矿井余热回收再利用技术在凉水井煤矿的运用

高丽(陕西能源凉水井矿业有限责任公司，陕西 神木 719319)

0 引言

目前，我国的能源消耗量巨大，尤其是煤矿能源已经出现了供不应求的现象，这使得国家需要大量对外进口煤矿，进口量巨大，截止2020年12月底，我国全面进口煤炭超过3.84亿吨，同比增长0.9%，给国家带来了巨大的经济压力。在这一背景下为了缓解经济压力，且满足全国上下的煤矿能源需求，我国进入了全民节能时代，各方面能耗都要尽可能减小，故凉水井煤矿在以往应用中的消耗量巨大，其他技术手段虽然能降低能耗，但不够清洁，给相关企业造成了困扰，而矿井余热回收再利用技术的出现同时解决了节能、清洁两大问题，破除了现有困扰，因此有必要展开相关研究，旨在推广该项技术，尽快实现凉水井煤矿供暖节能。

1 矿井余热回收再利用技术的形式

目前，矿井余热回收再利用技术主要有三种形式，即空压机余热回收技术、矿井涌水余热回收技术、矿井回风余热回收技术，各项技术的具体内容如下。

1.1 空压机余热回收技术

空压机余热回收技术在近些年得到了人们的广泛关注，原因在于该项技术经济效益、节能效果非常优秀，且安全性等也有一定保障。该项技术主要装置是空压机余热回收装置，该装置启动后，初期因为装置内冷却油温度较低，所以冷却油通向换热器的阀门会关闭，使得冷却油在内部封闭环境中循环流动，这个过程中冷却油会与装置发动机进行热量交换(发动机运作后会逐渐产生热量)，让冷却油吸收热能，可有效控制设备温度，而当冷却油的温度达到阈值后换热器阀门打开，冷却油进入换热器接触到外部冷却水，冷却水会吸收冷却油现有热量，使得冷却油温度降低，完成后冷却油继续回到装置内，因为温度低，阀门再次关闭，而冷却水吸收热量之后温度上升，实现了余热回收。最后，人们可以利用冷却水回收的温度进行供暖，能有效减低能耗。

1.2 矿井涌水余热回收技术

矿井涌水余热回收技术的基本原理是热泵原理，可以用少量电能吸收水中的低位热能，随后将该热能供给高位热能用户。在这一基础上结合凉水井煤矿，矿井涌水余热回收技术能够将矿井水视作热源，采用热泵设备提取热能，热能可以用于现场用水加热。矿井涌水余热回收技术具体原理为：第一，压缩机能够生产出制冷气体，气体具有高温高压特征，因此当气体进入冷凝器，可以将其中热量释放出来，并转换为高压液体；第二，压缩机制冷气在冷凝器中释放的热量会被采集，采集后即可供暖；第三，释放了热量后的高压液体会循环进入膨胀阀，处理后成为低温低压液体，再进入蒸发器，经过蒸发器处理低压液体吸收热水热量，转化为低压蒸汽。通过这种循环方法，可实现余热回收利用。

1.3 矿井回风余热回收技术

凉水井煤矿源于地下，而地下拥有丰富的地热资源，这些资源在被开发之后会随着空气流动出风，出风温度满足人们需求，这时即可采用矿井回风余热回收技术回收余热。矿井回风余热回收技术的种类很多，因此余热回收方法较多，其中较具代表性的是深焓取热回风热泵技术，该项技术的原理为：采用深焓取热回风热泵构建双级深焓取热系统，系统能在风中采集余热，采集方法同样是换热法，即系统内有回风取热箱，箱内的防冻液管路可与回风接触，故防冻液将吸收风中热能，并且通过热泵机组蒸发器对外散发，可加以利用[1]。

2 技术系统构建方案与保障机制

2.1 构建方案

系统构建中工作人员要计算凉水井煤矿热负荷与余热资源能量的匹配性，并完成热能用户的分类，最好供热规划工作，要建立对应的供热配置，本文以某矿区为例，对技术系统构建方案进行论述，该矿区共有两个场地，经过计算确认各场地热负荷与余热资源能量匹配性良好，且相当，故均匀供热即可[2]。结合要求，本文将采用以上三大技术形式构建综合型凉水井煤矿矿井余热回收再利用技术系统，即系统可分为空压机取热、涌水取热、回风取热三个板块组成，各板块之间紧密连接，能够最大限度地吸收现场热能，并将热能汇总后对外均匀分配，为保障热能分配均匀，本文采用了封闭式装置支撑热能汇总，并在该装置上安设了相同规格的阀门，当装置内热能达到一定水平之后阀门才会打开，受后续风力推动向两个阀门外的管道输出，实现均匀供热，推动风力温度与装置内热能温度相当。另外，本系统构建方案除了包括综合型取热系统以外，还包括配套系统，包括管路与供电系统，具体内容见下文。

