礦山井下熱能綜合利用實踐

吳夫軍 張登嶺

摘要：為最大限度利用豐富的井下熱能，充分實現節能減排，某礦山采用高新技術實現礦井水和回風余熱綜合利用。詳細介紹了水源熱泵系統組成、工作原理、設備選型等，分析了余熱利用的特點及其經濟性。利用礦井水和回風余熱進行礦山地面供暖、職工浴室洗浴熱水加熱、井筒保溫等，實現了節能減排、降本增效的目的，減少了環境污染，滿足礦山冬季供暖、夏季制冷的需求。

關鍵詞：井下熱能;礦井水余熱;回風余熱;水源熱泵系統;節能減排;降本增效

中圖分類號：TD98??????????文章編號：1001-1277（2021）02-0052-03

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20210210

引?言

隨著環境問題逐漸被人們所重視，節約資源的意識也逐漸提高，節能降耗成為礦山企業長期的戰略任務。多數礦山在進行生產建設時發現，開采過程中產生的大量余熱具有可利用性。余熱是在一定經濟技術條件下，在能源利用設備中沒有被利用的能源，也就是多余的、廢棄的能源。余熱回收利用是提高經濟性、節約燃料的一條重要途徑[1-3]。

某礦山于2014年12月開工建設，在開工建設之初，由于節能環保的要求，工業廣場中不允許再建設燃煤鍋爐，因此計劃利用礦井水和回風中的余熱來彌補地面熱能的不足。

礦井水及回風中蘊含大量余熱可以利用。應用熱泵回收余熱技術，提取礦井水及回風中蘊含的余熱，滿足礦山工業廣場建筑冬季取暖、浴室加熱、主副井井筒保溫等;取代鍋爐建設，達到推廣循環經濟，節能減排，創造優良工作環境，實現人與環境和諧發展的目的。

1?工程背景

該礦山設計生產能力180萬t/a。通風系統采用中央并列抽出式通風方式，副井進風，主井少量進風，風井回風。礦井通風容易時期風量250?m3/s，礦井通風困難時期風量365?m3/s。礦井水涌水量豐富，設計涌水量為300～500?m3/h，處理后達標中水溫度常年基本恒定，溫度不低于26?℃，礦井水可利用溫差為15?℃，正是水源熱泵利用的較好熱源。目前井下實際涌水量約為210?m3/h，每天約5?000?m3，可利用熱量為5?233?kW。冬季利用礦井水余熱為礦山提供50?℃的熱水，可達到為地面各建筑物供暖、浴室加熱、井筒防凍的目的。

冬季制熱時，前期按照礦井回風風量250?m3/s（后期礦井回風風量365?m3/s），回風溫度25?℃，相對濕度90?%，提取熱量后的回風溫度15?℃，相對濕度99?%計算，則熱泵機組可從礦井回風余熱中提取的熱量為7?514?kW（初期），后期為10?971?kW。

2?余熱綜合利用

2.1?利用方案

1）水源熱泵系統。采用水源熱泵系統對礦井水和回風余熱加以利用。水源熱泵系統的主要設備由水源熱泵機組、板式換熱器、噴淋塔系統、系統循環水泵、自動化控制、風機盤管和管道閥門管件等組成。水源熱泵系統工作原理見圖1。

2）水源熱泵機組選型。根據冷熱負荷參數，選用3套19XR-7P70E51MFE5A型離心機組，單機額定制熱量3?800?kW;1套30HXC400AH-HR型螺桿機組，額定制熱量1?700?kW。

（1）冬季4套機組全部工作。其中，3套離心機組用于采暖和井口保溫，螺桿機組加熱生活用水用于洗浴。各建筑物內末端采暖設備主要為風機盤管或鋼制散熱器。在大型工業廠房、輔助車間等采用風機盤管與暖風機混合采暖方式，工作時間保證室內采暖計算溫度，非工作時間保證5?℃防凍溫度。

（2）夏季3套離心機組用于空調供冷，螺桿機組加熱生活用水用于洗浴。熱泵機組的性能參數見表1、表2。

2.2?余熱利用特點

1）礦井水余熱利用。冬季礦井水自井下排到地面經處理后的溫度約為26?℃，可作為熱泵機組的熱源。由于礦山正常生產期間排水一般是不連續排水，為保證礦井間斷排水時滿足水源熱泵系統正常運行，在礦井水處理站設置一座容積為2?000?m3的儲水池。熱泵機組運行時，礦井水循環水泵抽取儲水池的礦井水進入熱泵機房內的板式換熱器，經熱交換之后返回礦井水池。被礦井水加熱后的水進入水源熱泵機組蒸發器，和機組內的低溫制冷劑進行熱交換后，再回到板式換熱器被礦井水交換加熱。礦井水可利用溫差為15?℃，礦井水可利用熱量為5?233?kW。因此，冬季利用礦井水余熱可為礦山提供50?℃的熱水，達到了為地面各建筑物供暖、浴室加熱、井筒防凍的目的。

2021年第2期/第42卷??采礦工程采礦工程??黃?金

2）礦井回風余熱利用。礦井通風系統采用中央并列抽出式通風方式，副井進風，主井少量進風，風井回風。受礦井地溫較高影響，井下回風溫度相對較高，礦井回風溫度基本不受室外氣溫影響，全年比較穩定，可提取回風余熱用于礦山供暖。

