【導讀】中國神華神東煤炭集團有限責任公司。煤礦低溫廢熱回收利用工程。中國機電出口產(chǎn)品投資有限公司

　　

【正文】 供給井下足夠的新鮮空氣，滿足人員對 氧氣的需要；沖淡井下有毒有害氣體和粉塵，保證安全生產(chǎn)；調(diào)節(jié)井下氣候，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。 新鮮風流沿著巷道與圍巖，井下涌水等進行熱交換，稀釋有害氣體后變成乏風經(jīng)回風井排出，由于井下風流溫度基本不受大氣溫度及季節(jié)變換的影響，所以風井回風流溫度基本維持不變。同時由于冬季回風溫度較大氣溫度高，是良好的廢熱資源；夏季回風溫度較大氣溫度低，又是良好的冷源。因此實現(xiàn)煤礦回風 28 熱能的回收利用對企業(yè)的節(jié)能減排具有重要的意義。 本項目采用兩種礦井回風利用方式，一種為以噴淋的方式進行換熱，另一種方式為直接蒸發(fā)式的間接換熱。兩種方式 均是從礦井回風中換取熱量，通過循環(huán)介質(zhì)將熱量帶到機組，進行取熱。 ⑵ 噴淋式礦井回風熱能利用工藝流程 圖 噴淋式換熱 工藝流程 在礦井回風源熱泵系統(tǒng)中，如圖 所示，礦井回風熱交換器實現(xiàn)將礦井回風中所蘊含的大量熱能通過噴淋換熱方式轉(zhuǎn)移到循環(huán) 水里面，循環(huán)水作為熱泵系統(tǒng)的低溫熱源，經(jīng)過熱泵系統(tǒng)提取熱量后，循環(huán)水溫度有所降低（一般 5℃），再重新送入礦井回風熱交換器進行熱交換，循環(huán)往復，實現(xiàn)礦井回風廢熱的綜合利用。 ⑶ 直膨式礦井回風熱能利用工藝流程 29 圖 直膨式換熱工藝流程 圖 在礦井回風源熱泵系 統(tǒng)中，如圖 所示，礦井回風熱交換器實現(xiàn)將礦井回風中所蘊含的大量熱能通過 直接膨脹式的化熱方式，即通過回風與換熱器直接換熱的方式。 太陽能 太陽能作為可再生能源，取之不盡，用之不竭。神化神東煤炭集團下屬煤礦主要位于鄂爾多斯地區(qū)，該地區(qū)太陽能資源豐富，把太陽能作為熱泵的熱源，可以實現(xiàn)熱泵供暖、洗浴熱水等滿足用戶需要。 將太陽能作為熱泵熱源的熱泵系統(tǒng)稱為太陽能熱泵系統(tǒng)。太陽能熱泵系統(tǒng)由集熱器、熱泵、蓄熱器等組成 ,該系統(tǒng)是利用集熱器進行太陽能低溫集熱 (10~20℃), 然后通過熱泵 ,將此低溫熱提升到供 暖供熱水所需要的溫度(30~50℃) 。要求供應 60℃ 以上的熱水時 ,可增設電熱水器或煤氣鍋爐進行補充加熱。其工作原理如圖 所示。 30 圖 太陽能熱泵工作原理 太陽能熱泵把熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)有機的結(jié)合起來 ， 一方面可以有效降低集熱器的板面溫度 ,提高集熱器效率。研究表明 ， 在非寒冷地區(qū) ,既使使用普通平板型集熱器 ,集熱器效率也高達 60%~80%。另一方面在太陽輻射條件良好的情況下 ， 太陽能熱泵加熱系統(tǒng)可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發(fā)溫度 ,從而提高熱泵系統(tǒng)的性能 (COP 達到 4 以上 )。如果與夏季制冷結(jié)合應用于空 調(diào) ， 其優(yōu)點更為突出。太陽能熱泵系統(tǒng)可以適用于冬季溫度較低的地區(qū) ,并且通過輔助熱源提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度 ， 可以防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜 ， 也間接的改善了壓縮機的工作環(huán)境 。 