杜曉麗,魏京勝,岳豐田,李從浪

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國需要供熱的煤礦大多分布在供熱、供氣市政管網(wǎng)不能覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，為了滿足礦井工業(yè)廣場地面建筑采暖、井筒防凍和職工洗浴加熱等供熱要求，需要建立獨立的供熱熱源。以往傳統(tǒng)做法是利用燃煤或者燃?xì)忮仩t提供熱源，特別是采用燃煤鍋爐供熱時不僅需要消耗大量煤炭資源，而且也存在污染重、能耗高、效率低等缺點[1-3]，與當(dāng)前我國所倡導(dǎo)的綠色生態(tài)礦山建設(shè)與可持續(xù)開采的發(fā)展理念相悖。因此，研究如何提取回收礦區(qū)余廢熱資源熱量替代燃煤鍋爐滿足礦井供熱需求成為破解礦區(qū)低耗、清潔供熱難題的重要途徑之一。

礦井在建設(shè)和生產(chǎn)過程中為了確保生產(chǎn)安全和工作人員的身心健康，必須采取礦井通風(fēng)、排水以及壓縮空氣輸送等重要輔助工作，伴隨這些輔助工作的同時也排出大量低品位熱能。隨著礦井開采深度增加，在地溫升高、熱害加劇的同時[4-5]，必然也導(dǎo)致礦井回風(fēng)和排水所攜帶的余熱資源量增大[6-7]；加之地面空壓機冷卻熱[8]以及洗浴水排水等廢熱也使得礦井余熱資源種類更加豐富。但由于這些余廢熱資源均屬于低品位余熱資源、溫度高低差異較大，并且多數(shù)攜帶余熱資源的介質(zhì)雜質(zhì)含量較高、硬度大、礦化度高、甚至具有腐蝕性，所以多數(shù)需要經(jīng)過提取工藝提取與提升溫度后才能用于供熱。針對礦井大量低品位余熱資源及清潔供熱需求并存的現(xiàn)狀，研究利用熱泵、熱管及換熱等技術(shù)提取余熱資源熱量滿足礦區(qū)供熱[9-11]，不但有效解決了取締燃煤鍋爐后的供暖問題，而且符合我國節(jié)能、減排與環(huán)境保護的政策要求及發(fā)展趨勢。

目前，我國部分煤礦開展了礦井余廢熱資源利用研究，主要涉及余廢熱資源量計算、系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用[12-14]。然而，我國地域遼闊、地形復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造形式多樣，不同區(qū)域的礦井余熱資源差異顯著，難以采用固定模式的余廢熱回收系統(tǒng)。因此，深入了解寒冷及夏熱冬冷不同采暖礦區(qū)的余廢熱資源狀況、掌握煤礦余廢熱資源賦存規(guī)律、制定經(jīng)濟合理的煤礦余廢熱資源綜合利用方案，對煤礦余廢熱資源利用和工程實施具有重要的理論意義。

1 不同礦區(qū)煤礦余廢熱資源

本文主要以遼寧、寧夏、河北、安徽等不同緯度、寒冷地區(qū)的6個煤礦余熱資源調(diào)研資料為基礎(chǔ)，不同煤礦的地理氣候特征及余廢熱資源狀況如下。

(1)沈陽燈塔礦區(qū)。沈陽燈塔礦區(qū)位于沈陽南、 燈塔市西北12km，地理緯度在41°27′～41°32′之間，屬于嚴(yán)寒地區(qū)ID區(qū)，最冷月平均氣溫-11.5℃、極端最低溫度-33.0℃[15]。當(dāng)前采深達(dá)到950～1 100m，煤層溫度達(dá)到44.0℃以上。礦井總排風(fēng)量約為249.0m3/s、回風(fēng)井井口冬季實測排風(fēng)溫度為22.0℃左右、相對濕度100%。礦井排水平均排水量94m3/h、低谷電價排水流量280m3/h、水溫20.0℃。壓風(fēng)機房7臺(4用3備)、3臺水冷輸入功率250kW空壓機、冷卻水進出水溫度25.0/31.0℃、流量100m3/h、4臺風(fēng)冷輸入功率300kW空壓機。洗浴水用水分三班總用水量200.0t/d。

