礦井建設綜合取熱研究

賈永忠

（七元煤業有限責任公司， 晉中 壽陽 045400）

1 七元礦井概況

七元礦井位于位于山西省晉中市壽陽縣境內，屬寒冷地區，年采暖天數140天，工業場地平均海拔高度約1 100 m。其他氣象參數：采暖室外計算溫度為-14℃，冬季主導風向為西北，冬季室外平均風速為2.3 m/s，冬季通風室外計算溫度為-8℃，夏季通風室外計算溫度為26℃，極端最低溫度平均值為-21.3℃，最大凍土深度為108 cm。

根據此數據，七元礦處于高寒地帶，供熱對于礦井的建設和生產尤其重要，所以對供熱進行研究尤為必要。但由于礦井建設是有階段性，初期工程施工人員少，建筑物少，供熱量要求也相對較少。后期根據礦井生產需求增加生產設施及生產人員供熱，所以供熱量也隨之增加。為保證節約能源以及能源投資，供熱方式采取分時段投用，以滿足礦井不同時期供熱需求。

2 礦井建設初期供熱方式研究

初期由于人員較少，建筑物投用也較少，供熱量要求也相對較少。根據實際情況采用地熱加小型蒸汽鍋爐直接供給方式。地熱為主，鍋爐為輔。而且“在新能源和可再生能源中，地熱資源不受天氣、氣候等自然條件影響，平均能源利用系數達到73%，遠遠高于太陽能和風能”。

據了解，高溫地熱資源（150℃以上）主要用于發電，地熱電站可作為基本載荷運行。中溫和低溫以直接利用為主，多用于采暖、烘干、工業、農林牧副漁業、醫療、旅游及日常生活等方面。地熱資源可供提取作為溴、碘、硼砂、鉀鹽、銨鹽等工業原料的熱鹵水和天然化肥水，還是醫療熱礦水和飲用礦泉水資源以及生活供水的水源。

與傳統的鍋爐供暖相比，利用地熱供暖的CO2排放量至少可減少50%，若熱泵所需電力來自可再生能源，則CO2減排可達100%。地熱能源的開發利用，將對CO2減排及減緩全球氣候變化發揮重要作用。

七元公司現有水源井一座，供水量960 m3/天，水溫達到了35℃，是理想的熱源。原始水溫按35℃考慮，取熱尾水水溫按10℃，則可以從水中汲取的熱量為：Q0=960×1 000×4.187×（35-10）/106=100.49 GJ/d。熱泵能效比按3.5計算，則熱泵系統的名義供熱量為Q=100.49×[3.5/（3.5-1）]=140.686 GJ/d＞87.5 GJ/d（生活熱水制備日耗熱量），完全可以滿足礦井建設期間生活供熱。

前期利用地熱取暖不僅可以滿足供熱要求，而且極大地節約了能源，減少了CO2排放，減少了環境污染。

3 礦井建設中期礦井供熱方式研究

根據此時人員結構和投用建筑物數量，可以利用地熱加熱泵技術為礦井供熱。

1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設備用于供暖，這是早期的水源熱泵系統，也是世界上第一套熱泵系統。熱泵工業在20世紀40年代到50年代早期得到迅速發展，家用熱泵和工業建筑用的熱泵開始進入市場，熱泵進入了早期發展階段。

20世紀70年代以來，熱泵工業進入了黃金時期，世界各國對熱泵的研究工作都十分重視，諸如國際能源機構和歐洲共同體，都制定了大型熱泵發展計劃，熱泵新技術層出不窮，熱泵的用途也在不斷開拓，廣泛應用于空調和工業領域，在能源的節約和環境保護方面起著重大的作用。

相對世界熱泵的發展過程，中國熱泵的研究工作起步約晚20～30年左右。新中國成立后，隨著工業建設新高潮的到來，熱泵技術才開始引入中國。進入21世紀后，由于中國沿海地區的快速城市化、人均GDP的增長、2008年北京奧運會和2010年上海世博會等因素拉動了中國空調市場的發展，促進了熱泵在中國的應用越來越廣泛，熱泵的發展十分迅速，熱泵技術的研究不斷創新。

從2001年熱泵起步開始，經過5年的培育，中國熱泵行業開始從導入期轉入成長期。熱泵行業快速發展，一方面得益于能源緊張使得熱泵節能優勢越來越明顯，另一方面與多方力量的加入推動行業技術創新有很大關系。

