矿井排水低温余热回收利用技术研究及应用

文_朱晓宁 范守俊 安云龙

1 兖州煤业股份有限公司 2 烟台三金节能科技有限公司

为应对全球气候变化和保障国家能源安全，我国持续优化产业结构和能源消费结构，积极倡导清洁能源开发利用技术的研究与推广，全面构建清洁低碳安全高效的能源体系，2021 年10 月，国务院印发《2030 年前碳达峰行动方案的通知要求工业领域加快绿色低碳转型和高质量发展，推动低品位余热供暖发展。

兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿位于山东济宁，核定生产能力660 万t/a，是山东省大型现代化矿井，矿井排水量5000m3/d，排水温度平均在20℃左右，工厂区有冬季采暖、夏季供冷和职工洗浴需求，传统主要依靠锅炉和制冷机等多套系统实现，存在耗能高运行效率低、多套系统管理复杂、运行维护成本高等弊端。为降低供热运行能耗，充分利用矿井自身排水余热资源，开展矿井排水低温余热回收利用相关技术研究，提升余热利用效率和工艺设计水平，最大程度实现余热资源梯级利用。

1 矿井排水低温余热回收利用技术研究

兴隆庄煤矿低温余热资源丰富，针对低温余热回收利用的相关技术开展研究，通过对现有可利用热资源、制冷取暖系统、洗浴用水系统的详细分析与对比，研究创新，改造了多套取暖制冷系统，实现资源节约与高效利用的全新能源利用方式。

1.1 矿井排水低温余热回收水源热泵技术

水源热泵技术是将水为载体的低温低位热能资源，采用热泵原理通过少量的电能输入，实现低位热能向高位热能转移，具有节能、环保和经济三大优势，是解决本研究供暖、制冷及洗浴用水多项需求的最优选择。以实际工况为基础的高效能工况热泵机组设计和优化，是水源热泵系统研究的重要内容，可实现热泵机组的高效、低能耗运行。

夏季制冷时，将吸收建筑物房间的热量排放到卫生热水或矿井水中，达到建筑物房间供冷的目的。同时用制冷时提取的热量制取洗浴卫生热水。冬季供暖时，提取温度为20℃的矿井排水中的热量，为选定的部分公用建筑供暖，剩余热量制取洗浴卫生热水。非供冷供暖季，提取矿井排水中的热量制取洗浴卫生热水。

通常冷水型热泵机组在制冷时通过冷却塔散热，热泵的冷却水标况为进出口水温32 ～37℃。兴隆庄煤矿矿井排水低温余热回收利用技术的热泵机组在制冷时有两种工况：①采用矿井水作为冷却水（夏季矿井水20 ～26℃）；②利用热泵机组空调散热时的热量制取卫生洗浴用水。卫生洗浴用水的温度要求40 ～45℃高于空调散热水的工况温度，因此在设计热泵机组在制冷的同时制取卫生洗浴用水功能时，要对热泵的技术参数进行重新设计，需将进行技术参数调校，即调校后热泵机组的冷凝器进出口温度40 ～45℃、流量113.8m3/h，压缩机最大输入功率136kW。设计的热泵机组在空调供回冷冻水7 ～12℃时，能够同时制取40 ～45℃洗浴用水，这时机组散热的冷却水温度突破32 ～37℃的标准工况。

1.2 采用矿井排水作为制冷散热载体的无塔散热技术

传统的空调制冷散热方式需要设空调冷却塔，在冷却塔里把空调的散热温度用淋水进行汽水交换的方式散发，夏季环境温度越高，冷却塔散热效果越差。对无塔散热技术和工艺方法进行研究和设计，采用环境温度的矿井排水作为制冷散热冷却载体，新技术不需要冷却塔，没有漂水浪费。根据冷却水回水温度从32℃降到26℃，每降低1℃空调热泵主机可节电3%的经验估算，采用温度20 ～26℃的煤矿矿井排水冷却，系统能效提高15%左右。

1.3 适用于矿井排水恶劣工况下的新型换热技术

换热器机组是水源热泵系统的防火墙，兴隆庄煤矿矿井排水水质成分复杂，杂质含量较高，对换热设备具有一定的腐蚀性；排水中固体颗粒杂质及煤粉含量较高，极容易对换热设备造成堵塞，利用煤矿矿井水的热量必须解决排污水对设备腐蚀和堵塞问题。从矿井排水源头的水处理解决问题，将旋流排污技术、全自动清洗过滤技术融合在一个水过滤装置，解决系统内水垢附着、设备腐蚀、微生物滋生和粘泥危害的问题。同时，适度增加换热器板的间距，可以通过更大更长的固体颗粒物与丝状物，减少因堵塞而产生的拆机维修停工成本，提高了矿井排水通过率又保证了整体换热效果。从而保证系统中换热装置的有效工作，减少矿井排水处理运行和投资成本。

1.4 具有热回收新风换气功能的末端空气处理技术

研究制冷系统运行增加新风功能，独立地进行室内空气置换、净化、流动，在排除室内的污染空气的同时，输入自然新鲜空气，并将输入室内的新风经过过滤等多项处理后再送入室内。通过对新风换气功能的热回收技术的研究，达到夏季制冷效果，热回收率可达70%左右。

1.5 矿井排水低温余热回收热冷双供一体化技术

通过不断地调整优化热泵机组的技术参数，分析运行效能，研发热冷双供一体化技术，通过矿井排水的低温余热实现热泵机组冷热双供和单供冷、单制热的功能，提供煤矿夏季空调制冷和制热；冬季供暖和非供暖季制取卫生洗浴用水。

