礦井余熱超高效回收利用系統的建立與應用

文/徐發濤 朱曉彥

燃煤鍋爐屬于壓力容器，且使用過程中能源浪費嚴重，運行費用高，環保排放不達標，嚴重污染環境。根據項目所在地的環保政策，山東能源棗礦集團滕東煤礦使用的燃煤鍋爐已于2017年停止使用。

為了解決滕東煤礦的地面建筑供暖、空調，井筒防凍及洗浴熱水加熱的需求，根據滕東煤礦的具體特點，滕東煤礦與相關科研單位研究礦井余熱（包括礦井回風余熱、壓風機余熱）的超高效回收利用技術，替代原燃煤鍋爐供暖。所研究建立的礦井余熱超高效回收利用系統無壓力容器，安全性高，節能效果明顯，運行費用低，實現了預期目的。

一、技術原理

1. 礦井回風余熱間接利用技術

礦井回風低溫余熱間接利用“礦井回風源熱泵系統技術”，使用噴淋技術換熱，從礦井回風中提取熱量到系統的換熱循環水中，冬季利用制冷空調機的反方向工作的原理（制熱），從18℃左右的礦井回風中吸收熱量，制得45℃左右的熱水用于采暖供熱。夏季利用制冷空調機組的正向工作原理（制冷），向18℃左右的礦井回風中排放熱量，制取7℃左右的冷凍水用于空調制冷降溫。該系統每消耗1KW的電能同時可以從礦井回風中提取3～4KW的低品位的熱能，總共生產出4～5KW的供暖能力。

風-風換熱器

2. 礦井回風余熱直接利用技術

根據煤礦企業冬季供熱負荷的特點，井筒防凍熱負荷一般約占總熱負荷的50%左右。采用“礦井回風源熱泵技術”間接利用礦井回風低品位的余熱，必須損耗一部分高品位的電能，且需要大量投資機電設備及土建工程，后期運行維護工作量也相對較大。因此，研究礦井回風低溫余熱直接使用技術用于煤礦企業井筒防結冰，有重大的節能意義。

礦井回風直接利用原理為：采用研發的“風-風換熱器”，利用18℃左右的礦井回風直接加熱-10℃的新鮮冷空氣，將冷空氣加熱至13℃左右，由專用的輸送風道送入進風井井口房。被新風吸收熱量后礦井回風溫度降為5℃左右排放。該系統在熱能置換環節無需消耗額外的能量，實現井筒防凍系統在冷風加熱過程的運行費用為零。

3. 壓風機余熱自除垢回收技術

利用閉式純凈循環水與螺桿壓風機的壓縮機油換熱，純凈循環水被70℃的壓縮機油加熱至60℃左右，送入安裝于熱水箱下部的閉式自清洗彈簧式換熱器中，加熱水箱的自來水至45℃以上用于洗浴，徹底解決傳統的壓風機余熱系統的水質差、易結垢、系統復雜無法穩定運行等問題。進入水箱的自來水與壓風機的空氣冷卻器進行換熱，將自來水預熱回收進入水箱，進一步提高系統的產水率。該系統實現洗浴熱水加熱過程的運行費用為零。

二、關鍵參數

滕東煤礦礦井排風量為7000m3/min，冬季排風溫度18℃左右，相對濕度85%。夏季排風溫度28℃左右，相對濕度90%。安裝有空壓機6臺，單臺空壓機的功率為250kW，流量為41.8m3/min。為井下供氣的空壓機為4臺，2用2備。為選煤廠供氣的空壓機2臺，運行時間為12:00-23:00。

采用“風-水換熱技術”為熱泵機組提供熱源，提取礦井回風中的熱能制取45℃的低溫熱水，用于礦井4.1萬m2的地面行政福利建筑采暖。采用“風-風直接換熱技術”直接提取礦井回風中的熱能，將7000m3/min的入井空氣加熱至13℃以上，并與進風井口部分未加熱的空氣混合進入副井，用于井筒防凍。

回收礦井壓風機余熱用于需要熱水加熱，同時并入一臺制熱量130kW的空氣源熱泵機組作為壓風機不運行時的輔助熱源。

三、主要創新點及應用情況

1. 主要技術創新

滕東煤礦井下熱害嚴重，夏季礦井回風不宜作為空調機組的冷源，回風換熱系統需要具有夏季及春秋季節自動切換功能，以減少礦井通風機的運行阻力。滕東煤礦主井兼作回風井，礦井回風內的粉塵量較大，換熱系統具備一定的防粉塵污垢的能力。通風機出口離副井的距離約130m，采用世界首創的“風-風直接換熱加熱系統”技術，無參考的案例，設計制造難度大。

滕東煤礦通風機出口場地小，無法安裝常規的風水噴淋熱交換器，故研發使用了全新一代的無阻力模塊式礦井回風“風-水換熱熱交換器”。

由于水質較差，用于洗浴熱水加熱的加熱器具有較強的防結垢功能。洗浴熱水加熱后放入水池，不同于鍋爐蒸汽加熱，研發使用自動恒溫系統。

綜上所述，結合滕東煤礦的具體特點，該套礦井余熱超高效回收利用系統主要創新點有以下幾方面：

一是設計研發了全新一代的無阻力模塊式風-水熱交換器；二是設計研發了洗浴熱水加熱用的盤管式自除垢水箱加熱器；三是設計研發了浴池水溫恒定加熱器；四是設計研發了礦井回風進入換熱系統的切換風閥；五是設計研發了礦井回風粉塵過濾系統；六是設計研發了風-風直接換熱系統。

2. 實際應用效果

風-風換熱系統每40kW電能可以產生2100kW熱量（冷風加熱過程無能耗，僅新風輸送風機耗電40kW），能效比為50，熱泵機組單臺290kW電能可以產生1440kW熱量，能效比為4.96。空壓機余熱系統消耗11kW電能，生產375kW的熱量，能效比為34。礦井余熱利用系統綜合能效比達到29.7，即消耗1kW的電能可以得到29.7kW的熱能，目前常規系統的能效比為4，實現了礦井余熱的超高效回收利用。系統年減少用煤量6144噸，減少排放CO215974.4噸、SO252.2噸。與原燃煤系統比較，直接增加效益302.75萬元/年。

滕東煤礦采用礦井回風余熱、壓風機余熱等廢熱資源，成功實現了取消燃煤鍋爐目的。該系統滿足冬季供暖面積約41411m2，系統供水溫度45℃～50℃，回水溫度40℃～45℃。室內溫度不低于24℃。副井筒進風溫度≥2℃。夏季供冷面積約29014m2，系統冷水進水溫度7℃～12℃，回水溫度12℃～18℃，室內溫度不高于26℃。洗浴熱水滿足600人次/天，浴池水溫不小于45℃，淋浴水溫不小于42℃。