礦井余熱循環利用技術實踐

緱江華 布曉樂

摘 要：我國傳統意義能源一般以煤、電為主題，存在能耗大的問題。尤其煤炭屬于一次性能源，具有不可再生的特性，使用過程中的碳排放，也對自然環境造成一定的影響。冀中能源邯礦集團亨健礦業有限公司通過能源改革，利用風水源熱泵技術，將企業涌水、廢水、回風熱能轉換為再生能源，用于工業、生活制冷和供暖，吃干榨盡“二次能源”，每年可節支近800萬元，二氧化碳、二氧化硫、煙塵的排放量年均可分別減少10696噸、34噸、25.6噸，實現“零”污染、“零”排放，具有取材廣、能效高、經濟有效、綠色環保等優勢。

關鍵詞：能源；循環利用；空氣源熱泵技術；逆卡諾循環原理；環境效益

引 言

我國是目前世界上第二大能源生產國和消費國。能源供應持續增長，為經濟社會發展提供了重要的支撐。能源消費的快速增長，為世界能源市場創造了廣闊的發展空間。目前，國內能源主題依靠煤炭資源，據統計，2010年煤炭在一次能源消費總量所占比例為70.9%[1]。國務院《能源發展“十二五規劃》明確提出，要推動能源生產和利用方式變革，調整優化能源結構，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系[2]，節支、降耗、可持續發展，將成為能源企業乃至國民經濟發展的一項重要組成部分。風、水源熱泵技術的推廣最大限度的節約了能源，保護了環境，具有很好的發展前景。

1.概況：

亨健公司為改善職工生活條件和相關部門辦公環境，改善工業廣場面貌，新建職工宿舍樓2棟，職工食堂1個，聯合建筑體1座，建筑群總面積12000㎡。為了建設綠色礦山，倡導低碳生活，提高節能減排量，亨健公司通過采用風水源熱泵技術，改變了傳統方式上夏天制冷安空調、冬天取暖燒鍋爐的模式。冷熱資源均來自礦井內，使得小功率輸入可獲得大功率的輸出，解決了12000平米建筑物中央空調制冷供暖、職工全年洗浴熱水和冬季井口防凍問題。

2.主要技術路線：

2.1.礦井余熱資源特性分析：

特性1：礦井回風資源最穩定，冬季溫度穩定在17℃，四季不停，可考慮優先利用。

特性2：礦井涌水資源蘊含的余熱資源的量很大，但有時不連續。

綜合論證，礦井余熱回風資源穩定，在經濟可靠的前提下，最大限度提取利用該資源，采取空氣源熱泵的方式，提取的熱量應用于新建建筑的供熱問題，部分用于洗浴熱水，提高設備的利用率。在回風資源用盡的條件下，使用礦井涌水、洗浴廢水資源，采取水源熱泵的方式，提取的熱量用于新建建筑群的采暖及井口保溫，夏季該系統可用礦井涌水資源，供空調使用能效比更佳。

熱泵系統工作原理與負荷分配示意圖如上。

2.2.資源熱量的提取與分配：

礦井回風熱量被提取后，優先要保證洗浴熱水，其次用于新建筑的熱負荷。

礦井涌水熱量提取分別采用礦井涌水熱回收專用熱泵機組的常溫機組與中溫機組。常溫礦井涌水熱回收專用熱泵機組的熱量用于一期建筑采暖及井口保溫。中溫礦井涌水熱回收專用熱泵機組的熱量用于二期招待所、新會議室與新建辦公樓等中央空調建筑，散熱器采暖建筑。

2.3.礦井回風熱回收專用熱泵機組應用特點分析：

2.3.1.礦井回風熱回收專用熱泵機組的阻力損失的問題：

礦井回風的風量為24萬m?/h，風口的平均風速為3.4m/s；經計算，該風速時空氣源熱泵的蒸發器的阻力損失小于60Pa。

2.3.2.礦井回風中含有煤粉（塵）、煤粒的問題：

采取兩道除塵、一道清洗工藝及擴大換熱器翅片間距，在風道的合適位置設置三個波的波紋板（根據煤粉顆粒的大小確定目數），為第一道除塵，去除粒徑較大的煤粒；蒸發器本身帶有的除塵網為第二道除塵，去除較小的煤粉塵。由于礦井回風的相對濕度較大，提取余熱量的過程相當于降溫除濕工藝，因此過程中將凝結大量的水，對蒸發器的表面具有沖洗自潔的功能，同時可用高壓水槍定期清塵。加大換熱器翅片間距，使煤粉不能再翅片間停留，從而減少了礦井排回中的煤粉（塵）、煤粒對換熱過程的影響。