(2)銀川河?xùn)|礦區(qū)。銀川河?xùn)|礦區(qū)位于銀川市東約30km處，地理緯度為38°27′～38°30′，屬于寒冷地區(qū)IIB區(qū)北部，最冷月平均氣溫-6.0℃、極端最低溫度-33.0℃。采掘深度約為1 232m。礦井總回風(fēng)量294.0m3/s、冬季回風(fēng)溫度為17.2℃、相對濕度100%。礦井排水量約為7 200m3/d、排水水溫31.1～33.2℃。壓縮機房的壓風(fēng)機冷卻進風(fēng)干球溫度13.2℃，排風(fēng)溫度為32.0～52.0℃、排風(fēng)量約為402m3/min。當(dāng)前洗浴水用水分三班總用水量70.0t/d。

(3)寧夏積家井礦區(qū)。積家井礦區(qū)銀川南偏東110km處，地理緯度37°38′～37°39′，屬于寒冷地區(qū)IIB區(qū)中部，最冷月平均氣溫-7.5 ℃、極端最低溫度-28.5℃。采掘深度約為840m。回風(fēng)斜井總回風(fēng)量66.7m3/s，冬季回風(fēng)溫度16.0℃、相對濕度100%。礦井排水7 200m3/d、排水溫度為17.0℃。壓縮機房的壓風(fēng)機冷卻進風(fēng)干球溫度13.2℃、排風(fēng)溫度為30.0～53.0℃，兩臺空氣壓縮機的輸入功率分別為600kW。洗浴水用水分三班總用水量90.0t/d。

(4)寧夏固原王洼礦區(qū)。王洼礦區(qū)位于寧夏固原市彭陽縣，地理緯度為36°07′～ 36°11′，屬于寒冷地區(qū)IIB區(qū)南部，最冷月平均氣溫-7.6℃、極端最低溫度-30.9℃。采掘深度約為300～400m。礦井總回風(fēng)量68.3m3/s，冬季回風(fēng)溫度約在21.0℃、相對濕度100%。礦井排水6 280m3/d、排水溫度約為20℃。壓縮機房內(nèi)有4臺風(fēng)冷式空氣壓縮機壓機，其中1臺輸入電功率300kW、1臺輸入功率280kW，2臺輸入功率160kW，日常1大1小共2臺運行。壓風(fēng)機冷卻進風(fēng)干球溫度13.2℃，排風(fēng)溫度為29.0～53℃，排風(fēng)量約為130m3/min。洗浴水用水分三班總用水量98.28m3/d。

(5)河北峰峰礦區(qū)。河北峰峰礦區(qū)梧桐莊礦位于邯鄲市磁縣境內(nèi)，北緯36°17′～36°21′，屬于寒冷地區(qū)IIA區(qū)中南部，最冷月平均氣溫-0.6℃、極端最低溫度-17.3℃。當(dāng)前采掘深度約為1 010m。礦井總回風(fēng)量約為231.0m3/s、冬季回風(fēng)溫度在20.5℃左右、相對濕度100%。礦井排水量約為300～450m3/h、約83.3%為自野青灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r礦井涌水。地面疏干降壓奧灰水溫度為42.0～43.0℃、平均流量約為256.3m3/h。水冷式空氣壓縮機房最大運行電功率魚尾1 280kW，冷卻水進水溫度約為25.0℃、出水溫度在45.0℃以上。洗浴熱水分三班使用總用水量為240t/d。