時至今日，熱泵已有100多年的發展歷史，熱泵技術日趨成熟，熱泵應用也日益廣泛，近年來，熱泵在煤炭行業的應用也逐步得到推廣。

3.1 熱泵的原理

熱泵是一種以外部輸入能源為動力，通過機修做功，將熱能從低溫端轉移至高溫端的裝置。蒸氣壓縮式熱泵系統主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器四部分組成，蒸發器為熱泵的取熱端，而冷凝器則為供熱端。

低溫低壓的制冷劑蒸氣進入壓縮機后被壓縮成高溫高壓的蒸氣進入冷凝器，在冷凝器內被冷卻液化成高壓低溫的液體（對外放熱），經膨脹閥膨脹減壓后形成低溫低壓的液體，低溫低壓的液體在蒸發器內蒸發（對外吸熱）成為低溫低壓的蒸氣，如此往復循環實現熱泵制熱目的。

3.2 熱泵的節能分析

常用的熱泵多為蒸氣壓縮式熱泵，是以電為動力，通過蒸發器從低溫端汲取熱能，再通過冷凝器加熱熱媒（通常為水），實現對外供熱。熱泵的能效比是衡量熱泵性能的重要參數，它指的是熱泵制熱量與輸入電能之比，也稱作COP，一般熱泵的能效比都在3以上，多數在3.5～4.5之間，為方便起見，以一套COP為4的熱泵機組分別與燃煤鍋爐和燃氣鍋爐作比較，對熱泵的節能進行分析，如圖1所示。

根據國家能源局2014年8月14日發布的數據，2014年前7個月全國供電煤耗率為324 gce/kWh，折合成電廠熱效率為37.96%，由此可以推斷算出COP為4的熱泵的熱效率為152%。根據國家標準《工業鍋爐能效限定值及能效等級》GB 24500—2009的規定，10 t/h的燃煤鍋爐的設計熱效率為79%，燃氣鍋爐的設計熱效率為90%。

根據以上各自的熱效率可以推算出：制取1單位的熱量，熱泵需要消耗0.657 9單位的熱能，燃煤鍋爐需要消耗1.265 8單位的熱能，而燃氣鍋爐則需要消耗1.111 1單位的熱能。由此可見，制取同樣的熱量，鍋爐能耗是熱泵的近2倍。

根據上述數據，同樣可以計算出：與燃煤鍋爐相比，熱泵節能48%；與燃氣鍋爐相比，熱泵節能40.8%。

圖1 能耗對比表

3.3 熱泵的使用條件和應用范圍

熱泵的蒸發溫度和冷凝溫度是決定熱泵能效比（COP）的兩個重要參數，過低的蒸發溫度和過高的冷凝溫度都將使得熱泵的COP降低，一般情況下，只有在COP大于3時，熱泵的節能特性才能充分顯現出來，否則，熱泵不但不節能，還可能浪費能源。

熱泵的蒸發溫度是由取熱對象溫度決定，比較經濟的蒸發溫度為2～3℃，考慮到蒸發器的換熱端差等因數，一般要求取熱對象的溫度不低于5℃，尤其是空氣源熱泵，由于空氣中含有水蒸汽，如果熱泵的蒸發溫度過低，將使得蒸發器表面結霜，這將嚴重惡化熱泵的蒸發器的換熱工況，大大降低熱泵的能效比（COP），如果不能及時除霜還將影響熱泵的正常運行。因此，作為熱泵熱源的介質，比較適宜的溫度為12℃以上，熱泵這一特性使得熱泵的應用范圍受到了一定程度的限制。

熱泵的經濟冷凝溫度一般為40～60℃，這就決定了熱泵的供熱熱媒溫度不能過高，一般為40～55℃，熱泵的供熱熱媒溫度也影響了其應用范圍，一般用在生活熱水制備和民用建筑的空調、采暖等需要低溫熱媒的領域，對于工業廠房采暖、井筒防凍等需要高溫熱媒的場所，其應用則受到一定的限制。絕大多數礦井在建設和生產過程中都會產生礦井涌水，礦井涌水中含有一定量的懸浮物質，如煤石、泥沙、油性、黏性懸浮物、寄生、附生菌類物質，同時還含有等微量的電化學離子。處理后的礦井水雖然礦化度變化不大，但是其中的懸浮物已基本去除，不會堵塞熱泵的蒸發器，加之礦井水在蒸發器中是個降溫過程，且降溫幅度不大（一般為5～10℃），礦井水的電化學離子不會析出，所以也不存在結垢問題，另外，礦井水的水溫一般都在15℃左右，非常適宜用作熱泵的熱源。

