蘇 偉

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

近年來，國(guó)家陸續(xù)發(fā)布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等政策性文件，指出了改善環(huán)境空氣質(zhì)量和防治大氣污染的發(fā)展戰(zhàn)略，提出了淘汰每小時(shí)10蒸噸及以下燃煤鍋爐的要求，明確了發(fā)展清潔供熱的方向。為此，從加強(qiáng)環(huán)保、提效減能等方面考慮，必須對(duì)煤礦即將淘汰的燃煤鍋爐熱源進(jìn)行合理的替換或改造[1，2]。

口孜東煤礦礦井回風(fēng)冷熱一體化利用系統(tǒng)是為取代現(xiàn)有4臺(tái)10t/h燃煤蒸汽鍋爐而建設(shè)，該系統(tǒng)為中煤集團(tuán)新集公司首個(gè)大型礦井回風(fēng)余熱利用工程，具有綠色清潔節(jié)能、污染物零排放等優(yōu)勢(shì)。該工程結(jié)合口孜東煤礦內(nèi)、外部清潔能源現(xiàn)有條件，對(duì)冷、熱源及供冷、供熱方式進(jìn)行改造，采取了以礦井回風(fēng)換熱為熱源的熱泵系統(tǒng)，電鍋爐作為高峰負(fù)荷時(shí)的輔助熱源，改造后總供熱能力為14MW，供冷能力為6MW。

1 工程現(xiàn)狀

中煤新集能源股份有限公司口孜東煤礦位于安徽省阜陽市潁東區(qū)，口孜東礦南距縣城約20km，西至阜陽市40km，礦井建設(shè)規(guī)模為5.00Mt/a，配套建設(shè)相同規(guī)模的選煤廠。該礦井原有供熱熱源為場(chǎng)地自建4×10t/h規(guī)模燃煤蒸汽鍋爐房，由于不滿足環(huán)保政策被停用。場(chǎng)地主要熱用戶為井口防凍、洗浴用熱和地面建筑中央空調(diào)供暖；中央空調(diào)原有冷源為采用燃煤鍋爐房提供蒸汽驅(qū)動(dòng)的5.3MW溴化鋰制冷機(jī)房，由于無蒸汽供應(yīng)而停用。原有冷熱媒均通過室外架空管道輸送，冷熱媒情況見表1。室外空氣計(jì)算參數(shù)見表2[3]。

表1 場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)有用戶冷、熱媒參數(shù)

表2 室外空氣計(jì)算參數(shù)

1.1 地面建筑供暖、供冷負(fù)荷的確定

根據(jù)該礦冷熱源實(shí)際使用情況統(tǒng)計(jì)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研冷、熱負(fù)荷情況，同時(shí)考慮建筑使用功能和末端供冷、供暖系統(tǒng)狀況，經(jīng)計(jì)算得出供暖熱負(fù)荷需求為4669kW，供冷冷負(fù)荷需求為5800kW。冷熱負(fù)荷計(jì)算見表3。

表3 供暖、供冷負(fù)荷

1.2 洗浴用熱負(fù)荷的確定

根據(jù)該礦熱水實(shí)際使用情況統(tǒng)計(jì)，每天洗浴用水總量約為1300m3，其中900m3為浴室燈房平分三班使用、400m3為公寓24h全天使用。按照上述熱水使用制度，浴室燈房每班使用300m3，每班熱水可加熱時(shí)間為6h，即每小時(shí)需加熱50m3；公寓為即時(shí)平均用熱，每小時(shí)需加熱17m3。按照用水溫度45℃與給水全年平均水溫12℃計(jì)算，加熱溫差為33℃，即浴室洗浴用熱負(fù)荷為1919kW、公寓洗浴用熱為652kW。

1.3 井筒防凍熱負(fù)荷的確定

為防止冬季井筒及提升設(shè)備結(jié)冰，保證礦井安全生產(chǎn)，對(duì)井筒進(jìn)風(fēng)采取加熱措施。根據(jù)《煤炭工業(yè)供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，按照將井筒335m3/s總進(jìn)風(fēng)量由室外極端氣溫平均值-9.8℃加熱至2℃的要求，計(jì)算出井筒防凍熱負(fù)荷為5639kW。

