九里山矿低品位热能智能化综合利用分析

摘要：九里山矿低品位热能智能化处理与综合利用项目，以充分利用矿井水余热和南风井瓦斯发电烟气余热为核心目标，通过低品位热能梯级利用技术和田字式溢流储热装置，实现了3种工业废弃能源的组合增热，有效提高了热源效率，降低了运行成本。该项目不仅满足了主要建筑的全年供暖和制冷需求，为职工创造了舒适的生活环境，还预计每年可节约300万元以上的费用，并大幅减少环境污染，展现出良好的经济效益和环境效益，积极响应了国家节能减排政策，为矿区可持续发展做出了积极贡献。

关键词：九里山矿；低品位热能；节能减排

中图分类号：TK115 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）09-0-04

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Analysis of Intelligent Comprehensive Utilization of Low-Grade Thermal Energy in Jiuli Mountain Mine

LIANG Nan

（Jiuli Mountain Mine， Henan Jiaozuo Coal Energy Co.， Ltd.， Jiaozuo 454000， China）

Abstract： The Jiuli Mountain mine low-grade thermal energy intelligent processing and comprehensive utilization project aims to fully utilize the waste heat from mine water and the flue gas of gas-fired power generation at the Nanfeng Well as its core objectives. By employing the low-grade thermal energy cascade utilization technology and a field-shaped overflow heat storage device， the project has achieved combined heating from three types of industrial waste energy， effectively improving the efficiency of heat sources and reducing operating costs. The project not only meets the annual heating and cooling needs of the main buildings， creating a comfortable living environment for the staff， but it is also expected to save over 3 million yuan in costs annually. Additionally， it significantly reduces environmental pollution， demonstrating good economic and environmental benefits. The project actively responds to the national energy-saving and emission-reduction policies and makes a positive contribution to the sustainable development of the mining area.

Keywords： Jiuli mountain mine; low-grade thermal energy; energy saving and emission reduction

河南焦煤能源有限公司九里山矿（简称九里山矿）位于焦作市马村区，作为主力生产矿井，主要从事煤炭开采。为充分发挥九里山矿井水资源及南风井瓦斯发电站烟气余热的利用价值，贯彻落实国家蓝天行动计划，降低燃气锅炉运营成本，引进先进的工业热泵技术，对矿井水进行热量提取和换热。九里山矿设计了多源热能转换增热技术，并应用于矿井水余热利用和瓦斯发电烟气余热回收系统，实现了3种工业废弃能源的集成增热。此举最大化地分配烟气余热，显著提高了九里山矿工业废弃能源智能化综合利用系统的热源效率，降低了热量提取的能耗，充分展现了系统设计的优越性和经济性。

针对九里山矿的特定需求，定制了主机房负载侧供暖输出分集水器及井口专用合金铝绕流子供热风机组（防爆型）。通过精确计算副井进风量和冬季极寒天气下的井口防冻温度要求，确保了风速、风量、分集水器的直径及转化口直径满足全矿建筑供暖需求，同时保障了副井冬季防冻供暖。通过多热源结合，成功实现了包括5栋宿舍楼、区队办公楼、科技楼、南北行政楼、机关办公楼及洗浴中心等在内的约37 000 m2建筑的夏季制冷和冬季采暖需求，确保了九里山矿主要建筑全年室内温度舒适，为职工营造温馨的办公生活环境。

1 低品位热能梯级利用技术

1.1 低品位热能梯级利用技术的优势

转换增热技术的创新应用，为烟气余热的深度利用开辟了新路径。该技术巧妙地将瓦斯发电站的烟气余热优先用于冬季副井供暖，随后转化为洗浴热水，实现了热量的多层次、梯级利用，有效提高了能源的综合利用率，同时减少了能源浪费。水源热泵系统作为一种高效的可再生能源利用技术，能够汲取地球土壤和水体中储存的太阳能资源，为制冷供暖空调系统提供了稳定、可再生的冷热源，实现了能量的高效转换。

在节能降耗方面，水源热泵系统的表现尤为突出。根据美国环保署的测算，水源热泵系统能够帮助用户平均节约高达40%的空调用电费用[1]，在冬季采暖季节，其运行成本仅相当于同工况燃气锅炉的1/7，显著降低了用户的能源开支。此外，该系统运行稳定，环保效益显著。水源热泵机组在运行过程中，无排烟、无废弃物，避免了环境污染和场地占用问题。在不燃烧任何矿物燃料的情况下，实现了零排放，为用户提供了一个清洁、环保的能源解决方案。

转换增热技术与水源热泵系统的结合，不仅体现了技术创新在能源利用领域的巨大潜力，也为我国节能减排、绿色发展提供了有力支持。该技术方案具有高效、节能、环保、稳定等优势，成为工业、商业及居民用能领域的优选方案，为推动我国能源结构优化和生态文明建设做出积极贡献。