(6)安徽渦陽北礦區(qū)。渦陽北礦區(qū)位于渦陽縣境內(nèi)，礦井地理緯度33°31′～33°35′，屬于夏熱冬冷地區(qū)IIIB北部，最冷月平均氣溫1.3℃、極端最低溫度-17.2℃。采面埋深約為1 000m。礦井回風(fēng)量穩(wěn)定在265.4m3/s左右，最冷月主扇擴散口處實測總回風(fēng)溫度為21.0～22.0℃、相對濕度85%～97%。實際排水量約為12 480m3/d，冬季實測排水溫度約為22.0～26.0℃。壓縮機房安裝6臺風(fēng)冷螺桿式空氣壓縮機，其中3臺常開，輸入功率250kW/臺；冬季室外實測空氣干球溫度7.2℃、濕球溫度4.2℃時，冷卻排風(fēng)溫度為35.0～38.0℃，排風(fēng)量約為339m3/min。

2 不同礦區(qū)可利用余廢熱資源分析

雖然上述煤礦所在的氣候區(qū)域及緯度、通風(fēng)方式、地質(zhì)情況等均有所不同，但是多數(shù)礦井主要擁有礦井回風(fēng)、礦井排水、壓風(fēng)機冷卻熱以及洗浴排水等幾種余熱資源，也有的煤礦還有疏水降壓泄壓水、煤礦坑口電站余熱等余熱資源。

根據(jù)煤礦可利用余廢熱資源來源及特征，可將其分成井下余熱和井上廢熱兩類。井下余熱主要為礦井回風(fēng)(含井下空壓機散熱)、礦井排水(含井下疏水降壓泄水)：其中礦井回風(fēng)具有風(fēng)量穩(wěn)定、風(fēng)溫波動較小、余熱量較大的特點。而礦井排水流量與礦井水文地質(zhì)密切相關(guān)，水質(zhì)一般較差，多數(shù)礦井排水的濁度大、礦化度高、腐蝕性強，給余熱利用帶來難度。但是礦井排水溫度一般大于18.0℃、個別深井或者地溫異常礦井排水溫度高達(dá)30.0℃以上，具有較高的利用價值。井上廢熱主要為洗浴排水廢熱、空氣壓縮機壓縮空氣冷卻熱、坑口電站余熱：其中洗浴排水是每個煤礦均有的廢熱資源，排水流量具有顯著的斷續(xù)周期性，且水質(zhì)極差，但排水溫度約在34.0～36.0℃、相對較高，洗浴廢水余熱利用時需要設(shè)置蓄水及水質(zhì)處理裝置等輔助設(shè)備，在其他余熱資源不足的情況下可作為供熱的有效補充熱源；壓縮空氣冷卻熱品質(zhì)較高，排熱量相對較穩(wěn)定，可直接回收利用，但其總余熱量相對較小，一般可直接用于洗浴水加熱；如果煤礦有坑口燃煤電站，電站余熱資源豐富、熱量相對較充足，其冷卻水部分余熱可回收利用，并且可實現(xiàn)熱電冷聯(lián)產(chǎn)等方式在發(fā)電的同時滿足礦井供熱及井下降溫等功能。

如果礦井余熱資源供熱能力不能滿足熱負(fù)荷需要時，需要考慮余熱資源不足的熱量補充問題。一種措施就是進一步深度提取礦井余熱資源熱量，如一般礦井排風(fēng)提取余熱后排風(fēng)溫度約在8～10℃，為了提取更多熱量采用深焓提取措施，可將礦井回風(fēng)溫度降低至0℃、甚至0℃以下，由此可以多提取50%以上余熱資源量。除此之外太陽能、低溫空氣能(低環(huán)境溫度風(fēng)源熱泵)、土壤源熱泵以及深部高溫開采冬季降溫余熱供熱等也可以作為煤礦供熱的有效清潔補充熱源[16-21]。其中太陽能在西北地區(qū)相對較充足，但是存在晝夜周期性及投資較大等問題；另外地源熱泵系統(tǒng)雖然系統(tǒng)穩(wěn)定供熱可靠，但也存在投資大、運行費用較高等問題；相對而言，低環(huán)溫空氣源熱泵供熱系統(tǒng)簡單、當(dāng)前能實現(xiàn)最低空氣溫度-35.0℃的制熱、運行穩(wěn)定，雖然該系統(tǒng)會隨著大氣環(huán)境空氣溫度降低系統(tǒng)能效也相應(yīng)降低，但當(dāng)煤礦余熱源不足時，低環(huán)境溫度空氣源熱泵是一種有效的補充熱源。

