【導(dǎo)讀】中國神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司。煤礦低溫廢熱回收利用工程。中國機(jī)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(fēng)流沿著巷道與圍巖，井下涌水等進(jìn)行熱交換，稀釋有害氣體后變成乏風(fēng)經(jīng)回風(fēng)井排出，由于井下風(fēng)流溫度基本不受大氣溫度及季節(jié)變換的影響，所以風(fēng)井回風(fēng)流溫度基本維持不變。同時(shí)由于冬季回風(fēng)溫度較大氣溫度高，是良好的廢熱資源；夏季回風(fēng)溫度較大氣溫度低，又是良好的冷源。因此實(shí)現(xiàn)煤礦回風(fēng) 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(xiàng)目采用兩種礦井回風(fēng)利用方式，一種為以噴淋的方式進(jìn)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(fēng)中換取熱量，通過循環(huán)介質(zhì)將熱量帶到機(jī)組，進(jìn)行取熱。 ⑵ 噴淋式礦井回風(fēng)熱能利用工藝流程 圖 噴淋式換熱 工藝流程 在礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)中，如圖 所示，礦井回風(fēng)熱交換器實(shí)現(xiàn)將礦井回風(fēng)中所蘊(yùn)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?zé)嵩矗?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(fēng)熱交換器進(jìn)行熱交換，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)礦井回風(fēng)廢熱的綜合利用。 ⑶ 直膨式礦井回風(fēng)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(fēng)源熱泵系 統(tǒng)中，如圖 所示，礦井回風(fēng)熱交換器實(shí)現(xiàn)將礦井回風(fēng)中所蘊(yùn)含的大量熱能通過 直接膨脹式的化熱方式，即通過回風(fēng)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(tuán)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(shí)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(jìn)行太陽能低溫集熱 (10~20℃), 然后通過熱泵 ,將此低溫?zé)崽嵘焦?暖供熱水所需要的溫度(30~50℃) 。要求供應(yīng) 60℃ 以上的熱水時(shí) ,可增設(shè)電熱水器或煤氣鍋爐進(jìn)行補(bǔ)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(jī)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(dá) 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(dá)到 4 以上 )。如果與夏季制冷結(jié)合應(yīng)用于空 調(diào) ， 其優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(shí) ， 機(jī)組仍能正常的運(yùn)行 ， COP 可達(dá) ， 在 10℃ 以上的環(huán)境溫度中 ， 太陽能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率可比普通風(fēng)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(yùn)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(tuán)可利用熱源分析 本項(xiàng)目前期對神化神東煤炭集團(tuán)下屬的各個(gè)煤礦進(jìn)行調(diào)研，在各個(gè)礦上搜集資料，并進(jìn)行整理，將各個(gè)煤礦的低溫廢熱資源進(jìn)行整理匯總。下面為神華神東煤炭集團(tuán)各個(gè)礦的低溫廢熱資源統(tǒng)計(jì)表： 31 表 項(xiàng)目 名稱 礦井排風(fēng)量 （ m179。/min） 礦井排風(fēng)（ 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(bǔ)連塔煤礦 （南風(fēng)井） 10582 2728 7000 2175 1700 523 （北風(fēng)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(jì) 80288 5927 7443 由上表可見，礦井回風(fēng)和礦井排水中蘊(yùn)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(fēng)與礦井排水中所蘊(yùn)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(fēng)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(tuán)各煤礦廢熱回收方案 本章將結(jié)合神東集團(tuán)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(shí)際需求的廢熱回收利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)各礦低溫廢熱的有效利用，促進(jìn)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(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)依據(jù) 本工程根據(jù)建設(shè)方提供的相關(guān)資料，并依據(jù)現(xiàn)行有關(guān)國家頒發(fā)的有關(guān) 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體為： ⑴ 《高溫?zé)岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》 GB503662020 ⑵ 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB500192020 ⑶ 《煤炭工業(yè)采暖通風(fēng)及供熱設(shè)計(jì)規(guī)范》 MT/T501396 ⑷ 《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB502152020 ⑸ 《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB500152020 ⑹ 《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 暖通空調(diào) ?