礦井余熱回收再利用技術在涼水井煤礦的運用

高麗(陜西能源涼水井礦業有限責任公司，陜西 神木 719319)

0 引言

目前，我國的能源消耗量巨大，尤其是煤礦能源已經出現了供不應求的現象，這使得國家需要大量對外進口煤礦，進口量巨大，截止2020年12月底，我國全面進口煤炭超過3.84億噸，同比增長0.9%，給國家帶來了巨大的經濟壓力。在這一背景下為了緩解經濟壓力，且滿足全國上下的煤礦能源需求，我國進入了全民節能時代，各方面能耗都要盡可能減小，故涼水井煤礦在以往應用中的消耗量巨大，其他技術手段雖然能降低能耗，但不夠清潔，給相關企業造成了困擾，而礦井余熱回收再利用技術的出現同時解決了節能、清潔兩大問題，破除了現有困擾，因此有必要展開相關研究，旨在推廣該項技術，盡快實現涼水井煤礦供暖節能。

1 礦井余熱回收再利用技術的形式

目前，礦井余熱回收再利用技術主要有三種形式，即空壓機余熱回收技術、礦井涌水余熱回收技術、礦井回風余熱回收技術，各項技術的具體內容如下。

1.1 空壓機余熱回收技術

空壓機余熱回收技術在近些年得到了人們的廣泛關注，原因在于該項技術經濟效益、節能效果非常優秀，且安全性等也有一定保障。該項技術主要裝置是空壓機余熱回收裝置，該裝置啟動后，初期因為裝置內冷卻油溫度較低，所以冷卻油通向換熱器的閥門會關閉，使得冷卻油在內部封閉環境中循環流動，這個過程中冷卻油會與裝置發動機進行熱量交換(發動機運作后會逐漸產生熱量)，讓冷卻油吸收熱能，可有效控制設備溫度，而當冷卻油的溫度達到閾值后換熱器閥門打開，冷卻油進入換熱器接觸到外部冷卻水，冷卻水會吸收冷卻油現有熱量，使得冷卻油溫度降低，完成后冷卻油繼續回到裝置內，因為溫度低，閥門再次關閉，而冷卻水吸收熱量之后溫度上升，實現了余熱回收。最后，人們可以利用冷卻水回收的溫度進行供暖，能有效減低能耗。

1.2 礦井涌水余熱回收技術

礦井涌水余熱回收技術的基本原理是熱泵原理，可以用少量電能吸收水中的低位熱能，隨后將該熱能供給高位熱能用戶。在這一基礎上結合涼水井煤礦，礦井涌水余熱回收技術能夠將礦井水視作熱源，采用熱泵設備提取熱能，熱能可以用于現場用水加熱。礦井涌水余熱回收技術具體原理為：第一，壓縮機能夠生產出制冷氣體，氣體具有高溫高壓特征，因此當氣體進入冷凝器，可以將其中熱量釋放出來，并轉換為高壓液體；第二，壓縮機制冷氣在冷凝器中釋放的熱量會被采集，采集后即可供暖；第三，釋放了熱量后的高壓液體會循環進入膨脹閥，處理后成為低溫低壓液體，再進入蒸發器，經過蒸發器處理低壓液體吸收熱水熱量，轉化為低壓蒸汽。通過這種循環方法，可實現余熱回收利用。

1.3 礦井回風余熱回收技術

涼水井煤礦源于地下，而地下擁有豐富的地熱資源，這些資源在被開發之后會隨著空氣流動出風，出風溫度滿足人們需求，這時即可采用礦井回風余熱回收技術回收余熱。礦井回風余熱回收技術的種類很多，因此余熱回收方法較多，其中較具代表性的是深焓取熱回風熱泵技術，該項技術的原理為：采用深焓取熱回風熱泵構建雙級深焓取熱系統，系統能在風中采集余熱，采集方法同樣是換熱法，即系統內有回風取熱箱，箱內的防凍液管路可與回風接觸，故防凍液將吸收風中熱能，并且通過熱泵機組蒸發器對外散發，可加以利用[1]。

2 技術系統構建方案與保障機制

2.1 構建方案

系統構建中工作人員要計算涼水井煤礦熱負荷與余熱資源能量的匹配性，并完成熱能用戶的分類，最好供熱規劃工作，要建立對應的供熱配置，本文以某礦區為例，對技術系統構建方案進行論述，該礦區共有兩個場地，經過計算確認各場地熱負荷與余熱資源能量匹配性良好，且相當，故均勻供熱即可[2]。結合要求，本文將采用以上三大技術形式構建綜合型涼水井煤礦礦井余熱回收再利用技術系統，即系統可分為空壓機取熱、涌水取熱、回風取熱三個板塊組成，各板塊之間緊密連接，能夠最大限度地吸收現場熱能，并將熱能匯總后對外均勻分配，為保障熱能分配均勻，本文采用了封閉式裝置支撐熱能匯總，并在該裝置上安設了相同規格的閥門，當裝置內熱能達到一定水平之后閥門才會打開，受后續風力推動向兩個閥門外的管道輸出，實現均勻供熱，推動風力溫度與裝置內熱能溫度相當。另外，本系統構建方案除了包括綜合型取熱系統以外，還包括配套系統，包括管路與供電系統，具體內容見下文。

