高麗(陜西能源涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719319)

0 引言

目前，我國的能源消耗量巨大，尤其是煤礦能源已經(jīng)出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，這使得國家需要大量對外進(jìn)口煤礦，進(jìn)口量巨大，截止2020年12月底，我國全面進(jìn)口煤炭超過3.84億噸，同比增長0.9%，給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)壓力。在這一背景下為了緩解經(jīng)濟(jì)壓力，且滿足全國上下的煤礦能源需求，我國進(jìn)入了全民節(jié)能時代，各方面能耗都要盡可能減小，故涼水井煤礦在以往應(yīng)用中的消耗量巨大，其他技術(shù)手段雖然能降低能耗，但不夠清潔，給相關(guān)企業(yè)造成了困擾，而礦井余熱回收再利用技術(shù)的出現(xiàn)同時解決了節(jié)能、清潔兩大問題，破除了現(xiàn)有困擾，因此有必要展開相關(guān)研究，旨在推廣該項(xiàng)技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)涼水井煤礦供暖節(jié)能。

1 礦井余熱回收再利用技術(shù)的形式

目前，礦井余熱回收再利用技術(shù)主要有三種形式，即空壓機(jī)余熱回收技術(shù)、礦井涌水余熱回收技術(shù)、礦井回風(fēng)余熱回收技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)的具體內(nèi)容如下。

1.1 空壓機(jī)余熱回收技術(shù)

空壓機(jī)余熱回收技術(shù)在近些年得到了人們的廣泛關(guān)注，原因在于該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效果非常優(yōu)秀，且安全性等也有一定保障。該項(xiàng)技術(shù)主要裝置是空壓機(jī)余熱回收裝置，該裝置啟動后，初期因?yàn)檠b置內(nèi)冷卻油溫度較低，所以冷卻油通向換熱器的閥門會關(guān)閉，使得冷卻油在內(nèi)部封閉環(huán)境中循環(huán)流動，這個過程中冷卻油會與裝置發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱量交換(發(fā)動機(jī)運(yùn)作后會逐漸產(chǎn)生熱量)，讓冷卻油吸收熱能，可有效控制設(shè)備溫度，而當(dāng)冷卻油的溫度達(dá)到閾值后換熱器閥門打開，冷卻油進(jìn)入換熱器接觸到外部冷卻水，冷卻水會吸收冷卻油現(xiàn)有熱量，使得冷卻油溫度降低，完成后冷卻油繼續(xù)回到裝置內(nèi)，因?yàn)闇囟鹊?，閥門再次關(guān)閉，而冷卻水吸收熱量之后溫度上升，實(shí)現(xiàn)了余熱回收。最后，人們可以利用冷卻水回收的溫度進(jìn)行供暖，能有效減低能耗。

1.2 礦井涌水余熱回收技術(shù)

礦井涌水余熱回收技術(shù)的基本原理是熱泵原理，可以用少量電能吸收水中的低位熱能，隨后將該熱能供給高位熱能用戶。在這一基礎(chǔ)上結(jié)合涼水井煤礦，礦井涌水余熱回收技術(shù)能夠?qū)⒌V井水視作熱源，采用熱泵設(shè)備提取熱能，熱能可以用于現(xiàn)場用水加熱。礦井涌水余熱回收技術(shù)具體原理為：第一，壓縮機(jī)能夠生產(chǎn)出制冷氣體，氣體具有高溫高壓特征，因此當(dāng)氣體進(jìn)入冷凝器，可以將其中熱量釋放出來，并轉(zhuǎn)換為高壓液體；第二，壓縮機(jī)制冷氣在冷凝器中釋放的熱量會被采集，采集后即可供暖；第三，釋放了熱量后的高壓液體會循環(huán)進(jìn)入膨脹閥，處理后成為低溫低壓液體，再進(jìn)入蒸發(fā)器，經(jīng)過蒸發(fā)器處理低壓液體吸收熱水熱量，轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽。通過這種循環(huán)方法，可實(shí)現(xiàn)余熱回收利用。

1.3 礦井回風(fēng)余熱回收技術(shù)

涼水井煤礦源于地下，而地下?lián)碛胸S富的地?zé)豳Y源，這些資源在被開發(fā)之后會隨著空氣流動出風(fēng)，出風(fēng)溫度滿足人們需求，這時即可采用礦井回風(fēng)余熱回收技術(shù)回收余熱。礦井回風(fēng)余熱回收技術(shù)的種類很多，因此余熱回收方法較多，其中較具代表性的是深焓取熱回風(fēng)熱泵技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的原理為：采用深焓取熱回風(fēng)熱泵構(gòu)建雙級深焓取熱系統(tǒng)，系統(tǒng)能在風(fēng)中采集余熱，采集方法同樣是換熱法，即系統(tǒng)內(nèi)有回風(fēng)取熱箱，箱內(nèi)的防凍液管路可與回風(fēng)接觸，故防凍液將吸收風(fēng)中熱能，并且通過熱泵機(jī)組蒸發(fā)器對外散發(fā)，可加以利用[1]。

