某高寒高海拔銅礦井口防凍加熱系統設計

張繼業

（1．河南理工大學安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2．中國恩菲工程技術有限公司 北京 100038 ）

1 高海拔礦山條件

《全國礦產資源規劃（2016～2020年）》中規劃建設103個能源資源基地，劃定了267個國家規劃礦區，部分礦山分部在西藏、青海、新疆、云南這些高海拔省份。例如云南迪慶州普朗銅礦礦區海拔高度3600m～4500m；西藏昌都市玉龍銅礦礦區海拔高度4560m～5124m，西藏拉薩市驅龍銅礦區海拔高度4350m～5407m。復雜多樣的高原地理氣候環境（氣壓低、含氧量少、氣候寒冷、溫差大），極大的影響和制約高海拔礦山地下開采生產。同時根據《金屬非金屬礦山安全規程》第 6.4.1.7 條，為保障采礦生產安全，各通風平硐硐口進風溫度須≥2℃，考慮到礦區冬季漫長嚴寒，礦井進風必須加熱防凍。

例如云南迪慶州普朗銅礦采暖期長達179天，冬季室外溫度長期低于 0℃，礦井平均進風干球溫度-12℃，主要運輸平硐巷道頂底板長期有地下水滲出，進洞 200m 內如不進行供暖加熱，巷道頂底板長期處于冰凍狀態，影響礦山正常生產。

2 礦井加熱技術現狀

礦井井筒防凍加熱技術在煤礦中應用較為廣泛，傳統的加熱技術為用熱源通過換熱器將進風空氣溫度提高到2℃以上，保證礦井防凍效果。熱源可由已煤炭、油、燃氣為燃料的鍋爐房提供，亦可用電能直接供熱提供。鍋爐系統初投資較大，管理、運行、維護費用較高，而且燃燒也會對環境造成污染。

根據國家能源政策、節能標準一貫的指導方針，具有工業余熱和區域供熱作為熱源時應優先采用。礦井通風系統的風流沖洗井下工作面后將有毒有害氣體由回風井巷排出，同時也將井下人員、機具作業產生熱量以及井巷巖壁積蓄的低溫熱能排出[1，2]。通過回風源熱泵技術回收這部分低溫熱能來加熱水，儲存熱量可以循環利用，也是國家大力提倡的節能方式，以其低耗、易維護等優點得到了一定的推廣。

在高寒高海拔礦山，由于氣壓低、含氧量少，以煤炭、油、燃氣作為燃料的礦井加熱方案并不經濟適用，只能選擇以電加熱、回風源熱泵提供能量的加熱方式。

3 某高寒高海拔銅礦礦井井口加熱系統設計

3.1 設計條件

（1）礦井通風系統概況。該礦采用平硐開拓膠帶運輸，中段采用有軌運輸，自然崩落法開采，設計開采規模1250萬t/a。根據該礦通風系統的特點，設計采用多級機站通風方式，總需風量為647m3/s。新鮮風流經3850m風平硐、3600m進風平硐、3660m有軌運輸平硐和3720m無軌平硐進入井下，由輔扇和通風構筑物負責分配風流，污風經3700m回風平硐、南回風井和3540m膠帶運輸平硐排出地表[2]。通風系統示意圖如圖1所示。

根據在Ventsim VisualTM軟件中，將系統風機參數、通風構筑物、通風監測點與礦山實際進行解算，各硐口滿負荷工況最大風量見表1。

（2）經查詢銅礦所在地區氣象資料，該礦區冬季空氣調節室外計算溫度為-8.6℃，相對濕度60%，極端最低溫度平均值-27.4℃。實際測定冬季礦井進回風參數平均溫度為8℃。

圖1 通風系統示意圖

表1 各硐口滿負荷風量

（3）井口加熱需熱量計算。為滿足冬季進風溫度高于2℃，需通過井口加熱器對進入井口的空氣（室外溫度計算值取-12℃，相對濕度60%）進行加熱，運用礦井井口加熱量計算公式[3]計算各進風井口防凍加熱所需熱量見下表：

公式中：Q——進風所需加熱熱量， kw；

α——熱量損失系數，井口房不密閉時，α=1.05～1.10

Th——冷、熱風混合后空氣溫度，取2℃；

Tw——室外平均冷風進風溫度，取-12℃；

V ——進風風量，m3/s；

Cp——空氣定壓比熱，Cp=1.01kj/kg·℃

ρ——空氣密度，kg/m3；

表2 進風加熱需熱量表

故為滿足礦山井口防凍需求，在空氣調節室外平計算溫度為-12℃時將進風溫度加熱到2℃，礦山井口總加熱量為8555kw。

（4）回風井口可提取熱量核定。經實測未加熱前3700m回風平硐及南回風井回風空氣平均密度為0.851 kg/m3，干球溫度為8℃，相對濕度60%；如運用回風源熱泵技術回收此部分低溫余熱，機組排出回風溫度為1℃，相對濕度95%。可查得此過程焓差為：7.6Kj/kg。