2.3.3.安裝礦井回風熱回收專用熱泵機組的蒸發器及波紋擋塵板對回風風壓的影響：

眾所周知，加蒸發器與擋塵板后的阻力損失大小與回風的風速有關，一般與風速的2次方成正比關系。在本例的風速條件下，阻力損失為60Pa左右，風機可提供的銘牌風壓為3234Pa，產生的阻力損失占風機可提供風壓的1.8%。并且蒸發器的翅片管與擋塵板無方向性，即風機正轉與反轉時產生的阻力相同，僅與風速有關，與方向無關。

2.4.系統設計技術路線綜述：

系統設計技術路線應圍繞資源的特性進行，力爭做到因地制宜，充分聽取技術人員的建議與要求，使本技術在實施時，不對生產、安全等工作造成不必要的影響。

3.技術特點

熱泵機組是目前世界上最先進、能效比最高的熱水設備之一，它根據逆卡諾循環原理，采用電能驅動，通過傳熱工質把自然界的空氣、水、土壤或其它低溫熱源中無法被利用的低品熱能有效吸收，并將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中的設備。在不同的工況下熱泵熱水機組每消耗1kW電能就從低溫熱源中吸收2-6kW的免費熱量，節能效果非常顯著。

空氣源熱泵技術是基于逆卡諾循環原理建立起來的一種節能、環保制熱技術?？諝庠礋岜孟到y通過自然能（空氣蓄熱）獲取低溫熱源，經系統高效集熱整合后成為高溫熱源，用來?。ü┡蚬獰崴麄€系統集熱效率甚高。

水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地熱能而形成的低溫低位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。

4. 主要效益指標

4.1.經濟效益：

設備月消耗電能6萬度電。電費為0.68*60000≈4.1萬元。如采用傳統鍋爐供熱，用空調制冷，每臺按1.2KW計算，整個新建筑群大約要200臺，每臺空調每天開機10小時計算。鍋爐供熱大約需要20噸煤，每天開機12小時，功率為20KW，費用為：

（1.2*200*10*0.68+20*1050+12*20*0.68）*30≈68萬元

每月節約68-4.1=63.9萬元

4.2.社會效益：

4.2.1.屬可再生能源利用技術

風水源熱泵是利用了地球表面或淺層水源和礦井回風作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地球表面水源和土壤是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。礦井回風溫度冬季17℃，相對濕度95%，夏季最高回風溫度20℃，相對濕度95%，礦井回風溫度基本不受室外氣溫影響并且全年都比較恒定。礦井涌水量目前按160m?/h計，水溫四季恒定約18℃左右?；旧峡煽醋鍪强稍偕茉础６礋岜眉夹g利用地下水以及地表水源的過程當中，不會引起區域性的地下以及地表水污染。實際上，水源水經過熱泵機組后，只是交換了熱量，水質幾乎沒有發生變化，經回灌至地層或重新排入地表水體后，不會造成對于原有水源的污染。可以說水源熱泵是一種清潔能源方式。

4.2.2.屬經濟有效的節能技術

地球表面或淺層水源的溫度一年四季相對穩定，一般為10～25℃，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源。這種溫度特性使得水源熱泵的制冷、制熱系數可達3.5～5.5。

與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用。

另外，地球表面或淺層水源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。

4.2.3.環境效益顯著

熱泵機組的污染物排放，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結合其它節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。

5.結語

煤礦企業用涌水、回風熱能利用技術代替傳統的燃煤鍋爐加中央空調系統供熱制冷，將會給企業帶來巨大的經濟效益；同時推廣礦井余熱資源利用技術完全符合貫徹科學發展觀和構建和諧社會的需要，對建設現代化新興礦山具有重要意義，具有非常重大的社會效益。此外，礦區取消了鍋爐房，沒有了煙筒，徹底根除了污染源，礦井回風熱能提取裝置兼有凈化回風流粉塵，降低通風機噪音等功能，礦井風水源熱泵技術的大力推廣，必將為煤礦企業和國家帶來巨大的環境效益。

參考文獻：

[1] 胡亮.可量化指標指導“十二五”規劃. [N]中國經濟時報.2010-11-05. A01.政經

[2] 國務院辦公廳.能源發展“十二五規劃[Z] 2013-1-1.