2 技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建方案與保障機(jī)制

2.1 構(gòu)建方案

系統(tǒng)構(gòu)建中工作人員要計算涼水井煤礦熱負(fù)荷與余熱資源能量的匹配性，并完成熱能用戶的分類，最好供熱規(guī)劃工作，要建立對應(yīng)的供熱配置，本文以某礦區(qū)為例，對技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建方案進(jìn)行論述，該礦區(qū)共有兩個場地，經(jīng)過計算確認(rèn)各場地?zé)嶝?fù)荷與余熱資源能量匹配性良好，且相當(dāng)，故均勻供熱即可[2]。結(jié)合要求，本文將采用以上三大技術(shù)形式構(gòu)建綜合型涼水井煤礦礦井余熱回收再利用技術(shù)系統(tǒng)，即系統(tǒng)可分為空壓機(jī)取熱、涌水取熱、回風(fēng)取熱三個板塊組成，各板塊之間緊密連接，能夠最大限度地吸收現(xiàn)場熱能，并將熱能匯總后對外均勻分配，為保障熱能分配均勻，本文采用了封閉式裝置支撐熱能匯總，并在該裝置上安設(shè)了相同規(guī)格的閥門，當(dāng)裝置內(nèi)熱能達(dá)到一定水平之后閥門才會打開，受后續(xù)風(fēng)力推動向兩個閥門外的管道輸出，實(shí)現(xiàn)均勻供熱，推動風(fēng)力溫度與裝置內(nèi)熱能溫度相當(dāng)。另外，本系統(tǒng)構(gòu)建方案除了包括綜合型取熱系統(tǒng)以外，還包括配套系統(tǒng)，包括管路與供電系統(tǒng)，具體內(nèi)容見下文。

2.1.1 綜合型取熱系統(tǒng)

第一，空壓機(jī)取熱將空壓機(jī)安裝在熱源處，確保熱媒與熱能直接接觸，這樣熱媒受熱后能直接與空壓機(jī)冷卻油進(jìn)行換熱，同時獲取空壓器發(fā)動機(jī)運(yùn)作時的熱能。熱能主要用戶現(xiàn)場用水加熱，最高可以讓水溫達(dá)到50 ℃，說明熱能利用率充分；第二，涌水取熱的熱泵與井口、沖洗水、井下涌水三個水熱源直接連接，能夠吸收相關(guān)熱源熱能，但因?yàn)閱我凰疅嵩吹臒崮軠囟炔桓撸粷M足用水需要，所以在涌水取熱的熱泵外建設(shè)了管道，該管道直通熱能匯總裝置，故涌水取熱并不會直接供給，而是在匯總裝置中與其他熱能混合，再一同使用；第三，回風(fēng)取熱中在現(xiàn)場構(gòu)建了回風(fēng)路徑，使得風(fēng)力循環(huán)運(yùn)作，同時將熱媒與取熱室內(nèi)的取熱箱連接，使得井下回風(fēng)直通取熱箱，能夠進(jìn)行直接換熱，這樣能有效降低熱能損失，保障余熱回收量?；仫L(fēng)取熱的熱能為低溫?zé)嵩?，直接供給到現(xiàn)場熱泵機(jī)組，若有剩余也可進(jìn)入?yún)R總裝置低溫?zé)嵩础?/p>

2.1.2 配套系統(tǒng)

第一，管路系統(tǒng)中首先在回風(fēng)熱泵機(jī)房至回風(fēng)取熱室之間安設(shè)沖洗水管、取熱循環(huán)水管道，管道采用架空敷設(shè)技術(shù)實(shí)施，管道采用聚氨酯成品保溫管，厚度50 mm、外保護(hù)層為7 mm玻璃鋼保護(hù)殼，能避免熱能損失。其次在回風(fēng)熱泵機(jī)房與井空氣加熱室之間安裝保溫管，管道采用埋設(shè)技術(shù)實(shí)施，埋深1 m，管道為聚氨酯材料，厚度50 mm，外保護(hù)層采用7 mm厚聚乙烯。再次在水源熱泵機(jī)房至礦井水處理間之間安裝熱水管，管道采用架空敷設(shè)技術(shù)實(shí)施，途經(jīng)井下水處理站、變電站，管道為聚氨酯成品保溫管，厚度50 mm，外保護(hù)層是7 mm厚聚乙烯。最后在機(jī)房內(nèi)安設(shè)采暖供回水管、洗浴供水管等，管道為聚氨酯成品保溫管，厚度50 mm，外保護(hù)層是7 mm厚聚乙烯，采用埋設(shè)技術(shù)與室外觀望銜接；第二，供電系統(tǒng)中考慮到現(xiàn)場余熱利用，將現(xiàn)場水源熱泵機(jī)房、回風(fēng)熱泵機(jī)房的10 kV電源引入涼水井處35 kV變電站，該變電站容量為2×20.0 MVA、負(fù)荷為14～15 MW，經(jīng)過實(shí)際測試，電力可滿足綜合型取熱系統(tǒng)的電能需求。