3 余廢熱資源可提取熱量影響因素分析

根據(jù)余熱資源量計算分析方法計算不同礦井余熱資源量及供熱能力，根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)供熱負(fù)荷估算如表1所示。

表1 不同礦區(qū)余熱資源量和供熱能力

由表1中所示，嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽燈塔礦區(qū)礦井采深950～1 100m、礦井回風(fēng)與排水余熱量約為13 495.87kW， 寒冷地區(qū)北部銀川河?xùn)|紅四礦區(qū)采深超過1 232m、礦井回風(fēng)與排水余熱總量約為14 897.9kW，寒冷地區(qū)中東部梧桐莊礦采深約為1 010m、礦井回風(fēng)排水余熱總量約為14 231.1kW，夏熱冬冷地區(qū)北部安徽渦陽北礦采深約為1 000m、礦井回風(fēng)與排水余熱總量約為13 873.3kW，可見礦井較深時，礦井回風(fēng)余熱資源量與地溫有密切關(guān)系，受地面大氣環(huán)境影響變小。如梧桐莊礦回風(fēng)井排風(fēng)冬夏季溫度在20.0～26.0℃之間變化。由于采深不同，礦井的通風(fēng)方式也不同、通風(fēng)量差別也較大，即使是寒冷地區(qū)的同一緯度的煤礦，如王洼礦區(qū)采面深度300～400m、風(fēng)量也較小，而相對于產(chǎn)能比較接近的梧桐莊礦屬于淺層開采，礦井排風(fēng)較容易受地面大氣環(huán)境影響，在井口加熱后礦井回風(fēng)溫度為21.0℃，但風(fēng)量小、余熱資源總量較小，相應(yīng)的礦井進風(fēng)加熱負(fù)荷也相應(yīng)較小。另外，隨著礦井所在地理位置緯度降低、冬季低溫季節(jié)大氣溫度升高，井口防凍加熱量也明顯降低，如此一來礦井回風(fēng)的余熱資源量相對也較富裕，多余的余熱量可為其他用熱場所供熱。如采深比較接近的沈陽燈塔礦區(qū)與安徽渦陽北礦，前者總余熱供熱能力為18 605.8kW、而熱負(fù)荷為51 379.87kW、余熱供熱能力無法完全滿足供熱需求，而渦陽北礦余熱供熱能力大于供熱負(fù)荷8 907.5kW。

綜上所述，不同礦井由于開采深度、水文地質(zhì)條件、地溫以及通風(fēng)方式也不同，則余熱資源量及品位也差別較大，而且由于礦區(qū)地面采暖建筑面積不同、以及緯度不同大氣環(huán)境溫度也不同，則供熱負(fù)荷也不同。上述礦井中，顯然深井的余熱資源量相對較豐富、低緯度礦區(qū)供熱負(fù)荷相對較小，淺層開采的寒冷高緯度地區(qū)礦井明顯余熱資源不足，而深層開采的寒冷低緯度或者夏熱冬冷地區(qū)的礦井余熱量較富裕。因此，不同煤礦利用余熱滿足場區(qū)供熱時應(yīng)進行詳細(xì)調(diào)研分析，繼而根據(jù)調(diào)研結(jié)論合理設(shè)計余熱利用方案及補熱措施。

4 余廢熱可提取熱量與供熱負(fù)荷

如表1中所示，不同礦井的余熱資源量分布以及供熱負(fù)荷均不相同，顯然，不同礦井余熱利用方案也不應(yīng)相同。余熱利用系統(tǒng)在滿足供熱的同時系統(tǒng)應(yīng)該簡單、便于調(diào)節(jié)控制、運行能耗較低、余熱資源之間相互備用性好，以確保供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠安全高效運行，礦井余熱資源與供熱負(fù)荷匹配方案分析如下。