回收回風熱量可根據公式[4]：

式中：Qh——回收熱量，kw；

△i——焓值差，kj/kg；

ρ——空氣密度，kg/m3；

V ——回風風量，m3/s；

根據熱泵機組選型參數COP取計算值為3.57，則機組可提供的高位熱能為：

根據上式計算各個回風出口可提取熱量為：

表3 不同回風出口可提取熱量表

3.2 礦山井口加熱系統設計

由于礦區所在區域地處高海拔，環保要求高，且無煤炭、燃油、燃氣等能源條件，可供使用能源僅為電能。為達到節能環保的設計理念，根據礦山實際通風網絡及系統布置位置，方案設計主要采用在回風井設置回風源熱泵機組回收回風余熱，通過熱水循環泵和熱水管網將熱量輸送至進風硐室，通過水-空氣換熱機組對進風進行預熱，設置軟水裝置和定壓補水裝置。熱泵機組不足熱量采用電加熱器補足。系統示意圖如圖2所示。

圖2 回風源熱泵機組加熱系統示意圖

根據現場實際情況設計為：

（1）3850m進風斜坡道與南回風井結合設置一套獨立的空氣源熱泵預熱系統：此兩處進回風硐口位于礦體南側山坡，距離較近。為提取南回風井回風余熱量，選配MAS130型風冷螺桿熱水機組5臺（制熱量510kw），MAS90型風冷螺桿熱水機組1臺（制熱量350kw），加熱循環水系統，供回水溫度50℃/45℃輸送至3850進風斜坡道；在3850m進風斜坡道井口設置水空氣換熱器（單臺供熱量690kw），不足熱量由電加熱器補足。

熱泵機組系統裝機功率為967kw，電加熱器500kw，合計1467kw，可節約加熱能耗2066kw。

（2）3600m進風平硐與3700m回風平硐結合設置一套獨立的空氣源熱泵預熱系統：此兩處進回風硐口位于礦體北側山坡，距離較近。選配MAS130型風冷螺桿熱水機組3臺（制熱量510kw），MAS90型風冷螺桿熱水機組1臺（制熱量350kw）提取3700m回風平硐回風余熱量，3600m進風平硐設置3臺水空氣換熱器（單臺供熱量630kw），不足熱量由4臺電加熱器補足；熱泵機組系統裝機功率為650kw，電加熱器功率2000kw，合計2650kw，可節約加熱能耗675kw。

（3）3720m無軌平硐及3660m有軌運輸平硐由于布置在礦體西側，距離其它硐口較遠，分別設置電加熱空氣預熱機組對進風加熱；

（4）3540m膠帶運輸平硐由于可回收熱量較小，且與其它硐室距離較遠，從經濟角度考慮，不布置余熱回收。

（5）控制系統：在室外、進風硐口、回風硐口設置溫度監控測點，通過PLC對熱泵機組及電加熱器集中控制，根據進風溫度變化進調節風井口加熱器開啟數量，來保證進風溫度維持在2℃以上，防止結冰。

4 設計方案運行費用分析

根據以上設計方案，將3850m進風斜坡道井口加熱能耗由約3533kw降低至1467kw，3600m進風平硐井口加熱能耗由約3325kw降低至2650kw。按照冬季每天運行10小時，每年運行100天計算，年節省電量可節省289萬KWh，按0.35元/KWh的工業用電電費計算，每年可節省運行電費101.15萬元。

由于空氣源熱泵熱泵運行幾乎不需要維護、值守，每年可節省設備維護成本約10萬元，人工成本16萬元。

5 結論

（1）項目設計對礦井井口加熱熱量和回風余熱提取熱量進行了解算，提出了井口加熱防凍系統方案；

（2）項目設計有效的解決了高寒、高海拔礦山供熱形式單一、供熱熱效率的難題，采用回風源熱泵技術回收礦井回風低焓熱能，用于井口防凍和空氣預熱，節約了大量能源，減少排放，是綠色礦山建設的一個方面。

（3）本項目為高寒高海拔有色金屬礦山，有獨特的地理及區位優勢，經濟和社會效益明顯，可在類似條件下推廣應用。