矿井余热超高效回收利用系统的建立与应用

文/徐发涛 朱晓彦

燃煤锅炉属于压力容器，且使用过程中能源浪费严重，运行费用高，环保排放不达标，严重污染环境。根据项目所在地的环保政策，山东能源枣矿集团滕东煤矿使用的燃煤锅炉已于2017年停止使用。

为了解决滕东煤矿的地面建筑供暖、空调，井筒防冻及洗浴热水加热的需求，根据滕东煤矿的具体特点，滕东煤矿与相关科研单位研究矿井余热（包括矿井回风余热、压风机余热）的超高效回收利用技术，替代原燃煤锅炉供暖。所研究建立的矿井余热超高效回收利用系统无压力容器，安全性高，节能效果明显，运行费用低，实现了预期目的。

一、技术原理

1. 矿井回风余热间接利用技术

矿井回风低温余热间接利用“矿井回风源热泵系统技术”，使用喷淋技术换热，从矿井回风中提取热量到系统的换热循环水中，冬季利用制冷空调机的反方向工作的原理（制热），从18℃左右的矿井回风中吸收热量，制得45℃左右的热水用于采暖供热。夏季利用制冷空调机组的正向工作原理（制冷），向18℃左右的矿井回风中排放热量，制取7℃左右的冷冻水用于空调制冷降温。该系统每消耗1KW的电能同时可以从矿井回风中提取3～4KW的低品位的热能，总共生产出4～5KW的供暖能力。

风-风换热器

2. 矿井回风余热直接利用技术

根据煤矿企业冬季供热负荷的特点，井筒防冻热负荷一般约占总热负荷的50%左右。采用“矿井回风源热泵技术”间接利用矿井回风低品位的余热，必须损耗一部分高品位的电能，且需要大量投资机电设备及土建工程，后期运行维护工作量也相对较大。因此，研究矿井回风低温余热直接使用技术用于煤矿企业井筒防结冰，有重大的节能意义。

矿井回风直接利用原理为：采用研发的“风-风换热器”，利用18℃左右的矿井回风直接加热-10℃的新鲜冷空气，将冷空气加热至13℃左右，由专用的输送风道送入进风井井口房。被新风吸收热量后矿井回风温度降为5℃左右排放。该系统在热能置换环节无需消耗额外的能量，实现井筒防冻系统在冷风加热过程的运行费用为零。

3. 压风机余热自除垢回收技术

利用闭式纯净循环水与螺杆压风机的压缩机油换热，纯净循环水被70℃的压缩机油加热至60℃左右，送入安装于热水箱下部的闭式自清洗弹簧式换热器中，加热水箱的自来水至45℃以上用于洗浴，彻底解决传统的压风机余热系统的水质差、易结垢、系统复杂无法稳定运行等问题。进入水箱的自来水与压风机的空气冷却器进行换热，将自来水预热回收进入水箱，进一步提高系统的产水率。该系统实现洗浴热水加热过程的运行费用为零。

二、关键参数

滕东煤矿矿井排风量为7000m3/min，冬季排风温度18℃左右，相对湿度85%。夏季排风温度28℃左右，相对湿度90%。安装有空压机6台，单台空压机的功率为250kW，流量为41.8m3/min。为井下供气的空压机为4台，2用2备。为选煤厂供气的空压机2台，运行时间为12:00-23:00。

采用“风-水换热技术”为热泵机组提供热源，提取矿井回风中的热能制取45℃的低温热水，用于矿井4.1万m2的地面行政福利建筑采暖。采用“风-风直接换热技术”直接提取矿井回风中的热能，将7000m3/min的入井空气加热至13℃以上，并与进风井口部分未加热的空气混合进入副井，用于井筒防冻。

回收矿井压风机余热用于需要热水加热，同时并入一台制热量130kW的空气源热泵机组作为压风机不运行时的辅助热源。

三、主要创新点及应用情况

1. 主要技术创新

滕东煤矿井下热害严重，夏季矿井回风不宜作为空调机组的冷源，回风换热系统需要具有夏季及春秋季节自动切换功能，以减少矿井通风机的运行阻力。滕东煤矿主井兼作回风井，矿井回风内的粉尘量较大，换热系统具备一定的防粉尘污垢的能力。通风机出口离副井的距离约130m，采用世界首创的“风-风直接换热加热系统”技术，无参考的案例，设计制造难度大。

滕东煤矿通风机出口场地小，无法安装常规的风水喷淋热交换器，故研发使用了全新一代的无阻力模块式矿井回风“风-水换热热交换器”。

由于水质较差，用于洗浴热水加热的加热器具有较强的防结垢功能。洗浴热水加热后放入水池，不同于锅炉蒸汽加热，研发使用自动恒温系统。

综上所述，结合滕东煤矿的具体特点，该套矿井余热超高效回收利用系统主要创新点有以下几方面：

一是设计研发了全新一代的无阻力模块式风-水热交换器；二是设计研发了洗浴热水加热用的盘管式自除垢水箱加热器；三是设计研发了浴池水温恒定加热器；四是设计研发了矿井回风进入换热系统的切换风阀；五是设计研发了矿井回风粉尘过滤系统；六是设计研发了风-风直接换热系统。

2. 实际应用效果

风-风换热系统每40kW电能可以产生2100kW热量（冷风加热过程无能耗，仅新风输送风机耗电40kW），能效比为50，热泵机组单台290kW电能可以产生1440kW热量，能效比为4.96。空压机余热系统消耗11kW电能，生产375kW的热量，能效比为34。矿井余热利用系统综合能效比达到29.7，即消耗1kW的电能可以得到29.7kW的热能，目前常规系统的能效比为4，实现了矿井余热的超高效回收利用。系统年减少用煤量6144吨，减少排放CO215974.4吨、SO252.2吨。与原燃煤系统比较，直接增加效益302.75万元/年。

滕东煤矿采用矿井回风余热、压风机余热等废热资源，成功实现了取消燃煤锅炉目的。该系统满足冬季供暖面积约41411m2，系统供水温度45℃～50℃，回水温度40℃～45℃。室内温度不低于24℃。副井筒进风温度≥2℃。夏季供冷面积约29014m2，系统冷水进水温度7℃～12℃，回水温度12℃～18℃，室内温度不高于26℃。洗浴热水满足600人次/天，浴池水温不小于45℃，淋浴水温不小于42℃。