(1)單項余廢熱資源可提取熱量大于礦井供熱總負(fù)荷供熱方案分析：如安徽渦陽北礦區(qū)的礦井排風(fēng)量可提取熱資源為12 275.5kW、供熱負(fù)荷為10 693kW，該礦可采用“礦井回風(fēng)、空氣壓縮機冷卻余熱回收熱泵系統(tǒng)”供熱方案。采用礦井回風(fēng)源余熱回收熱泵系統(tǒng)滿足礦井供熱需要，系統(tǒng)簡單、穩(wěn)定性好，可降低設(shè)備和土建初投資。由前文可知礦井回風(fēng)溫度一般較低，在系統(tǒng)設(shè)計時余熱提取介質(zhì)的溫度較低，為了避免換熱溫差降低余熱供熱能力，一般回風(fēng)換熱水直接進熱泵機組、或者采用防凍液深焓取熱，如果回風(fēng)換熱水直接進熱泵機組，則熱泵機組蒸發(fā)器換熱管不宜采用普通銅管，而應(yīng)采用耐磨、耐腐蝕換熱管。由于洗浴水供熱要求溫度高于供熱溫度，如果采用回風(fēng)源熱泵機組滿足洗浴供熱，則會提高熱泵機組的冷凝溫度、也增加了運行功耗，特別是在非采暖季，礦井回風(fēng)源用于供熱負(fù)荷較小的洗浴水供熱需要開啟礦井回風(fēng)源提熱系統(tǒng)，運行費用高、能效極低。因此，為了提高系統(tǒng)整體的能效，建議采用帶有蓄熱水箱的空氣壓縮機冷卻熱直接為洗浴供熱。

(2)單項余廢熱資源可提取熱量大于某一項熱負(fù)荷，且余廢熱資源可提取總熱量大于供熱總負(fù)荷化時，如寧夏河?xùn)|礦區(qū)，礦井回風(fēng)和礦井排水提供熱量分別為10 154.43kW、9 000.00kW，總熱量為200 049.29kW，總供熱負(fù)荷為15 291.40kW，可采用“礦井排水、排風(fēng)水源熱泵與壓風(fēng)機房余熱利用”方案。該方案中礦井水源熱泵供熱能力能滿足建筑及廠房采暖、礦井排風(fēng)源主要滿足井口防凍加熱、壓風(fēng)機房余熱滿足洗浴供熱，如果礦井生產(chǎn)后期井下排水量增加，則礦井排水水源熱泵系統(tǒng)可以同時滿足建筑供熱、井口加熱和冬季的洗浴供熱，在系統(tǒng)設(shè)計時不同熱泵機組之間的余熱資源相互備用，以確保供熱安全。

(3)單項余廢熱可提取熱量小于供熱總負(fù)荷，余廢熱資源可提取總熱量稍大于供熱總負(fù)荷化時，如寧夏積家井礦區(qū)，礦井排風(fēng)供熱5 593.75kW大于建筑供暖負(fù)荷3 763.76kW，礦井回風(fēng)2 492.26kW大于井口房東1 373.04kW，風(fēng)壓機房517.38kW大于336.7kW?？刹捎谩暗V井回風(fēng)源與礦井排水源及壓風(fēng)機房余熱熱泵耦合供熱系統(tǒng)滿足井口防凍加熱、建筑采暖以及洗浴加熱”，該多源熱泵系統(tǒng)余熱資源相互備用、運行穩(wěn)定可靠，礦井回風(fēng)源與礦井排水源熱泵機相互備用、蒸發(fā)器具有耐腐蝕和耐磨功能，雖然熱泵機組投資較高，但能實現(xiàn)礦井回風(fēng)源和礦井排水源余熱資源相互備用，確保了供熱系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