2.1.1 综合型取热系统

第一，空压机取热将空压机安装在热源处，确保热媒与热能直接接触，这样热媒受热后能直接与空压机冷却油进行换热，同时获取空压器发动机运作时的热能。热能主要用户现场用水加热，最高可以让水温达到50 ℃，说明热能利用率充分；第二，涌水取热的热泵与井口、冲洗水、井下涌水三个水热源直接连接，能够吸收相关热源热能，但因为单一水热源的热能温度不高，不满足用水需要，所以在涌水取热的热泵外建设了管道，该管道直通热能汇总装置，故涌水取热并不会直接供给，而是在汇总装置中与其他热能混合，再一同使用；第三，回风取热中在现场构建了回风路径，使得风力循环运作，同时将热媒与取热室内的取热箱连接，使得井下回风直通取热箱，能够进行直接换热，这样能有效降低热能损失，保障余热回收量。回风取热的热能为低温热源，直接供给到现场热泵机组，若有剩余也可进入汇总装置低温热源。

2.1.2 配套系统

第一，管路系统中首先在回风热泵机房至回风取热室之间安设冲洗水管、取热循环水管道，管道采用架空敷设技术实施，管道采用聚氨酯成品保温管，厚度50 mm、外保护层为7 mm玻璃钢保护壳，能避免热能损失。其次在回风热泵机房与井空气加热室之间安装保温管，管道采用埋设技术实施，埋深1 m，管道为聚氨酯材料，厚度50 mm，外保护层采用7 mm厚聚乙烯。再次在水源热泵机房至矿井水处理间之间安装热水管，管道采用架空敷设技术实施，途经井下水处理站、变电站，管道为聚氨酯成品保温管，厚度50 mm，外保护层是7 mm厚聚乙烯。最后在机房内安设采暖供回水管、洗浴供水管等，管道为聚氨酯成品保温管，厚度50 mm，外保护层是7 mm厚聚乙烯，采用埋设技术与室外观望衔接；第二，供电系统中考虑到现场余热利用，将现场水源热泵机房、回风热泵机房的10 kV电源引入凉水井处35 kV变电站，该变电站容量为2×20.0 MVA、负荷为14～15 MW，经过实际测试，电力可满足综合型取热系统的电能需求。

2.2 保障机制

因为整套系统需要使用到大量设备，所以设备对系统作用有直接影响，为了保障系统质量，必须建立设备选型保障机制，即设备选型保障机制应当强调设备选型的基本原则，具体原则有：第一，因为凉水井煤矿供热目标存在差异，包括生活供热与工作供热，两者对供热温度的要求并不相同，诸如生活供热温度要求比较低，一般为30 ℃，主要用于洗浴等，而工作供热的要求比较高，一般为45 ℃，主要用于现场保温，所以所选设备必须要具备温度调节功能，确保温度满足实际需求；第二，因为供热系统中所有设备必然会不断地与各种热源接触，所以会出现热腐蚀等现象，这种现象虽然不可避免，但至少在短时间内不能出现，否则就说明设备的使用寿命短，耐热能力、耐腐蚀能力不足[3]。着眼于这一点，设备选型时一定要选择耐热能力、耐腐蚀能力强的设备，在满足这一基本要求的基础上再考虑成本或其他性能指标；第三，系统中所有设备的总供热能力不可超过总热负荷要求，否则可能引发安全问题；第四，在以上三大要求均被满足的情况下要考虑系统设备总成本问题，可以在不影响设备功能、性能、供热质量的前提下将成本控制在最低水平。

3 系统应用中的注意事项

3.1 回风直冷式取热器安全性影响

在矿井回风余热回收技术部分主采用直冷式取热器，该设备运行时无可避免的会与原生态煤矿接触，而煤矿中的粘性杂质、粉尘等会在其表面聚集，达到一定程度会形成巨大的阻力，使得取热器通风堵塞。这种现象发生在凉水井煤矿作业中十分危险，因为地下环境复杂，有很多未知的危险因素，而部分危险因素就潜藏在空气中，所以当取热器出现通风堵塞，地下环境中有害气体就不能顺利排放，造成安全性影响。针对这一问题，企业应当安排专人做好三项工作：第一采用超亲水高科技材料对取热器表面进行涂刷，可以尽可能避免物质粘附，延缓堵塞情况，且专人要负责定期巡检；第二安装喷淋清洗装置，定期开启装置进行清洁，过程中要合理设置喷射压力[4]；第三人工也要定期清洁取热器表面，主要是为了解决顽固性粘尘。

3.2 水源热泵的设备影响

水源热泵中的水热源多种多样，其中有一部分是污水，污水水质较差，直接取热会对设备造成较大影响，诸如设备可能会被水中的酸性物质腐蚀，这区别于热腐蚀，影响力也更为重大。针对这一点，建议企业先将水热源集中，采用污水处理技术进行预处理，再对处理后的纯净水进行余热回收，预处理方法为：第一采用斜板沉淀法集中污水；第二添加絮凝剂、混凝剂，促使水体与颗粒固体分离，实现污水净化目的。

4 结语

综上，矿井余热回收再利用技术形式较多，但互不冲突，故在凉水井煤矿中可以活用多个技术形式构建综合系统。借助综合系统，能充分发挥现场多种热源，实现多元余热回收，回收后余热能够用于多个方面，诸如水加热、现场供暖等，其清洁性良好，可起到节能降耗作用。