吳夫軍 張登嶺

摘要：為最大限度利用豐富的井下熱能，充分實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，某礦山采用高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井水和回風(fēng)余熱綜合利用。詳細(xì)介紹了水源熱泵系統(tǒng)組成、工作原理、設(shè)備選型等，分析了余熱利用的特點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)性。利用礦井水和回風(fēng)余熱進(jìn)行礦山地面供暖、職工浴室洗浴熱水加熱、井筒保溫等，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、降本增效的目的，減少了環(huán)境污染，滿足礦山冬季供暖、夏季制冷的需求。

關(guān)鍵詞：井下熱能;礦井水余熱;回風(fēng)余熱;水源熱泵系統(tǒng);節(jié)能減排;降本增效

中圖分類號(hào)：TD98??????????文章編號(hào)：1001-1277（2021）02-0052-03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210210

引?言

隨著環(huán)境問題逐漸被人們所重視，節(jié)約資源的意識(shí)也逐漸提高，節(jié)能降耗成為礦山企業(yè)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)。多數(shù)礦山在進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，開采過程中產(chǎn)生的大量余熱具有可利用性。余熱是在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在能源利用設(shè)備中沒有被利用的能源，也就是多余的、廢棄的能源。余熱回收利用是提高經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約燃料的一條重要途徑[1-3]。

某礦山于2014年12月開工建設(shè)，在開工建設(shè)之初，由于節(jié)能環(huán)保的要求，工業(yè)廣場(chǎng)中不允許再建設(shè)燃煤鍋爐，因此計(jì)劃利用礦井水和回風(fēng)中的余熱來彌補(bǔ)地面熱能的不足。

礦井水及回風(fēng)中蘊(yùn)含大量余熱可以利用。應(yīng)用熱泵回收余熱技術(shù)，提取礦井水及回風(fēng)中蘊(yùn)含的余熱，滿足礦山工業(yè)廣場(chǎng)建筑冬季取暖、浴室加熱、主副井井筒保溫等;取代鍋爐建設(shè)，達(dá)到推廣循環(huán)經(jīng)濟(jì)，節(jié)能減排，創(chuàng)造優(yōu)良工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境和諧發(fā)展的目的。

1?工程背景

該礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180萬(wàn)t/a。通風(fēng)系統(tǒng)采用中央并列抽出式通風(fēng)方式，副井進(jìn)風(fēng)，主井少量進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。礦井通風(fēng)容易時(shí)期風(fēng)量250?m3/s，礦井通風(fēng)困難時(shí)期風(fēng)量365?m3/s。礦井水涌水量豐富，設(shè)計(jì)涌水量為300～500?m3/h，處理后達(dá)標(biāo)中水溫度常年基本恒定，溫度不低于26?℃，礦井水可利用溫差為15?℃，正是水源熱泵利用的較好熱源。目前井下實(shí)際涌水量約為210?m3/h，每天約5?000?m3，可利用熱量為5?233?kW。冬季利用礦井水余熱為礦山提供50?℃的熱水，可達(dá)到為地面各建筑物供暖、浴室加熱、井筒防凍的目的。

冬季制熱時(shí)，前期按照礦井回風(fēng)風(fēng)量250?m3/s（后期礦井回風(fēng)風(fēng)量365?m3/s），回風(fēng)溫度25?℃，相對(duì)濕度90?%，提取熱量后的回風(fēng)溫度15?℃，相對(duì)濕度99?%計(jì)算，則熱泵機(jī)組可從礦井回風(fēng)余熱中提取的熱量為7?514?kW（初期），后期為10?971?kW。

2?余熱綜合利用

2.1?利用方案

1）水源熱泵系統(tǒng)。采用水源熱泵系統(tǒng)對(duì)礦井水和回風(fēng)余熱加以利用。水源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備由水源熱泵機(jī)組、板式換熱器、噴淋塔系統(tǒng)、系統(tǒng)循環(huán)水泵、自動(dòng)化控制、風(fēng)機(jī)盤管和管道閥門管件等組成。水源熱泵系統(tǒng)工作原理見圖1。

2）水源熱泵機(jī)組選型。根據(jù)冷熱負(fù)荷參數(shù)，選用3套19XR-7P70E51MFE5A型離心機(jī)組，單機(jī)額定制熱量3?800?kW;1套30HXC400AH-HR型螺桿機(jī)組，額定制熱量1?700?kW。