礦井回風熱能提取裝置采用空調噴淋式原理，通過合理布置噴頭，直接利用空氣噴淋水吸取回風中的熱量，不會增加太大阻力，且能起到一定消聲、凈化回風的作用。在礦井回風源熱泵系統中，回風換熱器將礦井回風中所蘊含的熱能通過噴淋換熱方式轉移到循環水中，熱泵系統通過提取循環水的熱量間接利用回風余熱。制熱工況時，熱泵系統提取循環水中的熱量，循環水溫度有所降低（一般5?℃）;循環水經過熱泵取熱降溫后返回回風換熱器進行熱交換，循環往復。冬季制熱時，初期熱泵機組可從礦井回風余熱中提取熱量7?514?kW，后期可提取熱量10?971?kW。

2.3?余熱利用的經濟性

通過礦井水及回風余熱的綜合利用，前期每年可為礦山節約煤炭使用量約4?511?t標準煤，后期每年可為礦山節約煤炭使用量約5?735?t標準煤。充分證明了礦井低溫余熱利用在實現節能減排、降低礦井生產成本上的可行性。礦井水和回風余熱的利用既避免了環境大氣和熱污染，保護了周圍的環境，又節約了運行生產成本，具有較大的經濟價值和社會效益。

2.4?應用及效果

伴隨著礦山建設進度，為落實好國家節能減排政策，節約生產建設成本，井下余熱利用逐漸被提上日程。2018年，該礦山1號職工公寓、副井井筒防凍及浴室投入使用，采暖季啟動井下余熱供暖。2019年，2號職工公寓及綜合辦公樓相繼投入使用，采暖季相繼啟動井下余熱供暖。

2.4.1?泵及管路的選取

1）采暖空調循環水泵選型。礦山夏季熱泵系統運行5套離心式水源熱泵機組，總制冷量25?000?kW，冷卻水循環量為2?700?m3/h。選用4臺SLW200-315（I）B型臥式循環水泵（單臺流量為1?000?m3/h），3用1備，均設變頻控制。夏季運行3臺，采暖季運行2臺。安裝在水源熱泵機房內。

2）礦井水循環水泵（一次泵）選型。該循環泵為水源熱泵機組提供熱源水，設置在礦井水處理站。冬季礦井水處理后的供水溫度為25?℃～30?℃，水源熱泵機組可利用溫差為17?℃～20?℃，機組采用熱源水并聯方式運行。選用3臺SLW350-315型臥式循環水泵（單臺流量為800?m3/h），2用1備，均設變頻控制。

3）板式換熱器選型。為保證水源熱泵機組的安全穩定運行，熱泵機組與礦井水之間設置板式換熱器設備，選用6臺板式換熱器，單臺板式換熱器的換熱量為3?600?kW。

4）熱源水循環水泵（二次泵）選型。該循環泵設置于水源熱泵機房內。選用4臺SLW350-300型臥式循環水泵（單臺流量為800?m3/h），3用1備。

5）外循環管路井筒防凍水管選用DN400，生活、辦公區供水管選用DN350;內循環即離心機組主管選用DN500，材質為無縫鋼管，采用架空敷設。

2.4.2?應用效果

1號、2號職工公寓建筑面積均約12?367?m2，共設置257個房間，房間內均安裝有風機盤管，冬季風機盤管出風口溫度達42?℃，房間溫度達30?℃。

根據礦井井筒防凍消耗熱量和需加熱風量，考慮表面式空氣換熱器的合理匹配因素，在副井井口空氣加熱室內設置14臺表面式空氣換熱器（單臺熱風量26?280?m3/h，換熱量390?kW）;室外溫度-15?℃時，出風溫度可達15?℃;進出水溫度50?℃/40?℃。

綜合辦公樓建筑面積24?380?m2，浴室更衣室及礦燈、自救器室用房面積5?850?m2，職工食堂3?770 m2，共安裝480臺風機盤管。冬季風機盤管出風口溫度達42?℃，房間溫度達30?℃。

浴室洗浴用熱水溫度達50?℃，目前每天洗浴人數約500人。

3號職工公寓建筑面積約12?367?m2，共設置257個房間，預計2021年10月投入使用。房間內均安裝有風機盤管，冬季風機盤管出風口溫度預計可達42?℃，房間溫度預計可達30?℃。

3?結?語

在各地受礦產資源消費總量控制及產品生產綜合能耗限額限制的情況下，資源、能源、環保已經成為影響礦山行業持續發展的關鍵因素，節能、降耗、減排則是礦山行業的最終出路。把礦井水和回風中的余熱作為一種替代能源加以推廣利用，既滿足了礦山環保發展需要，又達到了礦山節能減排的效果。

[參?考?文?獻]

[1]?趙聰，王凱.礦井水余熱利用技術在太平煤礦的開發應用[J].山東煤炭科技，2015（4）：199-202.

[2]?畢曉華.礦井水余熱利用技術在趙固一礦的設計及應用[J].中州煤炭，2019，41（8）：114-116，120.

[3]?韓磊，裴婷.礦井余熱利用技術研究現狀及展望[J].應用能源技術，2013（5）：36-39.