礦井余熱超高效回收利用系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

文/徐發(fā)濤 朱曉彥

燃煤鍋爐屬于壓力容器，且使用過程中能源浪費(fèi)嚴(yán)重，運(yùn)行費(fèi)用高，環(huán)保排放不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重污染環(huán)境。根據(jù)項(xiàng)目所在地的環(huán)保政策，山東能源棗礦集團(tuán)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(diào)，井筒防凍及洗浴熱水加熱的需求，根據(jù)滕東煤礦的具體特點(diǎn)，滕東煤礦與相關(guān)科研單位研究礦井余熱（包括礦井回風(fēng)余熱、壓風(fēng)機(jī)余熱）的超高效回收利用技術(shù)，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(tǒng)無壓力容器，安全性高，節(jié)能效果明顯，運(yùn)行費(fèi)用低，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。

一、技術(shù)原理

1. 礦井回風(fēng)余熱間接利用技術(shù)

礦井回風(fēng)低溫余熱間接利用“礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)技術(shù)”，使用噴淋技術(shù)換熱，從礦井回風(fēng)中提取熱量到系統(tǒng)的換熱循環(huán)水中，冬季利用制冷空調(diào)機(jī)的反方向工作的原理（制熱），從18℃左右的礦井回風(fēng)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(diào)機(jī)組的正向工作原理（制冷），向18℃左右的礦井回風(fēng)中排放熱量，制取7℃左右的冷凍水用于空調(diào)制冷降溫。該系統(tǒng)每消耗1KW的電能同時(shí)可以從礦井回風(fēng)中提取3～4KW的低品位的熱能，總共生產(chǎn)出4～5KW的供暖能力。

風(fēng)-風(fēng)換熱器

2. 礦井回風(fēng)余熱直接利用技術(shù)

根據(jù)煤礦企業(yè)冬季供熱負(fù)荷的特點(diǎn)，井筒防凍熱負(fù)荷一般約占總熱負(fù)荷的50%左右。采用“礦井回風(fēng)源熱泵技術(shù)”間接利用礦井回風(fēng)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(jī)電設(shè)備及土建工程，后期運(yùn)行維護(hù)工作量也相對較大。因此，研究礦井回風(fēng)低溫余熱直接使用技術(shù)用于煤礦企業(yè)井筒防結(jié)冰，有重大的節(jié)能意義。

礦井回風(fēng)直接利用原理為：采用研發(fā)的“風(fēng)-風(fēng)換熱器”，利用18℃左右的礦井回風(fēng)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(fēng)道送入進(jìn)風(fēng)井井口房。被新風(fēng)吸收熱量后礦井回風(fēng)溫度降為5℃左右排放。該系統(tǒng)在熱能置換環(huán)節(jié)無需消耗額外的能量，實(shí)現(xiàn)井筒防凍系統(tǒng)在冷風(fēng)加熱過程的運(yùn)行費(fèi)用為零。

3. 壓風(fēng)機(jī)余熱自除垢回收技術(shù)

利用閉式純凈循環(huán)水與螺桿壓風(fēng)機(jī)的壓縮機(jī)油換熱，純凈循環(huán)水被70℃的壓縮機(jī)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(tǒng)的壓風(fēng)機(jī)余熱系統(tǒng)的水質(zhì)差、易結(jié)垢、系統(tǒng)復(fù)雜無法穩(wěn)定運(yùn)行等問題。進(jìn)入水箱的自來水與壓風(fēng)機(jī)的空氣冷卻器進(jìn)行換熱，將自來水預(yù)熱回收進(jìn)入水箱，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的產(chǎn)水率。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)洗浴熱水加熱過程的運(yùn)行費(fèi)用為零。

二、關(guān)鍵參數(shù)

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

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

回收礦井壓風(fēng)機(jī)余熱用于需要熱水加熱，同時(shí)并入一臺制熱量130kW的空氣源熱泵機(jī)組作為壓風(fēng)機(jī)不運(yùn)行時(shí)的輔助熱源。

三、主要創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用情況

1. 主要技術(shù)創(chuàng)新

滕東煤礦井下熱害嚴(yán)重，夏季礦井回風(fēng)不宜作為空調(diào)機(jī)組的冷源，回風(fēng)換熱系統(tǒng)需要具有夏季及春秋季節(jié)自動切換功能，以減少礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行阻力。滕東煤礦主井兼作回風(fēng)井，礦井回風(fēng)內(nèi)的粉塵量較大，換熱系統(tǒng)具備一定的防粉塵污垢的能力。通風(fēng)機(jī)出口離副井的距離約130m，采用世界首創(chuàng)的“風(fēng)-風(fēng)直接換熱加熱系統(tǒng)”技術(shù)，無參考的案例，設(shè)計(jì)制造難度大。

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

由于水質(zhì)較差，用于洗浴熱水加熱的加熱器具有較強(qiáng)的防結(jié)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(fā)使用自動恒溫系統(tǒng)。

綜上所述，結(jié)合滕東煤礦的具體特點(diǎn)，該套礦井余熱超高效回收利用系統(tǒng)主要創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾方面：

一是設(shè)計(jì)研發(fā)了全新一代的無阻力模塊式風(fēng)-水熱交換器；二是設(shè)計(jì)研發(fā)了洗浴熱水加熱用的盤管式自除垢水箱加熱器；三是設(shè)計(jì)研發(fā)了浴池水溫恒定加熱器；四是設(shè)計(jì)研發(fā)了礦井回風(fēng)進(jìn)入換熱系統(tǒng)的切換風(fēng)閥；五是設(shè)計(jì)研發(fā)了礦井回風(fēng)粉塵過濾系統(tǒng)；六是設(shè)計(jì)研發(fā)了風(fēng)-風(fēng)直接換熱系統(tǒng)。

2. 實(shí)際應(yīng)用效果

風(fēng)-風(fēng)換熱系統(tǒng)每40kW電能可以產(chǎn)生2100kW熱量（冷風(fēng)加熱過程無能耗，僅新風(fēng)輸送風(fēng)機(jī)耗電40kW），能效比為50，熱泵機(jī)組單臺290kW電能可以產(chǎn)生1440kW熱量，能效比為4.96?？諌簷C(jī)余熱系統(tǒng)消耗11kW電能，生產(chǎn)375kW的熱量，能效比為34。礦井余熱利用系統(tǒng)綜合能效比達(dá)到29.7，即消耗1kW的電能可以得到29.7kW的熱能，目前常規(guī)系統(tǒng)的能效比為4，實(shí)現(xiàn)了礦井余熱的超高效回收利用。系統(tǒng)年減少用煤量6144噸，減少排放CO215974.4噸、SO252.2噸。與原燃煤系統(tǒng)比較，直接增加效益302.75萬元/年。

滕東煤礦采用礦井回風(fēng)余熱、壓風(fēng)機(jī)余熱等廢熱資源，成功實(shí)現(xiàn)了取消燃煤鍋爐目的。該系統(tǒng)滿足冬季供暖面積約41411m2，系統(tǒng)供水溫度45℃～50℃，回水溫度40℃～45℃。室內(nèi)溫度不低于24℃。副井筒進(jìn)風(fēng)溫度≥2℃。夏季供冷面積約29014m2，系統(tǒng)冷水進(jìn)水溫度7℃～12℃，回水溫度12℃～18℃，室內(nèi)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℃。