(4)單項余廢熱可提取熱量小于供熱總負(fù)荷，余廢熱資源提供總熱量遠(yuǎn)大于供熱總負(fù)荷化時，如梧桐莊礦區(qū)，該礦最大供熱負(fù)荷約為16MW大于上述各種熱源供熱能力，但總熱量富裕。因此，在綜合考慮各種熱源的特性前提下，提出了多熱源聯(lián)合提供熱量的方案：采用礦井排水、奧灰水向熱泵系統(tǒng)提供熱量，滿足廣場的總供熱需要。考慮到礦井排水系統(tǒng)的停運維護和檢修時，確保井口防凍供熱不能間斷的要求，增加礦井回風(fēng)源換熱系統(tǒng)為熱泵機組提供熱量，實現(xiàn)了礦井排水、奧灰水與礦井排風(fēng)源相互備用，以提高水源熱泵系統(tǒng)的供熱能力、運行穩(wěn)定性和可靠性。

(5)各種礦井余廢資源可提取總熱量小于礦區(qū)供熱總負(fù)荷時，如王洼礦區(qū)，余廢熱資源提供的總量為6 480.3kW遠(yuǎn)小于礦區(qū)總供熱熱負(fù)荷10 526.2kW。 在余廢熱資源利用時， 可采用礦井回風(fēng)余熱深焓取熱供熱系統(tǒng)， 深焓取熱自排風(fēng)溫度10℃降至-7.0℃后，礦井回風(fēng)供熱能力為5 578.83kW，比普通回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)提高了100%，實現(xiàn)井口加熱量1 775.1kW的需求同時還能滿足建筑供暖；利用水源熱泵提取礦井排水余熱滿足建筑供熱部分熱負(fù)荷，而約1 231.57kW供熱量的缺口可采用低環(huán)境溫度空氣源熱泵系統(tǒng)作為補充熱源。

5 多種余熱資源耦合利用工藝原理

下文以積家井礦區(qū)為例，分析多種余熱資源耦合利用工藝原理。具有礦井回風(fēng)、礦井排水、空氣壓縮機冷卻熱以及洗浴排水廢熱等四種熱源，其中礦井回風(fēng)、排水余熱量較大、并且運行比較穩(wěn)定，但是礦井排水水質(zhì)較差，換熱系統(tǒng)運行受到水質(zhì)影響較大。而空氣壓縮機冷卻熱散熱穩(wěn)定、品位較高，采用風(fēng)冷熱水熱泵機組提取余熱系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，但熱量相對較小，但可以與洗浴熱水加熱系統(tǒng)匹配。洗浴排水溫度較高、品位較好，但是水質(zhì)較差，應(yīng)用中容易堵塞，影響運行穩(wěn)定性和可靠性，綜合上述幾種余熱源耦合利用系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 多種余熱資源耦合利用工藝原理

6 結(jié)論

(1)煤礦余廢熱資源可提取熱量與煤礦所在的氣候區(qū)域及緯度、產(chǎn)能、通風(fēng)方式、采面埋深、地質(zhì)情況等因素有關(guān)。其中，淺層開采的寒冷高緯度地區(qū)礦井明顯余熱資源不足，而深層開采的寒冷低緯度或者夏熱冬冷地區(qū)的礦井余熱量較富裕。

(2)在礦井余廢熱資源利用系統(tǒng)方案設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮單項余廢熱資源量、總余廢熱資源量、以及單項供熱負(fù)荷大小、總供熱負(fù)荷的大小關(guān)系。

(3)根據(jù)余熱資源量及特性與場區(qū)供熱種類和熱負(fù)荷匹配情況，給出礦井回風(fēng)、礦井排水、空氣壓縮機冷卻熱以及洗浴排水廢熱多種余熱資源耦合利用工藝原理。

(4)由于區(qū)域和地質(zhì)環(huán)境的差異，礦井回風(fēng)和礦井排水等蘊含余熱資源量不能滿足供熱負(fù)荷需求時，應(yīng)采用其他非礦井余廢熱資源作為供熱的有效補充。