不同矿区余废热资源特征与匹配方案研究

2019-10-31杜晓丽魏京胜岳丰田李从浪

安徽理工大学学报（自然科学版） 2019年4期

杜晓丽,魏京胜,岳丰田,李从浪

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2. 中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116)

我国需要供热的煤矿大多分布在供热、供气市政管网不能覆盖的偏远地区，为了满足矿井工业广场地面建筑采暖、井筒防冻和职工洗浴加热等供热要求，需要建立独立的供热热源。以往传统做法是利用燃煤或者燃气锅炉提供热源，特别是采用燃煤锅炉供热时不仅需要消耗大量煤炭资源，而且也存在污染重、能耗高、效率低等缺点[1-3]，与当前我国所倡导的绿色生态矿山建设与可持续开采的发展理念相悖。因此，研究如何提取回收矿区余废热资源热量替代燃煤锅炉满足矿井供热需求成为破解矿区低耗、清洁供热难题的重要途径之一。

矿井在建设和生产过程中为了确保生产安全和工作人员的身心健康，必须采取矿井通风、排水以及压缩空气输送等重要辅助工作，伴随这些辅助工作的同时也排出大量低品位热能。随着矿井开采深度增加，在地温升高、热害加剧的同时[4-5]，必然也导致矿井回风和排水所携带的余热资源量增大[6-7]；加之地面空压机冷却热[8]以及洗浴水排水等废热也使得矿井余热资源种类更加丰富。但由于这些余废热资源均属于低品位余热资源、温度高低差异较大，并且多数携带余热资源的介质杂质含量较高、硬度大、矿化度高、甚至具有腐蚀性，所以多数需要经过提取工艺提取与提升温度后才能用于供热。针对矿井大量低品位余热资源及清洁供热需求并存的现状，研究利用热泵、热管及换热等技术提取余热资源热量满足矿区供热[9-11]，不但有效解决了取缔燃煤锅炉后的供暖问题，而且符合我国节能、减排与环境保护的政策要求及发展趋势。

目前，我国部分煤矿开展了矿井余废热资源利用研究，主要涉及余废热资源量计算、系统设计和工程应用[12-14]。然而，我国地域辽阔、地形复杂、地质构造形式多样，不同区域的矿井余热资源差异显著，难以采用固定模式的余废热回收系统。因此，深入了解寒冷及夏热冬冷不同采暖矿区的余废热资源状况、掌握煤矿余废热资源赋存规律、制定经济合理的煤矿余废热资源综合利用方案，对煤矿余废热资源利用和工程实施具有重要的理论意义。

1 不同矿区煤矿余废热资源

本文主要以辽宁、宁夏、河北、安徽等不同纬度、寒冷地区的6个煤矿余热资源调研资料为基础，不同煤矿的地理气候特征及余废热资源状况如下。

(1)沈阳灯塔矿区。沈阳灯塔矿区位于沈阳南、灯塔市西北12km，地理纬度在41°27′～41°32′之间，属于严寒地区ID区，最冷月平均气温-11.5℃、极端最低温度-33.0℃[15]。当前采深达到950～1 100m，煤层温度达到44.0℃以上。矿井总排风量约为249.0m3/s、回风井井口冬季实测排风温度为22.0℃左右、相对湿度100%。矿井排水平均排水量94m3/h、低谷电价排水流量280m3/h、水温20.0℃。压风机房7台(4用3备)、3台水冷输入功率250kW空压机、冷却水进出水温度25.0/31.0℃、流量100m3/h、4台风冷输入功率300kW空压机。洗浴水用水分三班总用水量200.0t/d。

(2)银川河东矿区。银川河东矿区位于银川市东约30km处，地理纬度为38°27′～38°30′，属于寒冷地区IIB区北部，最冷月平均气温-6.0℃、极端最低温度-33.0℃。采掘深度约为1 232m。矿井总回风量294.0m3/s、冬季回风温度为17.2℃、相对湿度100%。矿井排水量约为7 200m3/d、排水水温31.1～33.2℃。压缩机房的压风机冷却进风干球温度13.2℃，排风温度为32.0～52.0℃、排风量约为402m3/min。当前洗浴水用水分三班总用水量70.0t/d。

