矿井建设综合取热研究

贾永忠

（七元煤业有限责任公司， 晋中 寿阳 045400）

1 七元矿井概况

七元矿井位于位于山西省晋中市寿阳县境内，属寒冷地区，年采暖天数140天，工业场地平均海拔高度约1 100 m。其他气象参数：采暖室外计算温度为-14℃，冬季主导风向为西北，冬季室外平均风速为2.3 m/s，冬季通风室外计算温度为-8℃，夏季通风室外计算温度为26℃，极端最低温度平均值为-21.3℃，最大冻土深度为108 cm。

根据此数据，七元矿处于高寒地带，供热对于矿井的建设和生产尤其重要，所以对供热进行研究尤为必要。但由于矿井建设是有阶段性，初期工程施工人员少，建筑物少，供热量要求也相对较少。后期根据矿井生产需求增加生产设施及生产人员供热，所以供热量也随之增加。为保证节约能源以及能源投资，供热方式采取分时段投用，以满足矿井不同时期供热需求。

2 矿井建设初期供热方式研究

初期由于人员较少，建筑物投用也较少，供热量要求也相对较少。根据实际情况采用地热加小型蒸汽锅炉直接供给方式。地热为主，锅炉为辅。而且“在新能源和可再生能源中，地热资源不受天气、气候等自然条件影响，平均能源利用系数达到73%，远远高于太阳能和风能”。

据了解，高温地热资源（150℃以上）主要用于发电，地热电站可作为基本载荷运行。中温和低温以直接利用为主，多用于采暖、烘干、工业、农林牧副渔业、医疗、旅游及日常生活等方面。地热资源可供提取作为溴、碘、硼砂、钾盐、铵盐等工业原料的热卤水和天然化肥水，还是医疗热矿水和饮用矿泉水资源以及生活供水的水源。

与传统的锅炉供暖相比，利用地热供暖的CO2排放量至少可减少50%，若热泵所需电力来自可再生能源，则CO2减排可达100%。地热能源的开发利用，将对CO2减排及减缓全球气候变化发挥重要作用。

七元公司现有水源井一座，供水量960 m3/天，水温达到了35℃，是理想的热源。原始水温按35℃考虑，取热尾水水温按10℃，则可以从水中汲取的热量为：Q0=960×1 000×4.187×（35-10）/106=100.49 GJ/d。热泵能效比按3.5计算，则热泵系统的名义供热量为Q=100.49×[3.5/（3.5-1）]=140.686 GJ/d＞87.5 GJ/d（生活热水制备日耗热量），完全可以满足矿井建设期间生活供热。

前期利用地热取暖不仅可以满足供热要求，而且极大地节约了能源，减少了CO2排放，减少了环境污染。

3 矿井建设中期矿井供热方式研究

根据此时人员结构和投用建筑物数量，可以利用地热加热泵技术为矿井供热。

1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。

20世纪70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视，诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，热泵的用途也在不断开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源的节约和环境保护方面起着重大的作用。

相对世界热泵的发展过程，中国热泵的研究工作起步约晚20～30年左右。新中国成立后，随着工业建设新高潮的到来，热泵技术才开始引入中国。进入21世纪后，由于中国沿海地区的快速城市化、人均GDP的增长、2008年北京奥运会和2010年上海世博会等因素拉动了中国空调市场的发展，促进了热泵在中国的应用越来越广泛，热泵的发展十分迅速，热泵技术的研究不断创新。

从2001年热泵起步开始，经过5年的培育，中国热泵行业开始从导入期转入成长期。热泵行业快速发展，一方面得益于能源紧张使得热泵节能优势越来越明显，另一方面与多方力量的加入推动行业技术创新有很大关系。

时至今日，热泵已有100多年的发展历史，热泵技术日趋成熟，热泵应用也日益广泛，近年来，热泵在煤炭行业的应用也逐步得到推广。

3.1 热泵的原理

热泵是一种以外部输入能源为动力，通过机修做功，将热能从低温端转移至高温端的装置。蒸气压缩式热泵系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四部分组成，蒸发器为热泵的取热端，而冷凝器则为供热端。

