矿井余热循环利用技术实践

缑江华 布晓乐

摘 要：我国传统意义能源一般以煤、电为主题，存在能耗大的问题。尤其煤炭属于一次性能源，具有不可再生的特性，使用过程中的碳排放，也对自然环境造成一定的影响。冀中能源邯矿集团亨健矿业有限公司通过能源改革，利用风水源热泵技术，将企业涌水、废水、回风热能转换为再生能源，用于工业、生活制冷和供暖，吃干榨尽“二次能源”，每年可节支近800万元，二氧化碳、二氧化硫、烟尘的排放量年均可分别减少10696吨、34吨、25.6吨，实现“零”污染、“零”排放，具有取材广、能效高、经济有效、绿色环保等优势。

关键词：能源；循环利用；空气源热泵技术；逆卡诺循环原理；环境效益

引 言

我国是目前世界上第二大能源生产国和消费国。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。目前，国内能源主题依靠煤炭资源，据统计，2010年煤炭在一次能源消费总量所占比例为70.9%[1]。国务院《能源发展“十二五规划》明确提出，要推动能源生产和利用方式变革，调整优化能源结构，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系[2]，节支、降耗、可持续发展，将成为能源企业乃至国民经济发展的一项重要组成部分。风、水源热泵技术的推广最大限度的节约了能源，保护了环境，具有很好的发展前景。

1.概况：

亨健公司为改善职工生活条件和相关部门办公环境，改善工业广场面貌，新建职工宿舍楼2栋，职工食堂1个，联合建筑体1座，建筑群总面积12000㎡。为了建设绿色矿山，倡导低碳生活，提高节能减排量，亨健公司通过采用风水源热泵技术，改变了传统方式上夏天制冷安空调、冬天取暖烧锅炉的模式。冷热资源均来自矿井内，使得小功率输入可获得大功率的输出，解决了12000平米建筑物中央空调制冷供暖、职工全年洗浴热水和冬季井口防冻问题。

2.主要技术路线：

2.1.矿井余热资源特性分析：

特性1：矿井回风资源最稳定，冬季温度稳定在17℃，四季不停，可考虑优先利用。

特性2：矿井涌水资源蕴含的余热资源的量很大，但有时不连续。

综合论证，矿井余热回风资源稳定，在经济可靠的前提下，最大限度提取利用该资源，采取空气源热泵的方式，提取的热量应用于新建建筑的供热问题，部分用于洗浴热水，提高设备的利用率。在回风资源用尽的条件下，使用矿井涌水、洗浴废水资源，采取水源热泵的方式，提取的热量用于新建建筑群的采暖及井口保温，夏季该系统可用矿井涌水资源，供空调使用能效比更佳。

热泵系统工作原理与负荷分配示意图如上。

2.2.资源热量的提取与分配：

矿井回风热量被提取后，优先要保证洗浴热水，其次用于新建筑的热负荷。

矿井涌水热量提取分别采用矿井涌水热回收专用热泵机组的常温机组与中温机组。常温矿井涌水热回收专用热泵机组的热量用于一期建筑采暖及井口保温。中温矿井涌水热回收专用热泵机组的热量用于二期招待所、新会议室与新建办公楼等中央空调建筑，散热器采暖建筑。

2.3.矿井回风热回收专用热泵机组应用特点分析：

2.3.1.矿井回风热回收专用热泵机组的阻力损失的问题：

矿井回风的风量为24万m?/h，风口的平均风速为3.4m/s；经计算，该风速时空气源热泵的蒸发器的阻力损失小于60Pa。

2.3.2.矿井回风中含有煤粉（尘）、煤粒的问题：

采取两道除尘、一道清洗工艺及扩大换热器翅片间距，在风道的合适位置设置三个波的波纹板（根据煤粉颗粒的大小确定目数），为第一道除尘，去除粒径较大的煤粒；蒸发器本身带有的除尘网为第二道除尘，去除较小的煤粉尘。由于矿井回风的相对湿度较大，提取余热量的过程相当于降温除湿工艺，因此过程中将凝结大量的水，对蒸发器的表面具有冲洗自洁的功能，同时可用高压水枪定期清尘。加大换热器翅片间距，使煤粉不能再翅片间停留，从而减少了矿井排回中的煤粉（尘）、煤粒对换热过程的影响。