(3)宁夏积家井矿区。积家井矿区银川南偏东110km处，地理纬度37°38′～37°39′，属于寒冷地区IIB区中部，最冷月平均气温-7.5 ℃、极端最低温度-28.5℃。采掘深度约为840m。回风斜井总回风量66.7m3/s，冬季回风温度16.0℃、相对湿度100%。矿井排水7 200m3/d、排水温度为17.0℃。压缩机房的压风机冷却进风干球温度13.2℃、排风温度为30.0～53.0℃，两台空气压缩机的输入功率分别为600kW。洗浴水用水分三班总用水量90.0t/d。

(4)宁夏固原王洼矿区。王洼矿区位于宁夏固原市彭阳县，地理纬度为36°07′～ 36°11′，属于寒冷地区IIB区南部，最冷月平均气温-7.6℃、极端最低温度-30.9℃。采掘深度约为300～400m。矿井总回风量68.3m3/s，冬季回风温度约在21.0℃、相对湿度100%。矿井排水6 280m3/d、排水温度约为20℃。压缩机房内有4台风冷式空气压缩机压机，其中1台输入电功率300kW、1台输入功率280kW，2台输入功率160kW，日常1大1小共2台运行。压风机冷却进风干球温度13.2℃，排风温度为29.0～53℃，排风量约为130m3/min。洗浴水用水分三班总用水量98.28m3/d。

(5)河北峰峰矿区。河北峰峰矿区梧桐庄矿位于邯郸市磁县境内，北纬36°17′～36°21′，属于寒冷地区IIA区中南部，最冷月平均气温-0.6℃、极端最低温度-17.3℃。当前采掘深度约为1 010m。矿井总回风量约为231.0m3/s、冬季回风温度在20.5℃左右、相对湿度100%。矿井排水量约为300～450m3/h、约83.3%为自野青灰岩和奥陶系灰岩矿井涌水。地面疏干降压奥灰水温度为42.0～43.0℃、平均流量约为256.3m3/h。水冷式空气压缩机房最大运行电功率鱼尾1 280kW，冷却水进水温度约为25.0℃、出水温度在45.0℃以上。洗浴热水分三班使用总用水量为240t/d。

(6)安徽涡阳北矿区。涡阳北矿区位于涡阳县境内，矿井地理纬度33°31′～33°35′，属于夏热冬冷地区IIIB北部，最冷月平均气温1.3℃、极端最低温度-17.2℃。采面埋深约为1 000m。矿井回风量稳定在265.4m3/s左右，最冷月主扇扩散口处实测总回风温度为21.0～22.0℃、相对湿度85%～97%。实际排水量约为12 480m3/d，冬季实测排水温度约为22.0～26.0℃。压缩机房安装6台风冷螺杆式空气压缩机，其中3台常开，输入功率250kW/台；冬季室外实测空气干球温度7.2℃、湿球温度4.2℃时，冷却排风温度为35.0～38.0℃，排风量约为339m3/min。

2 不同矿区可利用余废热资源分析

虽然上述煤矿所在的气候区域及纬度、通风方式、地质情况等均有所不同，但是多数矿井主要拥有矿井回风、矿井排水、压风机冷却热以及洗浴排水等几种余热资源，也有的煤矿还有疏水降压泄压水、煤矿坑口电站余热等余热资源。

根据煤矿可利用余废热资源来源及特征，可将其分成井下余热和井上废热两类。井下余热主要为矿井回风(含井下空压机散热)、矿井排水(含井下疏水降压泄水)：其中矿井回风具有风量稳定、风温波动较小、余热量较大的特点。而矿井排水流量与矿井水文地质密切相关，水质一般较差，多数矿井排水的浊度大、矿化度高、腐蚀性强，给余热利用带来难度。但是矿井排水温度一般大于18.0℃、个别深井或者地温异常矿井排水温度高达30.0℃以上，具有较高的利用价值。井上废热主要为洗浴排水废热、空气压缩机压缩空气冷却热、坑口电站余热：其中洗浴排水是每个煤矿均有的废热资源，排水流量具有显著的断续周期性，且水质极差，但排水温度约在34.0～36.0℃、相对较高，洗浴废水余热利用时需要设置蓄水及水质处理装置等辅助设备，在其他余热资源不足的情况下可作为供热的有效补充热源；压缩空气冷却热品质较高，排热量相对较稳定，可直接回收利用，但其总余热量相对较小，一般可直接用于洗浴水加热；如果煤矿有坑口燃煤电站，电站余热资源丰富、热量相对较充足，其冷却水部分余热可回收利用，并且可实现热电冷联产等方式在发电的同时满足矿井供热及井下降温等功能。