低温低压的制冷剂蒸气进入压缩机后被压缩成高温高压的蒸气进入冷凝器，在冷凝器内被冷却液化成高压低温的液体（对外放热），经膨胀阀膨胀减压后形成低温低压的液体，低温低压的液体在蒸发器内蒸发（对外吸热）成为低温低压的蒸气，如此往复循环实现热泵制热目的。

3.2 热泵的节能分析

常用的热泵多为蒸气压缩式热泵，是以电为动力，通过蒸发器从低温端汲取热能，再通过冷凝器加热热媒（通常为水），实现对外供热。热泵的能效比是衡量热泵性能的重要参数，它指的是热泵制热量与输入电能之比，也称作COP，一般热泵的能效比都在3以上，多数在3.5～4.5之间，为方便起见，以一套COP为4的热泵机组分别与燃煤锅炉和燃气锅炉作比较，对热泵的节能进行分析，如图1所示。

根据国家能源局2014年8月14日发布的数据，2014年前7个月全国供电煤耗率为324 gce/kWh，折合成电厂热效率为37.96%，由此可以推断算出COP为4的热泵的热效率为152%。根据国家标准《工业锅炉能效限定值及能效等级》GB 24500—2009的规定，10 t/h的燃煤锅炉的设计热效率为79%，燃气锅炉的设计热效率为90%。

根据以上各自的热效率可以推算出：制取1单位的热量，热泵需要消耗0.657 9单位的热能，燃煤锅炉需要消耗1.265 8单位的热能，而燃气锅炉则需要消耗1.111 1单位的热能。由此可见，制取同样的热量，锅炉能耗是热泵的近2倍。

根据上述数据，同样可以计算出：与燃煤锅炉相比，热泵节能48%；与燃气锅炉相比，热泵节能40.8%。

图1 能耗对比表

3.3 热泵的使用条件和应用范围

热泵的蒸发温度和冷凝温度是决定热泵能效比（COP）的两个重要参数，过低的蒸发温度和过高的冷凝温度都将使得热泵的COP降低，一般情况下，只有在COP大于3时，热泵的节能特性才能充分显现出来，否则，热泵不但不节能，还可能浪费能源。

热泵的蒸发温度是由取热对象温度决定，比较经济的蒸发温度为2～3℃，考虑到蒸发器的换热端差等因数，一般要求取热对象的温度不低于5℃，尤其是空气源热泵，由于空气中含有水蒸汽，如果热泵的蒸发温度过低，将使得蒸发器表面结霜，这将严重恶化热泵的蒸发器的换热工况，大大降低热泵的能效比（COP），如果不能及时除霜还将影响热泵的正常运行。因此，作为热泵热源的介质，比较适宜的温度为12℃以上，热泵这一特性使得热泵的应用范围受到了一定程度的限制。

热泵的经济冷凝温度一般为40～60℃，这就决定了热泵的供热热媒温度不能过高，一般为40～55℃，热泵的供热热媒温度也影响了其应用范围，一般用在生活热水制备和民用建筑的空调、采暖等需要低温热媒的领域，对于工业厂房采暖、井筒防冻等需要高温热媒的场所，其应用则受到一定的限制。绝大多数矿井在建设和生产过程中都会产生矿井涌水，矿井涌水中含有一定量的悬浮物质，如煤石、泥沙、油性、黏性悬浮物、寄生、附生菌类物质，同时还含有等微量的电化学离子。处理后的矿井水虽然矿化度变化不大，但是其中的悬浮物已基本去除，不会堵塞热泵的蒸发器，加之矿井水在蒸发器中是个降温过程，且降温幅度不大（一般为5～10℃），矿井水的电化学离子不会析出，所以也不存在结垢问题，另外，矿井水的水温一般都在15℃左右，非常适宜用作热泵的热源。

