基于清洁能源技术的矿井供暖改造方案优化研究

闫晓东

(霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司， 山西 吕梁 033100)

国务院印发的《大气污染防治行动计划》中指出，全面治理小型燃煤锅炉，在集中供热管网不易覆盖的地区可以使用天然气等清洁能源和制热性能系数较高的热泵机组[1], 并制定了一系列政策措施，大力推进结构调整，发展循环经济，积极实施节能技术进步，极大地推动了清洁能源工程的发展，如“煤改电”、“煤改气”等[2-3]. 山西作为煤炭大省，至2020年底，全省煤矿900余处[4]，而绝大多数矿井地面生产、生活以及矿井井下冬季的供暖系统采用燃煤锅炉，不仅消耗大量燃煤，而且产生烟尘、CO2和SO2等污染物，造成环境污染和温室效应，且与现行环境保护政策不相符。因此，采用清洁能源技术对矿井供暖系统进行改造就显得十分重要。

1 矿井供暖系统现状

1.1 矿井概况

店坪煤矿位于山西省吕梁方山地区，核定产能2.6 Mt/a，矿井资源储量2 800万t，剩余可采年限约10年。对矿井历年的冬季气温统计见表1，冬季平均温度在-8 ℃～-10 ℃.

1.2 原供暖方式及供暖负荷

矿井原供暖系统采用2台SZL10-1.25-AII型蒸汽锅炉供暖，主要供暖区域和建筑物：澡堂洗浴、家属区、宿舍楼、食堂、污水站、机修车间、供应楼、旧办公楼、家属楼、主井口、副井口等。

表1 矿区历年冬季气温统计表

矿井地面供暖面积33 373 m2， 负荷85 W/m2，参照室内供暖系统非节能建筑计算得, 冬季热负荷约2 837 kW； 工业区供暖面积总计8 000 m2， 负荷70 W/m2,参照室内供暖系统非节能建筑计算得，冬季热负荷约560 kW；合计该矿供暖总的热负荷3 397 kW. 矿井有4个洗浴水池，每个水池30 m3洗浴热水，淋浴水箱20 m3；井口防冻总风量167 m3/s，在主、副井井口安装工业暖风机组，使环境温度保持到最低标准2～4 ℃后输送到井筒内。经计算，矿井所需热负荷见表2.

表2 工业广场冷热负荷汇总表

1.3 原供暖系统存在的主要问题

1) 污染物排放量大。经测算，原燃煤锅炉供暖系统，每年产生二氧化硫12 t、氮氧化物22 t、烟尘3 t.

2) 原煤及电量消耗费用较大。平均每年消耗原煤7 000 t，费用490万元；用电量平均每年155.5万kWh，费用87.08万元。

3) 维保及各类配件消耗费用居高不下。每年供暖系统维修保养费用635万元，配件、材料、药剂消耗费用413.25万元。

2 矿井可利用的清洁能源技术

2.1 矿井回风热量计算及应用原理

1) 回风热源量计算。

矿井采用立井回风，回风温度基本不受室外气温影响，根据公式Q=(h1-h2)·ρ·V[5]，其中，h1为回风温度，取12 ℃，相对湿度为95%时的焓，32.98 kJ/kg，h2为出风温度，取5 ℃，相对湿度为100%时的焓，18.59 kJ/kg；ρ为回风平均空气密度，1.281 kg/ m3；V为回风量，取180 m3/s. 计算得，矿井立井回风热量4 198 kW.

2) 矿井回风热源利用原理[6].

在矿井回风源热泵系统中，矿井回风热交换器实现将矿井回风中所蕴含的大量热能通过喷淋换热方式转移到循环水里面，循环水作为热泵系统的低温热源。制热工况时，热泵系统提取循环水中的热量，循环水温度有所降低；经过热泵系统后的循环水再重新送入矿井回风热交换器进行热交换，循环往复。系统原理图见图1.

图1 矿井回风源热泵系统原理图

2.2 污水源热泵技术

1) 污水站中水热量计算。

店坪矿污水处理厂处理水量3 000 m3/d，根据公式W=ρ·Qr·Δts，W为回收热功率,kW；ρ为污水的密度,取1 g/cm3；Qr为每小时污水流量；Δts为计算温差，℃. 每天按照18 h计算热负荷(设备每天满负荷运行18 h), 冬季处理后的中水温度按照12 ℃计算(污水水温越高，能效比相对越高)，热量提取后的温度为5 ℃. 利用污水源热泵技术可以把店坪矿所排污水的热量回收利用，预计可回收热功率经计算为1 300 kW.

2) 污水源热泵机组基本原理。

污水源热泵机组是一种使用从污水中抽取的水为热源，制取生活用热水的设备。它包括压缩机、使用侧换热器、热源侧换热器、膨胀阀等部件，具有制冷和制热功能[7]. 污水源热泵的运行原理见图2.