2 矿井排水余热回收利用方案的实施

2.1 排水余热分析

2.1.1 矿井水余热情况

根据兴隆庄煤矿现场采集的矿井水数据显示，矿井排水量5000m3/d，24h 间歇排水，平均水温约20℃，原水池容积2000m2，清水池容积800m3。清水池中的水经处理后作为系统冷热源。

2.1.2 冷热负荷情况

排水余热系统冷热负荷是热泵系统方案制定和设计的重要依据，不同应用场景的冷热负荷需求量也有所不同。兴隆庄煤矿主要用热制冷负荷计算如下：

（1）矿区余热可提取的热量

煤矿矿井排水量为5000m3/d 按照每小时平均排水208.33m3，提取温度12 ℃计算，可提取热量为：1.163×208.33×（20-8）=2907.45kW。

（2）建筑空调供冷负荷等计算

选定的部分公用建筑10000m2夏季供冷，供冷期3 个月，冷负荷为100W/m2，空调供冷负荷为1000kW。

（3）建筑供暖负荷等计算

选定的部分公用建筑6000m2冬季供暖，采暖期及前后1 个月，暖负荷为100W/m2，供暖负荷为600kW。

④洗浴热水的热量计算

夏季制冷状态下，冷负荷为1000kW。夏季供冷时，热泵机组COP为3.897，排放热量为1000×(1+1/3.896)=1256.6kW，将热量排至卫生热水水箱中，热泵机组排水温度45℃，进水温度40℃（当温度高于45℃时排入矿井水散热）。可提供35m3/h卫生热水（将水从15℃加热至45℃）。制热状态下，2 台水源热泵机组制热量为639.5×2=1279kW，可提供36.6m3/h卫生热水（将水从15℃加热至45℃）。每天可满足约500m3卫生热水需求。

2.2 排水余热系统设计与运行策略

研究设计适应兴隆庄煤矿供冷-供暖同时制热的双供一体化技术参数，依据估算的冷负荷，考虑到实际使用情况，合理设计水源热泵机组参数以及功能转换控制参数，设计2台水源热泵机组运行。采用水源热泵系统合理利用水源资源进行能量交换，可制冷、供暖一机多用，一套系统便可取代原来的锅炉加空调装置，特别对同时有供热和制冷要求的建筑物，水（地）源热泵有着明显的优势，不仅节省了大量能源，而且减少了设备的初投资。

排水余热系统的运行工况分为季节性调节和制冷制热功能调节。其中，季节性调节主要为冬夏两季转换调节，水源热泵机组功能调节主要为制取洗浴用水、冬季供热、夏季制冷等功能调节与工况转换，实现自动控制。夏季热泵系统启动顺序为电动水阀、水源侧循环水泵、空调循环水泵、水源热泵机组，夏季停机顺序相反。冬季热泵系统启动顺序为空调循环水泵、水源侧循环水泵、水源热泵机组，冬季停机顺序相反。系统设置冬夏季转换阀，在换季时进行切换。

系统可以根据空调侧回水温度进行运行控制。制冷控制：空调侧回水温度高于14℃（或者设定温度值）时启动第二台热泵机组共同运行；当空调侧回水温度低于12℃（或者设定温度值）时，关闭一台热泵机组。制热控制：卫生热水水温度低于44℃，启动第二台热泵机组共同运行；卫生热水温度高于46℃时，关闭一台热泵机组。

3 矿井排水低温余热利用运行效果

对专用水源热泵系统、供冷末端系统、特种板式换热机组模块、管网系统、有新风功能的末端空气处理系统等子系统进行现场安装，自2021 年7月开始试运行。热泵机组最大单机荷载65%，未出现双机共同运行的情况；供暖制冷两种方式转换衔接使用，延长供暖期，增加大面积空调制冷；加宽后的换热器换热效率约95%，未出现堵塞现象，旋流排污、全自动清洗系统均正常运行；末端温度室内稳定在25 ～27℃之间。煤矿矿井排水低温余热回收利用系统运行系统整体运行稳定可靠，效果良好，达到设计要求的各项指标。

4 经济效益和社会效益分析

4.1 经济效益

兴隆庄煤矿“煤矿矿井排水余热回收利用技术研究与应用”是国内较为先进的工业矿山余热利用技术。通过新技术实现冷热联供的双供一体化，做到机组夏季制冷同时免费制取卫生洗浴用水（需要时）；夏季单制冷（不需要热水）时将散热量排放到煤矿矿井水中，省却冷却塔的投资和运行费用，没有漂水浪费；冬季供暖时提取煤矿矿井排水低温余热，是典型的清洁能源供暖（冷）方式。

4.2 社会效益

排水余热综合利用工程投入运行后，全时间运行按照70%效率计算，共提供5304MW/h 热量（如表1 所示），相当于节约标准煤651.5t，减少有害气体及颗粒的排放。减少二氧化碳排放1706.9t，环保效益显著，为实现碳达峰、碳中和目标作出积极贡献。

表1 热（冷）源供应量

5 结语

煤矿矿井排水余热资源较为丰富，多数矿井排水温度20℃左右，根据国标《水源热泵机组》：水源热泵制热和制冷工况下水源侧的适宜温度均为10 ～25℃，矿井排水低温余热资源是非常理想的水源热泵系统冷热源。本研究通过深入研究煤矿矿井排水低温余热回收利用相关技术，设计了余热利用综合系统，实现冷热联供的双供模式，满足兴隆庄煤矿夏季空调制冷、冬季供暖及全年卫生热水需求，达到清洁供暖制冷的要求。取得了良好的运行效果，具有良好的推广应用价值。研究应用成果对落实大气污染防治行动计划，推进节能降碳产业创新发展，加快传统产业绿色转型升级，确保完成“双碳”目标具有重要的推动和示范作用。