在矿井生活污水中，洗浴废水占有较大的比例，这使得生活污水处理后形成的中水温度较高，一般都在20℃左右，中水的悬浮物和矿化物对热泵蒸发器没有太多影响。因此，这部分水也适宜用作热泵的热源。

3.4 热泵在矿井中的应用范围

热泵系统经济供热热媒的出水温度为40～55℃，供回水温差一般为5～10℃。国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736—2012规定：地板辐射采暖（俗称“地暖”）的供水温度为35℃～45℃，供回水温差为5～10℃；空调系统供热热媒的供水温度为50～60℃，供回水温差为10～15℃；散热器采暖的民用建筑供暖热媒供回水温度宜为75℃/50℃；由此可见，热泵用在地暖和空调系统的供暖中是适宜的，用在散热器供暖及井筒防冻等需要高温热媒的场合是不恰当的。为了能更明确地说明这一问题，用下面的实例来计算比较：热泵供热热媒为55℃/45℃（供水温度55℃，回水温度45℃，供回水温差10℃）热水，高温热水供热热媒为110℃/70℃（供水温度110℃，回水温度70℃，供回水温差40℃）热水；在供热量相同的情况下，采用热泵供暖与采用高温热水供暖相比，散热器数量需增加114%，供热系统的输热能耗需增加884%，这显然是不合理的。

生活热水在矿井建设和生产过程中必不可少，生活热水供水水温一般在40℃左右，且多数是间歇性供水，因此，利用热泵来制取生活热水是适宜的。

4 矿井投产后的供热方式研究

矿井在投产后，生产用热源将大大增加，原有的供热系统将不再满足矿井采暖需求。这是利用矿井抽采出的瓦斯作为取热的主要方式，热泵作为辅助的取热方式，这样才能满足矿井采暖要求。

工业场地热负荷统计，外网损失系数，在矿井工业场地建锅炉房一座。锅炉房内设3台WNS20-1.25-Q（Y）型全自动燃气蒸汽锅炉，单台蒸发量20 t/h，小时最大燃气量4 000 m3/h·台（瓦斯浓度45%～55%）；2台 WNS10-1.25-Q（Y）型全自动燃气蒸汽锅炉，单台蒸发量10 t/h，小时最大燃气量2 000 m3/（h·台）（瓦斯浓度45%～55%）。冬季全部运行，夏季运行1台10 t/h蒸汽锅炉。锅炉燃烧器、烟囱、给水泵均由锅炉厂配套供应，与锅炉一一对应。气源由矿井瓦斯泵站提供。燃烧器选用燃油燃气两用喷嘴，前期可燃油，后期气源供应稳定后改为燃气。

5 矿井生产后期供热研究

七元矿井生产规模逐渐形成，该矿井属于高瓦斯矿井，对瓦斯的利用是七元矿井节能环保设计的关键。

利用矿井乏风取热技术在国外已经有了成功案例，2005年2月，国内山东理工大学对矿井乏风瓦斯热逆流氧化技术进行了研究。在氧化蓄热陶瓷床蓄热特性、加热启动方法、热量提取方法、温度分布控制等方面进行了探索研究，并取得一些原创性成果。

2006年4月自自主研发了处理能力200 m3/h的小型卧式矿井乏风瓦斯热氧化试验装置，稳定运行最低瓦斯浓度为0.2%，可以产生热水和蒸汽，并通过了一个月的可靠性试验。

2006年底山东理工大学又研发了处理能力每小时10 000 m3的小型卧式矿井乏风瓦斯热氧化装置，可以产生饱和蒸汽。

2007年胜动集团将该装置安装在阜新煤矿进行了现场试验。

随着技术的逐渐发展，产生了新的取热方式，七元矿井在考察和研究的基础上，应考虑投入应用新的取热方式，以实现矿井的可持续发展。