2.2 保障機(jī)制

因?yàn)檎紫到y(tǒng)需要使用到大量設(shè)備，所以設(shè)備對系統(tǒng)作用有直接影響，為了保障系統(tǒng)質(zhì)量，必須建立設(shè)備選型保障機(jī)制，即設(shè)備選型保障機(jī)制應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)設(shè)備選型的基本原則，具體原則有：第一，因?yàn)闆鏊旱V供熱目標(biāo)存在差異，包括生活供熱與工作供熱，兩者對供熱溫度的要求并不相同，諸如生活供熱溫度要求比較低，一般為30 ℃，主要用于洗浴等，而工作供熱的要求比較高，一般為45 ℃，主要用于現(xiàn)場保溫，所以所選設(shè)備必須要具備溫度調(diào)節(jié)功能，確保溫度滿足實(shí)際需求；第二，因?yàn)楣嵯到y(tǒng)中所有設(shè)備必然會不斷地與各種熱源接觸，所以會出現(xiàn)熱腐蝕等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象雖然不可避免，但至少在短時間內(nèi)不能出現(xiàn)，否則就說明設(shè)備的使用壽命短，耐熱能力、耐腐蝕能力不足[3]。著眼于這一點(diǎn)，設(shè)備選型時一定要選擇耐熱能力、耐腐蝕能力強(qiáng)的設(shè)備，在滿足這一基本要求的基礎(chǔ)上再考慮成本或其他性能指標(biāo)；第三，系統(tǒng)中所有設(shè)備的總供熱能力不可超過總熱負(fù)荷要求，否則可能引發(fā)安全問題；第四，在以上三大要求均被滿足的情況下要考慮系統(tǒng)設(shè)備總成本問題，可以在不影響設(shè)備功能、性能、供熱質(zhì)量的前提下將成本控制在最低水平。

3 系統(tǒng)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

3.1 回風(fēng)直冷式取熱器安全性影響

在礦井回風(fēng)余熱回收技術(shù)部分主采用直冷式取熱器，該設(shè)備運(yùn)行時無可避免的會與原生態(tài)煤礦接觸，而煤礦中的粘性雜質(zhì)、粉塵等會在其表面聚集，達(dá)到一定程度會形成巨大的阻力，使得取熱器通風(fēng)堵塞。這種現(xiàn)象發(fā)生在涼水井煤礦作業(yè)中十分危險，因?yàn)榈叵颅h(huán)境復(fù)雜，有很多未知的危險因素，而部分危險因素就潛藏在空氣中，所以當(dāng)取熱器出現(xiàn)通風(fēng)堵塞，地下環(huán)境中有害氣體就不能順利排放，造成安全性影響。針對這一問題，企業(yè)應(yīng)當(dāng)安排專人做好三項(xiàng)工作：第一采用超親水高科技材料對取熱器表面進(jìn)行涂刷，可以盡可能避免物質(zhì)粘附，延緩堵塞情況，且專人要負(fù)責(zé)定期巡檢；第二安裝噴淋清洗裝置，定期開啟裝置進(jìn)行清潔，過程中要合理設(shè)置噴射壓力[4]；第三人工也要定期清潔取熱器表面，主要是為了解決頑固性粘塵。

3.2 水源熱泵的設(shè)備影響

水源熱泵中的水熱源多種多樣，其中有一部分是污水，污水水質(zhì)較差，直接取熱會對設(shè)備造成較大影響，諸如設(shè)備可能會被水中的酸性物質(zhì)腐蝕，這區(qū)別于熱腐蝕，影響力也更為重大。針對這一點(diǎn)，建議企業(yè)先將水熱源集中，采用污水處理技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，再對處理后的純凈水進(jìn)行余熱回收，預(yù)處理方法為：第一采用斜板沉淀法集中污水；第二添加絮凝劑、混凝劑，促使水體與顆粒固體分離，實(shí)現(xiàn)污水凈化目的。

4 結(jié)語

綜上，礦井余熱回收再利用技術(shù)形式較多，但互不沖突，故在涼水井煤礦中可以活用多個技術(shù)形式構(gòu)建綜合系統(tǒng)。借助綜合系統(tǒng)，能充分發(fā)揮現(xiàn)場多種熱源，實(shí)現(xiàn)多元余熱回收，回收后余熱能夠用于多個方面，諸如水加熱、現(xiàn)場供暖等，其清潔性良好，可起到節(jié)能降耗作用。