2.1.1 綜合型取熱系統

第一，空壓機取熱將空壓機安裝在熱源處，確保熱媒與熱能直接接觸，這樣熱媒受熱后能直接與空壓機冷卻油進行換熱，同時獲取空壓器發動機運作時的熱能。熱能主要用戶現場用水加熱，最高可以讓水溫達到50 ℃，說明熱能利用率充分；第二，涌水取熱的熱泵與井口、沖洗水、井下涌水三個水熱源直接連接，能夠吸收相關熱源熱能，但因為單一水熱源的熱能溫度不高，不滿足用水需要，所以在涌水取熱的熱泵外建設了管道，該管道直通熱能匯總裝置，故涌水取熱并不會直接供給，而是在匯總裝置中與其他熱能混合，再一同使用；第三，回風取熱中在現場構建了回風路徑，使得風力循環運作，同時將熱媒與取熱室內的取熱箱連接，使得井下回風直通取熱箱，能夠進行直接換熱，這樣能有效降低熱能損失，保障余熱回收量。回風取熱的熱能為低溫熱源，直接供給到現場熱泵機組，若有剩余也可進入匯總裝置低溫熱源。

2.1.2 配套系統

第一，管路系統中首先在回風熱泵機房至回風取熱室之間安設沖洗水管、取熱循環水管道，管道采用架空敷設技術實施，管道采用聚氨酯成品保溫管，厚度50 mm、外保護層為7 mm玻璃鋼保護殼，能避免熱能損失。其次在回風熱泵機房與井空氣加熱室之間安裝保溫管，管道采用埋設技術實施，埋深1 m，管道為聚氨酯材料，厚度50 mm，外保護層采用7 mm厚聚乙烯。再次在水源熱泵機房至礦井水處理間之間安裝熱水管，管道采用架空敷設技術實施，途經井下水處理站、變電站，管道為聚氨酯成品保溫管，厚度50 mm，外保護層是7 mm厚聚乙烯。最后在機房內安設采暖供回水管、洗浴供水管等，管道為聚氨酯成品保溫管，厚度50 mm，外保護層是7 mm厚聚乙烯，采用埋設技術與室外觀望銜接；第二，供電系統中考慮到現場余熱利用，將現場水源熱泵機房、回風熱泵機房的10 kV電源引入涼水井處35 kV變電站，該變電站容量為2×20.0 MVA、負荷為14～15 MW，經過實際測試，電力可滿足綜合型取熱系統的電能需求。

2.2 保障機制

因為整套系統需要使用到大量設備，所以設備對系統作用有直接影響，為了保障系統質量，必須建立設備選型保障機制，即設備選型保障機制應當強調設備選型的基本原則，具體原則有：第一，因為涼水井煤礦供熱目標存在差異，包括生活供熱與工作供熱，兩者對供熱溫度的要求并不相同，諸如生活供熱溫度要求比較低，一般為30 ℃，主要用于洗浴等，而工作供熱的要求比較高，一般為45 ℃，主要用于現場保溫，所以所選設備必須要具備溫度調節功能，確保溫度滿足實際需求；第二，因為供熱系統中所有設備必然會不斷地與各種熱源接觸，所以會出現熱腐蝕等現象，這種現象雖然不可避免，但至少在短時間內不能出現，否則就說明設備的使用壽命短，耐熱能力、耐腐蝕能力不足[3]。著眼于這一點，設備選型時一定要選擇耐熱能力、耐腐蝕能力強的設備，在滿足這一基本要求的基礎上再考慮成本或其他性能指標；第三，系統中所有設備的總供熱能力不可超過總熱負荷要求，否則可能引發安全問題；第四，在以上三大要求均被滿足的情況下要考慮系統設備總成本問題，可以在不影響設備功能、性能、供熱質量的前提下將成本控制在最低水平。

3 系統應用中的注意事項

3.1 回風直冷式取熱器安全性影響

在礦井回風余熱回收技術部分主采用直冷式取熱器，該設備運行時無可避免的會與原生態煤礦接觸，而煤礦中的粘性雜質、粉塵等會在其表面聚集，達到一定程度會形成巨大的阻力，使得取熱器通風堵塞。這種現象發生在涼水井煤礦作業中十分危險，因為地下環境復雜，有很多未知的危險因素，而部分危險因素就潛藏在空氣中，所以當取熱器出現通風堵塞，地下環境中有害氣體就不能順利排放，造成安全性影響。針對這一問題，企業應當安排專人做好三項工作：第一采用超親水高科技材料對取熱器表面進行涂刷，可以盡可能避免物質粘附，延緩堵塞情況，且專人要負責定期巡檢；第二安裝噴淋清洗裝置，定期開啟裝置進行清潔，過程中要合理設置噴射壓力[4]；第三人工也要定期清潔取熱器表面，主要是為了解決頑固性粘塵。

3.2 水源熱泵的設備影響

水源熱泵中的水熱源多種多樣，其中有一部分是污水，污水水質較差，直接取熱會對設備造成較大影響，諸如設備可能會被水中的酸性物質腐蝕，這區別于熱腐蝕，影響力也更為重大。針對這一點，建議企業先將水熱源集中，采用污水處理技術進行預處理，再對處理后的純凈水進行余熱回收，預處理方法為：第一采用斜板沉淀法集中污水；第二添加絮凝劑、混凝劑，促使水體與顆粒固體分離，實現污水凈化目的。

4 結語

綜上，礦井余熱回收再利用技術形式較多，但互不沖突，故在涼水井煤礦中可以活用多個技術形式構建綜合系統。借助綜合系統，能充分發揮現場多種熱源，實現多元余熱回收，回收后余熱能夠用于多個方面，諸如水加熱、現場供暖等，其清潔性良好，可起到節能降耗作用。