由于規(guī)范規(guī)定要求的室外計(jì)算參數(shù)較低，為了提高熱源選型經(jīng)濟(jì)性，分析計(jì)算不同室外計(jì)算溫度對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷，并按照氣象數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)的歷年持續(xù)時(shí)間計(jì)算耗熱量。則井筒防凍熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表4[4]。

表4 井筒防凍熱負(fù)荷

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 余熱資源

按照目前國(guó)家相關(guān)政策要求，改造后的冷熱源必須使用清潔能源。目前礦井能利用的清潔冷熱源方式主要有：天然氣鍋爐、蓄熱電鍋爐、太陽能供熱、井下降溫冷凝熱回收、洗浴廢水熱回收、礦井瓦斯余熱利用、礦井回風(fēng)余熱利用、礦井排水余熱利用等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研，口孜東礦在燃?xì)夤?yīng)、電力供應(yīng)、場(chǎng)地條件、瓦斯穩(wěn)定性、井下降溫冷凝熱、礦井排水量等方面的內(nèi)外部資源條件均存在不足，無法采用，具備實(shí)施條件的為礦井回風(fēng)余熱冷熱源一體化利用系統(tǒng)。

口孜東礦開采面深，井型大，通風(fēng)線路長(zhǎng)，為高溫?zé)岷ΦV井。出于安全生產(chǎn)的要求，礦井正常生產(chǎn)過程中，礦井要不斷的向地面連續(xù)排出大量穩(wěn)定的礦井回風(fēng)。在冬(夏)季，礦井回風(fēng)與地面大氣存在溫差，回風(fēng)中蘊(yùn)藏的大量低溫余熱(冷)能直接排放導(dǎo)致大量的低溫余熱(冷)資源浪費(fèi)。為此，利用熱泵技術(shù)，提取礦井回風(fēng)流中的能量，作為礦井的冷熱源具備切實(shí)的可行性。

為保證回風(fēng)余熱資源計(jì)算準(zhǔn)確，在2017年采暖季的最冷天對(duì)該礦回風(fēng)井風(fēng)溫參數(shù)進(jìn)行了12h檢測(cè)，數(shù)據(jù)如圖1所示。根據(jù)圖1可知，即使在當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)最冷天，礦井回風(fēng)溫度也穩(wěn)定在18℃以上，可以此為基準(zhǔn)計(jì)算最不利供熱工況下的回風(fēng)余熱量，夏季回風(fēng)溫度參數(shù)較為穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)試穩(wěn)定在28℃左右，詳細(xì)余熱余冷計(jì)算參數(shù)見表5。

圖1 最不利日12h回風(fēng)溫度參數(shù)監(jiān)測(cè)圖

表5 最不利回風(fēng)余熱量計(jì)算表

2.2 回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)原理

礦井回風(fēng)熱能的利用關(guān)鍵是回風(fēng)熱能的提取，根據(jù)該礦回風(fēng)的取熱焓差計(jì)算結(jié)果，采用噴淋式換熱熱泵技術(shù)進(jìn)行余熱利用[5，6]。該技術(shù)通過礦井回風(fēng)熱交換器在改造后的回風(fēng)換熱塔內(nèi)造就一個(gè)水霧空間，實(shí)現(xiàn)將礦井回風(fēng)中蘊(yùn)含冷熱能通過噴淋換熱方式遷移到熱泵機(jī)組的循環(huán)水里面，循環(huán)水作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源。冬季制熱工況時(shí)，熱泵系統(tǒng)提取循環(huán)水中的熱量，循環(huán)水溫度降低，降溫后的低溫冷水在回風(fēng)換熱器中噴淋吸收回風(fēng)中的熱能，吸收熱能后水溫升高返回機(jī)組為熱泵機(jī)組提供熱源；夏季制冷工況時(shí)，熱泵系統(tǒng)向循環(huán)水釋放熱量，循環(huán)水溫度提高，升溫后的高溫冷卻水在回風(fēng)換熱器中向回風(fēng)釋放熱能，釋放熱能后的水霧降溫后返回機(jī)組為熱泵系統(tǒng)提供冷源；整個(gè)系統(tǒng)如此循環(huán)往復(fù)。