如果矿井余热资源供热能力不能满足热负荷需要时，需要考虑余热资源不足的热量补充问题。一种措施就是进一步深度提取矿井余热资源热量，如一般矿井排风提取余热后排风温度约在8～10℃，为了提取更多热量采用深焓提取措施，可将矿井回风温度降低至0℃、甚至0℃以下，由此可以多提取50%以上余热资源量。除此之外太阳能、低温空气能(低环境温度风源热泵)、土壤源热泵以及深部高温开采冬季降温余热供热等也可以作为煤矿供热的有效清洁补充热源[16-21]。其中太阳能在西北地区相对较充足，但是存在昼夜周期性及投资较大等问题；另外地源热泵系统虽然系统稳定供热可靠，但也存在投资大、运行费用较高等问题；相对而言，低环温空气源热泵供热系统简单、当前能实现最低空气温度-35.0℃的制热、运行稳定，虽然该系统会随着大气环境空气温度降低系统能效也相应降低，但当煤矿余热源不足时，低环境温度空气源热泵是一种有效的补充热源。

3 余废热资源可提取热量影响因素分析

根据余热资源量计算分析方法计算不同矿井余热资源量及供热能力，根据调研数据供热负荷估算如表1所示。

表1 不同矿区余热资源量和供热能力

由表1中所示，严寒地区的沈阳灯塔矿区矿井采深950～1 100m、矿井回风与排水余热量约为13 495.87kW，寒冷地区北部银川河东红四矿区采深超过1 232m、矿井回风与排水余热总量约为14 897.9kW，寒冷地区中东部梧桐庄矿采深约为1 010m、矿井回风排水余热总量约为14 231.1kW，夏热冬冷地区北部安徽涡阳北矿采深约为1 000m、矿井回风与排水余热总量约为13 873.3kW，可见矿井较深时，矿井回风余热资源量与地温有密切关系，受地面大气环境影响变小。如梧桐庄矿回风井排风冬夏季温度在20.0～26.0℃之间变化。由于采深不同，矿井的通风方式也不同、通风量差别也较大，即使是寒冷地区的同一纬度的煤矿，如王洼矿区采面深度300～400m、风量也较小，而相对于产能比较接近的梧桐庄矿属于浅层开采，矿井排风较容易受地面大气环境影响，在井口加热后矿井回风温度为21.0℃，但风量小、余热资源总量较小，相应的矿井进风加热负荷也相应较小。另外，随着矿井所在地理位置纬度降低、冬季低温季节大气温度升高，井口防冻加热量也明显降低，如此一来矿井回风的余热资源量相对也较富裕，多余的余热量可为其他用热场所供热。如采深比较接近的沈阳灯塔矿区与安徽涡阳北矿，前者总余热供热能力为18 605.8kW、而热负荷为51 379.87kW、余热供热能力无法完全满足供热需求，而涡阳北矿余热供热能力大于供热负荷8 907.5kW。

综上所述，不同矿井由于开采深度、水文地质条件、地温以及通风方式也不同，则余热资源量及品位也差别较大，而且由于矿区地面采暖建筑面积不同、以及纬度不同大气环境温度也不同，则供热负荷也不同。上述矿井中，显然深井的余热资源量相对较丰富、低纬度矿区供热负荷相对较小，浅层开采的寒冷高纬度地区矿井明显余热资源不足，而深层开采的寒冷低纬度或者夏热冬冷地区的矿井余热量较富裕。因此，不同煤矿利用余热满足场区供热时应进行详细调研分析，继而根据调研结论合理设计余热利用方案及补热措施。

4 余废热可提取热量与供热负荷

如表1中所示，不同矿井的余热资源量分布以及供热负荷均不相同，显然，不同矿井余热利用方案也不应相同。余热利用系统在满足供热的同时系统应该简单、便于调节控制、运行能耗较低、余热资源之间相互备用性好，以确保供热系统的稳定可靠安全高效运行，矿井余热资源与供热负荷匹配方案分析如下。