2.3.3.安装矿井回风热回收专用热泵机组的蒸发器及波纹挡尘板对回风风压的影响：

众所周知，加蒸发器与挡尘板后的阻力损失大小与回风的风速有关，一般与风速的2次方成正比关系。在本例的风速条件下，阻力损失为60Pa左右，风机可提供的铭牌风压为3234Pa，产生的阻力损失占风机可提供风压的1.8%。并且蒸发器的翅片管与挡尘板无方向性，即风机正转与反转时产生的阻力相同，仅与风速有关，与方向无关。

2.4.系统设计技术路线综述：

系统设计技术路线应围绕资源的特性进行，力争做到因地制宜，充分听取技术人员的建议与要求，使本技术在实施时，不对生产、安全等工作造成不必要的影响。

3.技术特点

热泵机组是目前世界上最先进、能效比最高的热水设备之一，它根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过传热工质把自然界的空气、水、土壤或其它低温热源中无法被利用的低品热能有效吸收，并将吸收回来的热能提升至可用的高品位热能并释放到水中的设备。在不同的工况下热泵热水机组每消耗1kW电能就从低温热源中吸收2-6kW的免费热量，节能效果非常显著。

空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气源热泵系统通过自然能（空气蓄热）获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取（供）暖或供应热水，整个系统集热效率甚高。

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。

4. 主要效益指标

4.1.经济效益：

设备月消耗电能6万度电。电费为0.68*60000≈4.1万元。如采用传统锅炉供热，用空调制冷，每台按1.2KW计算，整个新建筑群大约要200台，每台空调每天开机10小时计算。锅炉供热大约需要20吨煤，每天开机12小时，功率为20KW，费用为：

（1.2*200*10*0.68+20*1050+12*20*0.68）*30≈68万元

每月节约68-4.1=63.9万元

4.2.社会效益：

4.2.1.属可再生能源利用技术

风水源热泵是利用了地球表面或浅层水源和矿井回风作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。矿井回风温度冬季17℃，相对湿度95%，夏季最高回风温度20℃，相对湿度95%，矿井回风温度基本不受室外气温影响并且全年都比较恒定。矿井涌水量目前按160m?/h计，水温四季恒定约18℃左右。基本上可看做是可再生能源。而水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，不会引起区域性的地下以及地表水污染。实际上，水源水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对于原有水源的污染。可以说水源热泵是一种清洁能源方式。

4.2.2.属经济有效的节能技术

地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，一般为10～25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得水源热泵的制冷、制热系数可达3.5～5.5。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用。

另外，地球表面或浅层水源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

4.2.3.环境效益显著

热泵机组的污染物排放，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。

5.结语

煤矿企业用涌水、回风热能利用技术代替传统的燃煤锅炉加中央空调系统供热制冷，将会给企业带来巨大的经济效益；同时推广矿井余热资源利用技术完全符合贯彻科学发展观和构建和谐社会的需要，对建设现代化新兴矿山具有重要意义，具有非常重大的社会效益。此外，矿区取消了锅炉房，没有了烟筒，彻底根除了污染源，矿井回风热能提取装置兼有净化回风流粉尘，降低通风机噪音等功能，矿井风水源热泵技术的大力推广，必将为煤矿企业和国家带来巨大的环境效益。

参考文献：

[1] 胡亮.可量化指标指导“十二五”规划. [N]中国经济时报.2010-11-05. A01.政经

[2] 国务院办公厅.能源发展“十二五规划[Z] 2013-1-1.