2.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

回風(fēng)余熱利用工藝由能量收集系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)、熱源水及熱(冷)水管道系統(tǒng)、井口加熱系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及土建配套系統(tǒng)等組成。供熱系統(tǒng)主要工藝流程為：被熱泵機(jī)組提取熱量后的5℃左右的冷水，進(jìn)入能量收集系統(tǒng)中的噴淋換熱器，與回風(fēng)進(jìn)行熱交換，水溫上升至17℃左右，落入能量收集系統(tǒng)中的積水槽后自流進(jìn)入集水池，再利用循環(huán)水泵輸送至機(jī)房，經(jīng)水處理后進(jìn)入熱泵系統(tǒng)提取熱量，提取過熱量后的水再重新進(jìn)入能量收集系統(tǒng)循環(huán)使用，當(dāng)遇到極寒天氣時(shí)，啟動(dòng)輔熱系統(tǒng)進(jìn)行熱補(bǔ)充。制冷系統(tǒng)主要工藝流程為：被熱泵機(jī)組釋放熱量后的37℃左右的冷卻水，進(jìn)入能量收集系統(tǒng)中的噴淋換熱器，與回風(fēng)進(jìn)行充分的循環(huán)熱交換，溫度降低為32℃左右，進(jìn)入能量收集系統(tǒng)中的積水槽，自流進(jìn)入集水池，再利用循環(huán)水泵輸送至機(jī)房，經(jīng)水處理后進(jìn)入熱泵系統(tǒng)吸收熱量，吸收熱量后的水再重新進(jìn)入能量收集系統(tǒng)循環(huán)使用，系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)有冷卻塔作為備用冷卻散熱設(shè)施。系統(tǒng)內(nèi)的主要工藝原理如圖2所示，主要工藝流程如圖3所示。

圖2 主要工藝原理圖

圖3 主要工藝流程圖

1)建設(shè)規(guī)模。根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果，考慮到管網(wǎng)損失系數(shù)1.1，則回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)需要承擔(dān)的熱負(fù)荷為14.1MW，冷負(fù)荷為5.98MW。根據(jù)回風(fēng)余熱量11.3MW和熱泵系統(tǒng)供熱COP為4，計(jì)算得知，回風(fēng)系統(tǒng)的可供熱量為15MW，可以完全滿足熱負(fù)荷需求。由于井筒防凍負(fù)荷計(jì)算依據(jù)為當(dāng)?shù)刈畹蜏囟绕骄担渥畲筘?fù)荷的持續(xù)時(shí)間較短，為了提高經(jīng)濟(jì)性降低設(shè)備投資，熱泵系統(tǒng)按照2×1.3MW+4×2.8MW配置，其供熱量為13.8MW滿足全礦高峰供熱需求，另配備0.81MW的電熱鍋爐作為補(bǔ)充熱源滿足尖峰供熱需求；熱泵系統(tǒng)在夏季投入部分機(jī)組進(jìn)行制冷工況運(yùn)行，其供冷能力3×2.0MW滿足供冷需求。