(1)单项余废热资源可提取热量大于矿井供热总负荷供热方案分析：如安徽涡阳北矿区的矿井排风量可提取热资源为12 275.5kW、供热负荷为10 693kW，该矿可采用“矿井回风、空气压缩机冷却余热回收热泵系统”供热方案。采用矿井回风源余热回收热泵系统满足矿井供热需要，系统简单、稳定性好，可降低设备和土建初投资。由前文可知矿井回风温度一般较低，在系统设计时余热提取介质的温度较低，为了避免换热温差降低余热供热能力，一般回风换热水直接进热泵机组、或者采用防冻液深焓取热，如果回风换热水直接进热泵机组，则热泵机组蒸发器换热管不宜采用普通铜管，而应采用耐磨、耐腐蚀换热管。由于洗浴水供热要求温度高于供热温度，如果采用回风源热泵机组满足洗浴供热，则会提高热泵机组的冷凝温度、也增加了运行功耗，特别是在非采暖季，矿井回风源用于供热负荷较小的洗浴水供热需要开启矿井回风源提热系统，运行费用高、能效极低。因此，为了提高系统整体的能效，建议采用带有蓄热水箱的空气压缩机冷却热直接为洗浴供热。

(2)单项余废热资源可提取热量大于某一项热负荷，且余废热资源可提取总热量大于供热总负荷化时，如宁夏河东矿区，矿井回风和矿井排水提供热量分别为10 154.43kW、9 000.00kW，总热量为200 049.29kW，总供热负荷为15 291.40kW，可采用“矿井排水、排风水源热泵与压风机房余热利用”方案。该方案中矿井水源热泵供热能力能满足建筑及厂房采暖、矿井排风源主要满足井口防冻加热、压风机房余热满足洗浴供热，如果矿井生产后期井下排水量增加，则矿井排水水源热泵系统可以同时满足建筑供热、井口加热和冬季的洗浴供热，在系统设计时不同热泵机组之间的余热资源相互备用，以确保供热安全。

(3)单项余废热可提取热量小于供热总负荷，余废热资源可提取总热量稍大于供热总负荷化时，如宁夏积家井矿区，矿井排风供热5 593.75kW大于建筑供暖负荷3 763.76kW，矿井回风2 492.26kW大于井口房东1 373.04kW，风压机房517.38kW大于336.7kW。可采用“矿井回风源与矿井排水源及压风机房余热热泵耦合供热系统满足井口防冻加热、建筑采暖以及洗浴加热”，该多源热泵系统余热资源相互备用、运行稳定可靠，矿井回风源与矿井排水源热泵机相互备用、蒸发器具有耐腐蚀和耐磨功能，虽然热泵机组投资较高，但能实现矿井回风源和矿井排水源余热资源相互备用，确保了供热系统稳定可靠。

(4)单项余废热可提取热量小于供热总负荷，余废热资源提供总热量远大于供热总负荷化时，如梧桐庄矿区，该矿最大供热负荷约为16MW大于上述各种热源供热能力，但总热量富裕。因此，在综合考虑各种热源的特性前提下，提出了多热源联合提供热量的方案：采用矿井排水、奥灰水向热泵系统提供热量，满足广场的总供热需要。考虑到矿井排水系统的停运维护和检修时，确保井口防冻供热不能间断的要求，增加矿井回风源换热系统为热泵机组提供热量，实现了矿井排水、奥灰水与矿井排风源相互备用，以提高水源热泵系统的供热能力、运行稳定性和可靠性。

(5)各种矿井余废资源可提取总热量小于矿区供热总负荷时，如王洼矿区，余废热资源提供的总量为6 480.3kW远小于矿区总供热热负荷10 526.2kW。在余废热资源利用时，可采用矿井回风余热深焓取热供热系统，深焓取热自排风温度10℃降至-7.0℃后，矿井回风供热能力为5 578.83kW，比普通回风余热利用系统提高了100%，实现井口加热量1 775.1kW的需求同时还能满足建筑供暖；利用水源热泵提取矿井排水余热满足建筑供热部分热负荷，而约1 231.57kW供热量的缺口可采用低环境温度空气源热泵系统作为补充热源。

5 多种余热资源耦合利用工艺原理

下文以积家井矿区为例，分析多种余热资源耦合利用工艺原理。具有矿井回风、矿井排水、空气压缩机冷却热以及洗浴排水废热等四种热源，其中矿井回风、排水余热量较大、并且运行比较稳定，但是矿井排水水质较差，换热系统运行受到水质影响较大。而空气压缩机冷却热散热稳定、品位较高，采用风冷热水热泵机组提取余热系统运行稳定可靠，但热量相对较小，但可以与洗浴热水加热系统匹配。洗浴排水温度较高、品位较好，但是水质较差，应用中容易堵塞，影响运行稳定性和可靠性，综合上述几种余热源耦合利用系统工艺流程如图1所示。