1.2 低品位热能梯级利用技术的方案

转换增热装置由矿井水管、增热管、保温管、定位组件及限位组件构成。其中，增热管通过一系列定位组件与矿井水管同轴装配，而保温管则同轴地套接在矿井水管外部。保温管的两端通过限位组件与矿井水管形成滑动连接，确保了多个定位组件均匀分布在矿井水管内侧，并与增热管滑动配合。这3管均采用连续S形弯折设计，矿井水管两端分别设有进口和出口，并在侧壁上开设增热管连接口，以便增热管两端弯折并密封对接。装置中的定位套和固定杆设计用于增热管的定位和热胀冷缩的位移导向。定位套滑动套接在增热管外部，固定杆则以辐射状连接在定位套外侧，其远离定位套的一端固定在矿井水管内壁。

在矿井水管两端外壁上固定有限位盘，通过弹簧与保温管端部连接，以适应热胀冷缩产生的位移，防止保温管受损。接管座上的螺纹连接口与金属软管相接，用于缓解增热管两端的水力冲击，提升装置的安全性和可靠性。

1.3 低品位热能梯级利用技术的工作原理

将煤矿瓦斯余热发电机组的热水出口，通过管道接入装置连接矿区澡堂的供水管道。如此，增热管中换热后的热水可继续供澡堂使用，同时实现增热管内热水与矿井水管中矿井水的逆向流动，达到矿井水转换增热的目的[2]。将矿井水管、增热管和保温管设计为连续S形弯折，有效降低了流体流速，增加了换热流程，提高了换热效率。增热后的矿井水通过出口连接至矿区空调机组的热泵，显著降低热泵能耗，降低了空调机组的运行成本。

该转换增热装置的结构简洁、布置灵活，有效利用了煤矿瓦斯发电机组余热锅炉排放的烟气余热，间接提高矿井水中低品质热能的利用率，充分挖掘了矿井水热能的价值。

2 田字式溢流储热装置

2.1 田字式溢流储热装置的技术背景

将约290 ℃的高温瓦斯烟气导入KSYQ-360型不锈钢扰流子换热设备，与系统软水介质进行首次热交换，软水介质吸收高温烟气的热量后温度升至约80 ℃。通过一次循环泵，将80 ℃的软水介质输送到二次换热板式换热器，与自来水进行二次热交换，将自来水温度加热至约60 ℃，以此作为转换增热的热源[3-5]。热源通过供热水泵送至锅炉房的热源调节中转站。

专为九里山矿瓦斯发电烟气副井供暖梯级利用设计的热源调节中转站，由A1、A2、B1、B2部分构成。60 ℃的热水直接送入A1、A2储热仓，根据远程控制指令，中转供热水泵将储热仓中的热水送至废弃能源管理中心的转换增热装置。该装置将热源的温度提升15 ℃，通过九里山矿负载侧循环系统为副井口供暖。

转换增热系统在热交换后，降温至45 ℃的热水返回田式中转站的B1、B2热分流仓。A1、A2、B1、B2仓内的十字墙通过内溢流方式，向洗浴中心供应45～50 ℃的洗浴用水。这一流程实现了瓦斯发电热烟气热能的全面回收，先用于副井口供暖，再供应洗浴热水，实现了热能的梯级利用，达到了全回收、无浪费的经济效益，具有良好的节能减排效果[6-8]。

2.2 田字式溢流储热装置的技术方案

田字式溢流储热装置是一项精密的温控系统，由二次换热器、三次换热器以及一个精心设计的保温储水箱构成。储水箱的顶部装有保温盖板，内部安装了十字形绝热隔板，巧妙地将储水箱划分为4个互相独立的储水腔，包括2个用于回水的回水腔和2个用于蓄热的蓄热腔。这些蓄热腔与回水腔之间通过精心布置的溢流管相连，并配备了单向阀，确保了介质只能单向流动，从而提高了热能的利用效率。

为获得良好的保温效果，十字形绝热隔板内部采用了真空结构，填充了高效隔热材料。每个储水腔的侧壁上都设有热水进口和热水出口，这些进口和出口的位置设计巧妙，确保了热水和回水的有效利用。热水进口和出口外侧分别连接了热水进管和热水出管，回水进口和出口外侧分别连接了回水进管和回水出管，每个管道上都配备了电动阀，以便于精确控制水流[9-10]。

在热水出管和进管的设计上，两个蓄热腔的热水出管汇集成一根出水母管，并在远离热水出管的一端安装了供热泵，从而有效输送热水。同样，两个蓄热腔的热水进管在远离蓄热腔的一端与一根进水母管相连，而两个回水腔的回水进管则在远离回水腔的一端连接到一根回水母管上，确保了水流的顺畅和高效利用。