（1）冬季4套機(jī)組全部工作。其中，3套離心機(jī)組用于采暖和井口保溫，螺桿機(jī)組加熱生活用水用于洗浴。各建筑物內(nèi)末端采暖設(shè)備主要為風(fēng)機(jī)盤管或鋼制散熱器。在大型工業(yè)廠房、輔助車間等采用風(fēng)機(jī)盤管與暖風(fēng)機(jī)混合采暖方式，工作時(shí)間保證室內(nèi)采暖計(jì)算溫度，非工作時(shí)間保證5?℃防凍溫度。

（2）夏季3套離心機(jī)組用于空調(diào)供冷，螺桿機(jī)組加熱生活用水用于洗浴。熱泵機(jī)組的性能參數(shù)見表1、表2。

2.2?余熱利用特點(diǎn)

1）礦井水余熱利用。冬季礦井水自井下排到地面經(jīng)處理后的溫度約為26?℃，可作為熱泵機(jī)組的熱源。由于礦山正常生產(chǎn)期間排水一般是不連續(xù)排水，為保證礦井間斷排水時(shí)滿足水源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行，在礦井水處理站設(shè)置一座容積為2?000?m3的儲(chǔ)水池。熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，礦井水循環(huán)水泵抽取儲(chǔ)水池的礦井水進(jìn)入熱泵機(jī)房?jī)?nèi)的板式換熱器，經(jīng)熱交換之后返回礦井水池。被礦井水加熱后的水進(jìn)入水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，和機(jī)組內(nèi)的低溫制冷劑進(jìn)行熱交換后，再回到板式換熱器被礦井水交換加熱。礦井水可利用溫差為15?℃，礦井水可利用熱量為5?233?kW。因此，冬季利用礦井水余熱可為礦山提供50?℃的熱水，達(dá)到了為地面各建筑物供暖、浴室加熱、井筒防凍的目的。

2021年第2期/第42卷??采礦工程采礦工程??黃?金

2）礦井回風(fēng)余熱利用。礦井通風(fēng)系統(tǒng)采用中央并列抽出式通風(fēng)方式，副井進(jìn)風(fēng)，主井少量進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。受礦井地溫較高影響，井下回風(fēng)溫度相對(duì)較高，礦井回風(fēng)溫度基本不受室外氣溫影響，全年比較穩(wěn)定，可提取回風(fēng)余熱用于礦山供暖。

礦井回風(fēng)熱能提取裝置采用空調(diào)噴淋式原理，通過合理布置噴頭，直接利用空氣噴淋水吸取回風(fēng)中的熱量，不會(huì)增加太大阻力，且能起到一定消聲、凈化回風(fēng)的作用。在礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)中，回風(fēng)換熱器將礦井回風(fēng)中所蘊(yùn)含的熱能通過噴淋換熱方式轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中，熱泵系統(tǒng)通過提取循環(huán)水的熱量間接利用回風(fēng)余熱。制熱工況時(shí)，熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量，循環(huán)水溫度有所降低（一般5?℃）;循環(huán)水經(jīng)過熱泵取熱降溫后返回回風(fēng)換熱器進(jìn)行熱交換，循環(huán)往復(fù)。冬季制熱時(shí)，初期熱泵機(jī)組可從礦井回風(fēng)余熱中提取熱量7?514?kW，后期可提取熱量10?971?kW。

2.3?余熱利用的經(jīng)濟(jì)性

通過礦井水及回風(fēng)余熱的綜合利用，前期每年可為礦山節(jié)約煤炭使用量約4?511?t標(biāo)準(zhǔn)煤，后期每年可為礦山節(jié)約煤炭使用量約5?735?t標(biāo)準(zhǔn)煤。充分證明了礦井低溫余熱利用在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低礦井生產(chǎn)成本上的可行性。礦井水和回風(fēng)余熱的利用既避免了環(huán)境大氣和熱污染，保護(hù)了周圍的環(huán)境，又節(jié)約了運(yùn)行生產(chǎn)成本，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

2.4?應(yīng)用及效果

伴隨著礦山建設(shè)進(jìn)度，為落實(shí)好國(guó)家節(jié)能減排政策，節(jié)約生產(chǎn)建設(shè)成本，井下余熱利用逐漸被提上日程。2018年，該礦山1號(hào)職工公寓、副井井筒防凍及浴室投入使用，采暖季啟動(dòng)井下余熱供暖。2019年，2號(hào)職工公寓及綜合辦公樓相繼投入使用，采暖季相繼啟動(dòng)井下余熱供暖。