2)能量收集系統(tǒng)。能量收集系統(tǒng)通過回風(fēng)換熱器提取礦井回風(fēng)中的熱量作為熱泵系統(tǒng)的熱源。在回風(fēng)井?dāng)U散塔出風(fēng)口位置上方新建鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，平臺(tái)上新設(shè)鋼風(fēng)道與原擴(kuò)散塔風(fēng)道對(duì)接，設(shè)計(jì)采用18臺(tái)回風(fēng)換熱器放于風(fēng)道出口，風(fēng)道底部設(shè)有120m3取熱集水箱?；仫L(fēng)換熱器單臺(tái)取熱量0.65MW，合計(jì)取熱能力為11.7MW。風(fēng)道及回風(fēng)換熱器全套收集系統(tǒng)對(duì)礦井現(xiàn)有主通風(fēng)機(jī)增加的風(fēng)阻不超過80Pa，不影響礦井通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)收集系統(tǒng)安裝設(shè)備牢固且無電動(dòng)設(shè)備，不影響回風(fēng)中瓦斯氣體的安全排放及通風(fēng)系統(tǒng)反風(fēng)要求，完全滿足回風(fēng)井口的安全要求。

3)熱泵系統(tǒng)。由于業(yè)主單位對(duì)熱泵機(jī)組的噪聲和調(diào)節(jié)性能要求較高，系統(tǒng)選用2臺(tái)1.3MW供熱量的螺桿型熱泵機(jī)組滿足全年全部洗浴用熱需求；選用4臺(tái)2.8MW供熱量的螺桿型熱泵機(jī)組滿足供暖全部負(fù)荷和井口防凍基本負(fù)荷，其中3臺(tái)機(jī)組夏季運(yùn)行總供冷量6.0MW，滿足供冷需求。系統(tǒng)通過制冷工質(zhì)的相變作用冬季將低溫水中的熱量轉(zhuǎn)化為50℃熱水，夏季將12℃冷水降至7℃，供末端設(shè)備使用。在擴(kuò)散塔附近新建熱泵機(jī)房一座，建筑軸線尺寸為35m×21m，內(nèi)設(shè)熱泵間、鍋爐間、水泵間、低壓配電室，二層設(shè)高壓配電室、值班室、監(jiān)控室、備品備件室，熱泵間屋頂布置3座橫流式冷卻塔作為備用冷卻裝置。

4)補(bǔ)熱系統(tǒng)。在熱泵機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置一臺(tái)供熱量為0.81MW的電熱水鍋爐，并配置換熱器、水泵等設(shè)備，當(dāng)遇到極端天氣時(shí)作為井筒防凍的輔助熱源，保證井口不結(jié)凍，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

5)井口加熱系統(tǒng)?，F(xiàn)有井口防凍設(shè)備為自然對(duì)流式加熱器，在熱源改造后已無法滿足防凍需求，應(yīng)進(jìn)行拆除改造。設(shè)計(jì)采用10臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)式井口空氣加熱機(jī)組，為提高混風(fēng)效果，換熱后的空氣在井口房與井筒進(jìn)風(fēng)進(jìn)行混合[7-10]。冬季，機(jī)組可保證井口混風(fēng)溫度大于2℃，滿足安全生產(chǎn)要求。夏季，機(jī)組也可作為井口房溫度調(diào)節(jié)設(shè)施，改善下井工作人員等候時(shí)的環(huán)境條件。主井井口加熱室利用原空氣加熱室進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后建筑平面尺寸為21m×11m，在副井井口房旁新建井口加熱室一座，建筑平面軸線尺寸為24m×6m。

6)室內(nèi)末端系統(tǒng)。該系統(tǒng)室內(nèi)空調(diào)末端采用原有空調(diào)系統(tǒng)設(shè)有的風(fēng)機(jī)盤管末端。

7)水處理系統(tǒng)。包括管道、管件及水處理設(shè)備，噴淋換熱回水水處理設(shè)備為沉淀水箱、旋流除砂器，系統(tǒng)循環(huán)水水處理設(shè)備為鈉離子交換器、全自動(dòng)過濾器，洗浴熱水水處理設(shè)備為防結(jié)垢硅磷晶罐等。

3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)經(jīng)過在口孜東煤礦的實(shí)施運(yùn)行，有效的解決了燃煤鍋爐拆除后的清潔冷熱源供應(yīng)問題，應(yīng)用效果較為理想。