通过精确操控各热水进管上的电动阀，可以将来自二次换热器的60～65 ℃热水储存到相应的蓄热腔。根据需求，通过操控各热水出管上的电动阀，可以将蓄热腔内的一次热水通过供热泵输送到三次换热器内。经过热交换后，热水降温到45～50 ℃，并通过回水母管输送到回水腔内，再由给水泵供应到矿区的各个洗浴中心，作为洗浴用水使用。同时，三次换热器内的冷媒被加热后，可用于矿井副井口的供暖。

为了确保供水稳定，两个回水腔之间设有连通管，并配备连通阀，以便在蓄水不足时，可以及时补充水源。此外，每个回水腔的侧壁顶部都设有溢流口，用于连接溢流排放管，当水位过高时，可以通过溢流排放管进行排水。这些溢流水还可以作为二次换热器的冷媒循环使用。二次换热器和三次换热器均采用高效的板式换热器，保证了换热效率。储水腔内安装有液位传感器和温度传感器，用于实时监控水位和温度，便于根据需要调整补水量和出水量。此外，每个储水腔底部都设有排污阀，方便定期排污和检修时的排水，确保了系统长期稳定运行。

2.3 田字式溢流储热装置的工作原理

田字式溢流储热装置采用软化水作为一次换热设备（不锈钢扰流子换热器）的冷媒，与煤矿瓦斯发电机组中高温烟道内的烟气进行热交换，将温度升至约80 ℃。随后，这些热水作为二次换热器的二次热源，进一步将通入的自来水转换增热至60～65 ℃，然后储存于蓄热腔。降温后的软化水在闭式循环系统中返回一次换热设备，与高温烟气再次发生热交换，高效吸收烟气余热。

蓄热腔中的热水作为三次换热器的三次热源，对通入的循环水进行转换增热，使其温度提升约15 ℃。这些被加热的循环水用于为矿井副井口供暖。三次热源在三次换热器中被冷却至45～50 ℃后，送入回水腔中储存备用。通过给水泵，回水腔中的回水被输送到矿区的洗浴中心，与自来水勾兑后用作职工洗浴水。

当二次换热器中转换增热后的自来水量较大，蓄热腔内水位超过十字形绝热隔板的顶端溢流管时，蓄热腔内的热水会通过相应的单向阀流入对应的回水腔，提高回水腔的水温并增加水量，实现热能的充分利用。回水腔中的水温升高时，洗浴时可多勾兑冷水，不影响正常使用。田字式溢流储热装置的结构简单，操作便捷，能够更高效、更可靠地利用煤矿瓦斯发电机组排放的高温烟气中的残留余热[11-12]。

3 经济效益分析

九里山矿在2018—2020年冬季供暖期采取了限气措施，并实施了分时段供气[4]。这一措施显著影响了燃气费用的支出。2018年，总燃气费用为280万元，平均每年287.6万元。2019年和2020年的燃气费用分别为287万元和269万元，呈现逐年下降的趋势。

此外，九里山矿采用了智能调节综合供热系统，该系统的总功率为600 kW，耗电量为748 800 kW·h。

智能调节综合供热系统的总功率为600 kW，总耗电量为748 800 kW·h，总费用为41.18万元。所以，该系统的实际耗电成本为41.18万元，远低于传统燃气锅炉供暖的成本。通过转换增热技术，九里山矿在供暖季将多余的1100 kW热负荷以热水的形式转换给水源热泵供暖系统，降低了水源热泵主机的工作频率和耗功率，获得较好的节电效果。两台水源热泵主机的供暖季节电效益为22.25万元。由此可见，九里山矿的智能调节综合供热系统不仅降低了供暖和制冷的能耗成本，还减少了用工成本和维护费用，具有显著的经济效益。九里山矿通过合理利用南风井瓦斯发电余热，有效提升了能源利用率，为可持续发展做出积极贡献。

4 结论

九里山矿低品位热能智能化处理与综合利用项目设计了多种热源系统转换增热技术，并与空压站余热回收控制系统对接，实现了3种工业废弃能源的组合增热功能。此外，项目配备了为九里山矿量身定制的主机房负载侧供暖输出分集水器和井口专用合金铝绕流子供热风机组（防爆型），这些设备可随时为副井供暖，确保井口温度达到安全标准。该项目满足了主要建筑的全年供暖和制冷需求，为职工创造了舒适的生活环境。项目中所部署的所有系统与设备运行稳定，且高效节能，积极响应国家蓝天工程的启动实施，充分利用了九里山矿井水优势资源和南风井瓦斯发电站的排放烟气余热，同时大幅降低了燃气锅炉的运行成本。

项目通过采用创新的技术方案和设备，实现了矿井排水、瓦斯发电烟气余热和空压站余热的高效利用，显著降低了能源消耗和运行成本，为职工创造了舒适的工作和生活环境。未来，该项目可进一步优化系统设计，提高能源利用效率，并在其他矿区推广，为煤矿行业节能减排和可持续发展做出更大贡献。

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