根據(jù) 2020 年 12 月在北京某建筑的測試情況 ,在最低環(huán)境氣溫 16℃ 時 ， 機組仍能正常的運行 ， COP 可達 ， 在 10℃ 以上的環(huán)境溫度中 ， 太陽能熱泵系統(tǒng)的運行效率可比普通風冷熱泵提高 30%以上。 根據(jù)以上原理，研發(fā)出一種太陽能與熱泵的耦合技術(shù)，使太陽能熱泵在低日照條件下依然能正常運行。原理圖如下： 圖 太陽能 — 熱泵耦合技術(shù) 原理 圖 神華神東煤炭集 團可利用熱源分析 本項目前期對神化神東煤炭集團下屬的各個煤礦進行調(diào)研，在各個礦上搜集資料，并進行整理，將各個煤礦的低溫廢熱資源進行整理匯總。下面為神華神東煤炭集團各個礦的低溫廢熱資源統(tǒng)計表： 31 表 項目 名稱 礦井排風量 （ m179。/min） 礦井排風（ kW） 礦井排水量 （ m179。/d） 礦井水 （ kW） 生活污水量 （ m179。/d） 生活污水 （ kW） 石圪臺煤礦 15000 3875 （新建） 23000 12892 0 （現(xiàn)有） 6000 3364 哈拉溝煤礦 17500 4510 2020 1116 500 282 補連塔煤礦 （南風井） 10582 2728 7000 2175 1700 523 （北風井） 12020 3100 萬利煤礦 15036 3884 0 500 282 布爾臺煤礦 （工業(yè)廣場） 8374 2940 17000 9527 0 （孫定霍洛） 12619 3255 寸草一煤礦 6831 2175 0 400 228 寸草二煤礦 10620 3406 0 0 上灣煤礦 14343 8487 （前期） 5000 2799（前期） 0 9915 5859 （后期） 12020 6728（后期） 大柳塔煤礦 （白家渠） 12291 6090 0 6300 4827 （雙溝） 8292 4120 保德煤礦 （電廠） 10000 2599 5500 2840 360 201 （劉家堰） 16000 4123 烏蘭木倫煤礦 12600 3348 1500 847 800 444 榆家梁煤礦 （ 52 煤礦） 9615 2480 3000 1682 400 228 （ 42 煤礦） 8720 2247 （ 42 煤礦） 6884 1767 柳塔 11217 9295 1234 558 640 428 合計 80288 5927 7443 由上表可見，礦井回風和礦井排水中蘊含著大量的熱能，并且由于井下全年的溫度變化不大，使得礦井回風與礦井排水中所蘊含的熱量變化也不是很大，這就為熱泵的使用提供了相對穩(wěn)定的熱源，可以通過熱泵技術(shù)從礦井回風和礦井排水中提取熱量為煤礦的辦公供暖、工業(yè)供暖 、洗浴供暖及提供洗浴用水。 32 第四章 神華神東煤炭集團各煤礦廢熱回收方案 本章將結(jié)合神東集團公司所屬各礦可回收廢熱情況和各礦目前新增供熱需求或高能耗供熱環(huán)節(jié)，提出符合各礦實際需求的廢熱回收利用優(yōu)化設計方案，實現(xiàn)各礦低溫廢熱的有效利用，促進企業(yè)生產(chǎn)、生活供熱的節(jié)能減排。 根據(jù) 神東 公司 各個煤礦的不同情況 （ 不同的熱源分布情況和不同的需熱情況 ） 采用不同的設計方案， 有選擇性的 為煤礦提供建筑采暖、井口防凍 或 洗浴熱水 等需求 。 