2.4.1?泵及管路的選取

1）采暖空調(diào)循環(huán)水泵選型。礦山夏季熱泵系統(tǒng)運(yùn)行5套離心式水源熱泵機(jī)組，總制冷量25?000?kW，冷卻水循環(huán)量為2?700?m3/h。選用4臺(tái)SLW200-315（I）B型臥式循環(huán)水泵（單臺(tái)流量為1?000?m3/h），3用1備，均設(shè)變頻控制。夏季運(yùn)行3臺(tái)，采暖季運(yùn)行2臺(tái)。安裝在水源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)。

2）礦井水循環(huán)水泵（一次泵）選型。該循環(huán)泵為水源熱泵機(jī)組提供熱源水，設(shè)置在礦井水處理站。冬季礦井水處理后的供水溫度為25?℃～30?℃，水源熱泵機(jī)組可利用溫差為17?℃～20?℃，機(jī)組采用熱源水并聯(lián)方式運(yùn)行。選用3臺(tái)SLW350-315型臥式循環(huán)水泵（單臺(tái)流量為800?m3/h），2用1備，均設(shè)變頻控制。

3）板式換熱器選型。為保證水源熱泵機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，熱泵機(jī)組與礦井水之間設(shè)置板式換熱器設(shè)備，選用6臺(tái)板式換熱器，單臺(tái)板式換熱器的換熱量為3?600?kW。

4）熱源水循環(huán)水泵（二次泵）選型。該循環(huán)泵設(shè)置于水源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)。選用4臺(tái)SLW350-300型臥式循環(huán)水泵（單臺(tái)流量為800?m3/h），3用1備。

5）外循環(huán)管路井筒防凍水管選用DN400，生活、辦公區(qū)供水管選用DN350;內(nèi)循環(huán)即離心機(jī)組主管選用DN500，材質(zhì)為無(wú)縫鋼管，采用架空敷設(shè)。

2.4.2?應(yīng)用效果

1號(hào)、2號(hào)職工公寓建筑面積均約12?367?m2，共設(shè)置257個(gè)房間，房間內(nèi)均安裝有風(fēng)機(jī)盤管，冬季風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)口溫度達(dá)42?℃，房間溫度達(dá)30?℃。

根據(jù)礦井井筒防凍消耗熱量和需加熱風(fēng)量，考慮表面式空氣換熱器的合理匹配因素，在副井井口空氣加熱室內(nèi)設(shè)置14臺(tái)表面式空氣換熱器（單臺(tái)熱風(fēng)量26?280?m3/h，換熱量390?kW）;室外溫度-15?℃時(shí)，出風(fēng)溫度可達(dá)15?℃;進(jìn)出水溫度50?℃/40?℃。

綜合辦公樓建筑面積24?380?m2，浴室更衣室及礦燈、自救器室用房面積5?850?m2，職工食堂3?770 m2，共安裝480臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管。冬季風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)口溫度達(dá)42?℃，房間溫度達(dá)30?℃。

浴室洗浴用熱水溫度達(dá)50?℃，目前每天洗浴人數(shù)約500人。

3號(hào)職工公寓建筑面積約12?367?m2，共設(shè)置257個(gè)房間，預(yù)計(jì)2021年10月投入使用。房間內(nèi)均安裝有風(fēng)機(jī)盤管，冬季風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)口溫度預(yù)計(jì)可達(dá)42?℃，房間溫度預(yù)計(jì)可達(dá)30?℃。

3?結(jié)?語(yǔ)

在各地受礦產(chǎn)資源消費(fèi)總量控制及產(chǎn)品生產(chǎn)綜合能耗限額限制的情況下，資源、能源、環(huán)保已經(jīng)成為影響礦山行業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，節(jié)能、降耗、減排則是礦山行業(yè)的最終出路。把礦井水和回風(fēng)中的余熱作為一種替代能源加以推廣利用，既滿足了礦山環(huán)保發(fā)展需要，又達(dá)到了礦山節(jié)能減排的效果。

[參?考?文?獻(xiàn)]

[1]?趙聰，王凱.礦井水余熱利用技術(shù)在太平煤礦的開發(fā)應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2015（4）：199-202.

[2]?畢曉華.礦井水余熱利用技術(shù)在趙固一礦的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].中州煤炭，2019，41（8）：114-116，120.

[3]?韓磊，裴婷.礦井余熱利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2013（5）：36-39.