2.3 变频电磁采暖炉技术

该技术利用电磁感应加热原理，将电能转换为热量，在控制器内由整流电路将50 Hz的交流电压变成直流电压，然后再经过控制电路将直流电压转换为22 kHz的高频交流电压。高频交流电压流过缠绕在非金属材料管外的高频导线，高速变化的磁场内部产生的磁力线切割非金属材料管内部的金属容器时产生无数小涡流，使水迅速加热为热水，达到快速加热水的效果。变频电磁采暖炉的工作原理见图3.

图2 污水源热泵的运行原理图

图3 变频电磁采暖炉的工作原理图

2.4 工业空气加热技术

工业空气加热机组是根据矿井为防止进风井井筒冬季结冰，必须向井下供应暖风的需要，研制的一种高效率、高智能的空气加热设备,用于矿山井口空气加热。工业空气加热机组由鼓风机、加热器、控制电路3大部分组成，主要工作原理：通电后，鼓风机把空气吹送到加热器里，令空气从螺旋状的电热丝内、外侧均匀通过，电热丝通电后产生的热量与通过的冷空气进行热交换，从而使出风口风温升高。进风口环境温度K型热电偶及时将探测到的环境温度反馈到温控仪，仪表根据设定温度监测工作实际温度，并将有关信息传递回固态继电器控制加热器是否工作。同时，自动调节电热风机功率，由此实现工作温度、功率的调控。

3 矿井供暖系统改造整体方案设计

根据矿井需热场所建筑类型、位置以及供暖环境需求等因素，进行供暖系统设计。

1) 澡堂洗浴热水供应。

将矿井乏风作为热源，利用乏风热泵第2、3、4号3台HE-B600型热泵机组，为矿井提供洗浴热水。

2) 矿井供暖。

根据矿井生产、生活供暖要求的不同，将矿井的生活和生产供暖分离，生活供暖采用污水源热泵和双源空气能机组，配合电锅炉；工业供暖采用压风机余热回收机组和电暖风机配合。

3) 生活供暖。

生活区供暖利用污水源热泵和DX03-50P型双源空气能热泵机组(双源指双热源，即空气和矿井的回风)。

4) 办公区的供暖。

在高山污水站建立的污水源热泵机房，选用YLSRMJA-450型污水源热泵机组2台，负责矿井办公区域的供暖工作。设备供电电压380 V，单台功率169 kW，制热量为452.5 kW，制热能效5.23 cop,压力损失≤60 kPa. 配置的污水源热泵高温机组两台制热量共905 kW，满足供暖需求。

5) 生活区域的供暖。

在矿井主扇回风筒上方加设回风热源吸收装置，使设备能够实现冬季使用矿井回风，夏季使用外界温度较高的空气，并且能够自动进行热源切换。配合5台200 kW变频智能电磁锅炉负责生活区供暖；新建100 m3的水箱，全面负责生活区供暖，分别利用双源空气能热泵机组(设定温度55 ℃)和电锅炉(设定温度65 ℃)，将水温加热接近至65 ℃，最终达到良好的供暖效果。

6) 工业供暖。

选用MAM860型压风机余热回收机组配合一台200 kW电锅炉进行供暖，设备利用吸收压风机油温，通过热量转换器直接将工业区供暖回水管路接入进水设备进行加热。此外，在各部原煤皮带的落煤点等较为容易结冰处，安装电暖风机组，保证冬季原煤系统的防冻。

7) 主井防冻方案。

选用1台500 kW工业空气加热机组和600 kW直热式空气源热泵机组。

8) 副井防冻方案。

副井防冻采用4台加热机组型号为QRWRK-500，单台功率500 kW，供电电压660 V.

矿井供暖系统整体方案及关键设备选型见表3.

表3 矿井供暖系统整体方案及关键设备选型表

4 应用效果分析

矿井供暖系统改造后，对取暖主要场所的环境温度进行监测，见图4，澡堂温度22～24 ℃，宿舍楼温度21～25 ℃，办公楼温度18～20 ℃，原煤一部温度14～15 ℃，主井口和副井口温度为2～4 ℃. 从冬季一个月的运行情况来看，改造后的供暖系统运行基本平稳，关键场所的温度能够满足生产、生活需求，且场所温度较为稳定。

图4 矿井主要供暖场所温度变化图

5 结 论

基于清洁能源技术，采用理论分析和现场应用的方法，结合店坪矿现场实际因地制宜，对各个建筑燃煤锅炉系统采用不同方案进行供暖改造。

1) 综合分析了矿井可利用的清洁能源技术，包括矿井回风热量、污水源热量、变频电磁采暖和工业空气加热。

2) 采用变频电磁锅炉负责家属区、宿舍楼、食堂、污水站、机修车间、筒仓、皮带走廊冬季取暖；矿井回风热源负责澡堂、生产楼、综合楼洗衣房以及洗浴用热水；采用空气加热机组负责主、副井口取暖。通过供暖系统监测可知，系统运行平稳，关键场所温度能够满足需求，且场所温度较为稳定。

3) 效益分析可知，每年可以减少向大气中排放二氧化硫12 t、氮氧化物22 t、烟尘3 t，带来的环境效益不可估量。