在礦井生活污水中，洗浴廢水占有較大的比例，這使得生活污水處理后形成的中水溫度較高，一般都在20℃左右，中水的懸浮物和礦化物對熱泵蒸發器沒有太多影響。因此，這部分水也適宜用作熱泵的熱源。

3.4 熱泵在礦井中的應用范圍

熱泵系統經濟供熱熱媒的出水溫度為40～55℃，供回水溫差一般為5～10℃。國家標準《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736—2012規定：地板輻射采暖（俗稱“地暖”）的供水溫度為35℃～45℃，供回水溫差為5～10℃；空調系統供熱熱媒的供水溫度為50～60℃，供回水溫差為10～15℃；散熱器采暖的民用建筑供暖熱媒供回水溫度宜為75℃/50℃；由此可見，熱泵用在地暖和空調系統的供暖中是適宜的，用在散熱器供暖及井筒防凍等需要高溫熱媒的場合是不恰當的。為了能更明確地說明這一問題，用下面的實例來計算比較：熱泵供熱熱媒為55℃/45℃（供水溫度55℃，回水溫度45℃，供回水溫差10℃）熱水，高溫熱水供熱熱媒為110℃/70℃（供水溫度110℃，回水溫度70℃，供回水溫差40℃）熱水；在供熱量相同的情況下，采用熱泵供暖與采用高溫熱水供暖相比，散熱器數量需增加114%，供熱系統的輸熱能耗需增加884%，這顯然是不合理的。

生活熱水在礦井建設和生產過程中必不可少，生活熱水供水水溫一般在40℃左右，且多數是間歇性供水，因此，利用熱泵來制取生活熱水是適宜的。

4 礦井投產后的供熱方式研究

礦井在投產后，生產用熱源將大大增加，原有的供熱系統將不再滿足礦井采暖需求。這是利用礦井抽采出的瓦斯作為取熱的主要方式，熱泵作為輔助的取熱方式，這樣才能滿足礦井采暖要求。

工業場地熱負荷統計，外網損失系數，在礦井工業場地建鍋爐房一座。鍋爐房內設3臺WNS20-1.25-Q（Y）型全自動燃氣蒸汽鍋爐，單臺蒸發量20 t/h，小時最大燃氣量4 000 m3/h·臺（瓦斯濃度45%～55%）；2臺 WNS10-1.25-Q（Y）型全自動燃氣蒸汽鍋爐，單臺蒸發量10 t/h，小時最大燃氣量2 000 m3/（h·臺）（瓦斯濃度45%～55%）。冬季全部運行，夏季運行1臺10 t/h蒸汽鍋爐。鍋爐燃燒器、煙囪、給水泵均由鍋爐廠配套供應，與鍋爐一一對應。氣源由礦井瓦斯泵站提供。燃燒器選用燃油燃氣兩用噴嘴，前期可燃油，后期氣源供應穩定后改為燃氣。

5 礦井生產后期供熱研究

七元礦井生產規模逐漸形成，該礦井屬于高瓦斯礦井，對瓦斯的利用是七元礦井節能環保設計的關鍵。

利用礦井乏風取熱技術在國外已經有了成功案例，2005年2月，國內山東理工大學對礦井乏風瓦斯熱逆流氧化技術進行了研究。在氧化蓄熱陶瓷床蓄熱特性、加熱啟動方法、熱量提取方法、溫度分布控制等方面進行了探索研究，并取得一些原創性成果。

2006年4月自自主研發了處理能力200 m3/h的小型臥式礦井乏風瓦斯熱氧化試驗裝置，穩定運行最低瓦斯濃度為0.2%，可以產生熱水和蒸汽，并通過了一個月的可靠性試驗。

2006年底山東理工大學又研發了處理能力每小時10 000 m3的小型臥式礦井乏風瓦斯熱氧化裝置，可以產生飽和蒸汽。

2007年勝動集團將該裝置安裝在阜新煤礦進行了現場試驗。

隨著技術的逐漸發展，產生了新的取熱方式，七元礦井在考察和研究的基礎上，應考慮投入應用新的取熱方式，以實現礦井的可持續發展。