1)冷熱源均采用清潔能源，符合綠色環(huán)保政策。通過使用熱泵技術(shù)提取礦井回風(fēng)余熱資源，供熱供冷過程中不消耗任何化石燃料，從根本上取消了廢氣、廢水、廢物的排放，完全符合國(guó)家環(huán)保和清潔供暖政策。通過對(duì)礦井回風(fēng)余熱資源的使用也屬于礦井資源的綜合利用，對(duì)礦井綠色礦山建設(shè)創(chuàng)造了條件。

2)礦井回風(fēng)熱資源穩(wěn)定可靠，確保冷熱源安全生產(chǎn)。冷熱源的安全生產(chǎn)影響著礦井的安全生產(chǎn)，冷熱源的可靠供應(yīng)嚴(yán)重依靠主要燃料的供應(yīng)。該系統(tǒng)主要能源來自礦井生產(chǎn)的副產(chǎn)物礦井回風(fēng)，屬于礦井內(nèi)部資源。根據(jù)礦井生產(chǎn)特性，該資源穩(wěn)定可靠，避免了外部燃料短缺帶來的影響。

3)冷熱源一體化設(shè)置，技術(shù)先進(jìn)，節(jié)約投資。系統(tǒng)通過設(shè)置同一套冷熱一體化熱泵裝置，通過冬夏季的切換，即可滿足口孜東礦的供熱、供冷需求。當(dāng)井下存在熱害時(shí)，該系統(tǒng)還可利用井口防凍設(shè)備在夏季制備冷風(fēng)，降低井下熱濕環(huán)境。相較于傳統(tǒng)冷熱源分別設(shè)置的系統(tǒng)，冷熱源一體化設(shè)備利用率高，投資降低1500萬元[11-14]。

4)項(xiàng)目運(yùn)行后供熱及制冷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表6。項(xiàng)目測(cè)試基于冬季測(cè)試期間礦井排風(fēng)溫度穩(wěn)定在18℃，室外空氣干球溫度5.5℃；夏季測(cè)試期間礦井排風(fēng)溫度穩(wěn)定在28℃，夏季室外空氣干球溫度35℃。

4 成本及效益分析

口孜東煤礦工業(yè)場(chǎng)地現(xiàn)有燃煤鍋爐房1座，鍋爐房建有4臺(tái)SZL10-1.25-AⅡ型燃煤蒸汽鍋爐，及一座2臺(tái)2800kW溴化鋰機(jī)組制冷機(jī)房。項(xiàng)目實(shí)施后采取了規(guī)模為：2臺(tái)1.3MW、4臺(tái)2.8MW熱泵機(jī)組，及1臺(tái)810kW電熱水鍋爐，并同時(shí)可取代原有的溴化鋰制冷機(jī)房冷源。項(xiàng)目靜態(tài)投資5千萬元，年消耗用電量約為900萬kW·h，折標(biāo)煤約1100t，電氣安裝容量總計(jì)約5000kW，新增建筑面積1200m2，年能源消耗費(fèi)用約600萬元。項(xiàng)目實(shí)施后每年可減少礦區(qū)燃煤蒸汽鍋爐燃煤量13512t，減少煙塵排放量422.9t，減少SO2排放53.90t；減少NOx排放22.01t。

表6 項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

口孜東礦清潔地面冷熱源工程，采用了較為先進(jìn)的冷熱源一體化熱泵回收系統(tǒng)，設(shè)備通過熱泵技術(shù)回收礦井回風(fēng)熱資源，冷熱源供應(yīng)可靠性高。作為煤礦生產(chǎn)的副產(chǎn)物礦井回風(fēng)，對(duì)其充分、合理、高效的綜合利用是綠色礦山建設(shè)內(nèi)容之一，同樣也只有通過合理利用工藝，才能保證優(yōu)質(zhì)資源的高效利用。該系統(tǒng)的設(shè)置符合相關(guān)環(huán)保、節(jié)能政策，對(duì)未來礦井清潔冷熱源的設(shè)計(jì)和綠色礦山建設(shè)有一定的借鑒意義。