設計依據(jù) 本工程根據(jù)建設方提供的相關資料，并依據(jù)現(xiàn)行有關國家頒發(fā)的有關 規(guī)范、標準進行設計，具體為： ⑴ 《高溫熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》 GB503662020 ⑵ 《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》 GB500192020 ⑶ 《煤炭工業(yè)采暖通風及供熱設計規(guī)范》 MT/T501396 ⑷ 《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》 GB502152020 ⑸ 《建筑給水排水設計規(guī)范》 GB500152020 ⑹ 《全國民用建筑工程設計技術(shù)措施 暖通空調(diào) ?動力》 ⑺ 《全國民用建筑工程設計技術(shù)措施 給水排水》 ⑻ 《通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》 GB502432020 設計參數(shù) ⑴ 室外設計參數(shù)及標準 冬季室外參數(shù) 大氣壓力 P= 采暖計算溫度 T=16℃ 通風計算溫度 T=19℃ 極端最低溫度平均值 ℃ 冬季室外平均風速 v= 33 夏季室外參數(shù) 大氣壓力 P= kpa 夏季通風室外計算溫度 T=28℃ 夏季空調(diào)計算溫度 T=℃ 夏季室外風速 v=采暖天數(shù)： 180d 最大凍土深度： 148cm ⑵ 室內(nèi)設計 參數(shù)： 表 室內(nèi)設計參數(shù) 房間名稱 夏季 冬季 新風標準 m 3/ 排 風 次 /h 噪聲標準 dB(A) 溫度 ℃ 相對濕度 % 溫度 ℃ 相對濕度 % 辦公室 2426 5060 2022 40 40 會議室 2527 5060 2022 40 40 洗浴熱水 42 ⑶ 洗浴熱水參數(shù)： 根據(jù)公共浴室給水排水設計規(guī)程 CESC108:2020， 規(guī)定公共浴室各種沐浴用水水溫應按表 確定 。 表 公 共浴室沐浴用水水溫 方案設計思路 ① 在新建污水處理廠的礦井排水中提取熱量為礦井水處理廠的新建建筑提供建筑采暖； 34 ② 從 主 工業(yè)廣場的污水處理廠中提取熱量 ，春夏秋三季 為礦區(qū)的洗浴熱水提供熱量 ，冬季為新增建筑提供建筑供暖 ； ③ 從風井場地的礦井回風中提取熱量為該風井場地的進風井提供井口防凍的熱量； 可利用低溫 熱源分析 ① 新建礦井污水 處理廠 處理礦井污水 在距 石圪臺煤礦 主工業(yè)場地將 新建礦井污水處理廠 ， 設計 處理礦井 排水量為23000m3/d，根據(jù)現(xiàn)污水處理后溫度為 18℃ 19℃ ，則熱能提取礦井污水處理后水量按 958m3/h計算，處理后的溫度按 15℃ 計算，熱泵機組平均能效比為 ，則熱泵從礦井污水中提取廢熱可提供熱量為 12892kW，相當于 噸鍋爐的供熱量。 ② 主 工業(yè)場地處理 礦井 污水 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，工業(yè)場地污水處理廠平均每天的排水量為 6000m179。/d，即 250 m179。/h，污水處理溫度為 18℃ 20℃ ，本 設計采用 15℃ 計算，熱泵機組平均能效比為 ，則熱泵從礦井污水中提取廢熱可提供熱量為 3364kW，相當于 噸鍋爐的供熱量。 ③ 風井場地 礦井回風 礦井回風溫度基本不受室外氣溫影響并且全年相對恒定，石圪臺煤礦礦井總回風風量 15000m3/min，即 250m3/s，根據(jù)實測，石圪臺煤礦冬季的回風溫度為13℃ 15℃ ，濕度為 85%90%，本設計回風溫按 13℃ ，相對濕度 85%計算，熱泵機組平均能效比為 ，熱泵機組可供熱量為 3875kW，相當于 噸鍋爐供熱量。 ④ 石圪 臺可利用低溫熱源匯總 表 序號 名稱 數(shù)量 可回收熱量 （ kW） 理論可供暖面 積（㎡） 可替代鍋爐供熱量（ T/h） 備注 1 新建污水處理廠處理礦井污水 23000m3/d 12892 137000 可利用 2 主工業(yè)場地處 理礦井污水 6000m3/d 3364 35000 可利用 3 風井場地礦井 回風 15000m3/min 3875 40000 可利用 合計 20474 212020 35 用熱需求分析 目前 石圪臺生產(chǎn)、生活供熱主要通過鍋爐實現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合石圪臺實際用熱需要、用熱點位置分布等，確定以下問題可由低溫廢熱回收熱泵技術(shù)解決，達到節(jié)能減排。 ① 新建污水處理廠 在距 煤礦工業(yè)廣場之間相距 1 公里 處 新建礦井污水處理廠 ， 污水處理廠建筑采暖面積 4698m2， 建筑單位面積熱指標取 85W/m2，則 新建污水處理廠耗熱負荷399kW。 ② 工業(yè)廣場 根據(jù)礦方提供的資料 ，煤礦工業(yè)廣場將要新建 10000m2 的雙職工樓，在后期還要建住宅樓與辦公樓，共計 30000m2；根據(jù)調(diào)研資料，該礦為三班制，每班 600人，該礦內(nèi)有 3 個澡堂，共計約 700 個淋浴噴頭，每班用水量為 300m179。若按 5小時加熱洗浴水則需要的熱量為 2443kW。 表 工業(yè)廣場新增需熱量統(tǒng)計 序號 類別 熱負荷 （ kW） 1 新增 建筑采暖 30000m2（熱指標： 85 W/ m2） 2550 2 洗浴熱水 用水量 300 m2/班 2443 合計 4993 目前，石圪臺春夏 秋三季職工洗浴熱水熱源為 20 噸鍋爐進行供熱。 根據(jù)上邊計算可知，污水處理站可為煤礦 主工業(yè)場地提供春、夏、秋三季的洗澡熱水和 新建 30000m2 建筑的 冬季 采暖，為煤礦提供洗浴熱水時，可以免除該礦春、夏、秋三季的 20 噸 燃煤鍋爐的使用。 ③ 風井場地 根據(jù)調(diào)研，風井場地有一進風井，設計進風量為 4283m179。/min，即 72 m179。/s，當?shù)氐臉O端溫度為 ℃ ，根據(jù)井口防凍設計規(guī)范規(guī)定，進風井進風溫度不得低于 2℃ ，則冬季井口防凍所需要的熱量為 3030kW。 36 ④ 石圪臺 用熱需求分 析 表 石圪臺用熱供需對比分析 序號 地點 熱負荷 kW 可利用低溫熱 源 可回收熱量 kW 剩余熱量所能提供的采暖面積（㎡） 1 新建污水處理廠4698m2 建筑供暖 399 新建污水廠處 理礦井污水 12892 130000 2 主工業(yè)廣場每班 300 m3 洗浴熱水及新建30000m2 建筑供暖 2442550 主工業(yè)場地處理礦井污水 3364 3 風井場地 4283 m179。/min 進風井筒防凍 3030 風井場地礦井 回風 3875 主要設備配置 ① 新建污水 處理廠 新建污水處理廠的水量足夠大， 先配置 2 臺 HE300 型熱泵機組解決新建污水處理廠建筑采暖，確保該場地實現(xiàn)無鍋爐供熱 。剩余低溫廢熱 可根據(jù) 后續(xù)負荷需要 進行配置； ② 工業(yè)廣場 采用 4 臺 HE700B 的高溫渦旋機組 春夏秋三季 為工業(yè)廣場的洗浴熱水提供熱源， 避免春夏秋三季開啟大鍋爐。 冬季可為新建 30000m2建筑 提供采暖。 ③