总运行费用为66.1万元。如果使用传统蒸汽锅炉进行供热，在供热过程中需要配备一台6 t/h的蒸汽锅炉，其整体负荷约为60 kW，其中的燃煤蒸汽锅炉每年的综合热效率大约为50%，每年费用约为142万元。

通过对上述各项费用进行计算得出，应用传统锅炉，总投资大约为300万元，如果应用余热回收系统，总投资大约为524.44万元，对上述内容进行计算，得出这一项目施工完成之后，和传统锅炉相比可以节省成本约为（142-66.1=74.1）74.1万元。余热回收系统和燃煤蒸汽锅炉供热方式对比，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 a，可见本项目实施具备良好的经济效益。

5 结语

综上所述，采用传统供热方式，耗费大量能源的基础上，对环境带来一定影响，与此同时还会花费大量资金，给企业带来较大经济负担。煤矿风井在运行过程中产生大量余热，经计算后发现，这些余热完全可以满足供热需求，因此对煤矿风井余热供热系统进行应用，能够有效节约能源，并且节省大量供热资金，减少成本投入，为企业带来较大经济效益。