動力》 ⑺ 《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 給水排水》 ⑻ 《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》 GB502432020 設(shè)計(jì)參數(shù) ⑴ 室外設(shè)計(jì)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn) 冬季室外參數(shù) 大氣壓力 P= 采暖計(jì)算溫度 T=16℃ 通風(fēng)計(jì)算溫度 T=19℃ 極端最低溫度平均值 ℃ 冬季室外平均風(fēng)速 v= 33 夏季室外參數(shù) 大氣壓力 P= kpa 夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度 T=28℃ 夏季空調(diào)計(jì)算溫度 T=℃ 夏季室外風(fēng)速 v=采暖天數(shù)： 180d 最大凍土深度： 148cm ⑵ 室內(nèi)設(shè)計(jì) 參數(shù)： 表 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) 房間名稱 夏季 冬季 新風(fēng)標(biāo)準(zhǔn) m 3/ 排 風(fēng) 次 /h 噪聲標(biāo)準(zhǔn) 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(shè)計(jì)規(guī)程 CESC108:2020， 規(guī)定公共浴室各種沐浴用水水溫應(yīng)按表 確定 。 表 公 共浴室沐浴用水水溫 方案設(shè)計(jì)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(fēng)井場地的礦井回風(fēng)中提取熱量為該風(fēng)井場地的進(jìn)風(fēng)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(shè)計(jì) 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(jì)算，處理后的溫度按 15℃ 計(jì)算，熱泵機(jī)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(dāng)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(shè)計(jì)采用 15℃ 計(jì)算，熱泵機(jī)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(dāng)于 噸鍋爐的供熱量。 ③ 風(fēng)井場地 礦井回風(fēng) 礦井回風(fēng)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(fēng)風(fēng)量 15000m3/min，即 250m3/s，根據(jù)實(shí)測，石圪臺煤礦冬季的回風(fēng)溫度為13℃ 15℃ ，濕度為 85%90%，本設(shè)計(jì)回風(fēng)溫按 13℃ ，相對濕度 85%計(jì)算，熱泵機(jī)組平均能效比為 ，熱泵機(jī)組可供熱量為 3875kW，相當(dāng)于 噸鍋爐供熱量。 ④ 石圪 臺可利用低溫?zé)嵩磪R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(fēng)井場地礦井 回風(fēng) 15000m3/min 3875 40000 可利用 合計(jì) 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(shí)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合石圪臺實(shí)際用熱需要、用熱點(diǎn)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(dá)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(biāo)取 85W/m2，則 新建污水處理廠耗熱負(fù)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(jì) 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(gè)澡堂，共計(jì)約 700 個(gè)淋浴噴頭，每班用水量為 300m179。若按 5小時(shí)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(jì) 序號 類別 熱負(fù)荷 （ kW） 1 新增 建筑采暖 30000m2（熱指標(biāo)： 85 W/ m2） 2550 2 洗浴熱水 用水量 300 m2/班 2443 合計(jì) 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(jìn)行供熱。 根據(jù)上邊計(jì)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(shí)，可以免除該礦春、夏、秋三季的 20 噸 燃煤鍋爐的使用。 ③ 風(fēng)井場地 根據(jù)調(diào)研，風(fēng)井場地有一進(jìn)風(fēng)井，設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量為 4283m179。/min，即 72 m179。/s，當(dāng)?shù)氐臉O端溫度為 ℃ ，根據(jù)井口防凍設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)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(diǎn) 熱負(fù)荷 kW 可利用低溫?zé)?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(fēng)井場地 4283 m179。/min 進(jìn)風(fēng)井筒防凍 3030 風(fēng)井場地礦井 回風(fēng) 3875 主要設(shè)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(jī)組解決新建污水處理廠建筑采暖，確保該場地實(shí)現(xiàn)無鍋爐供熱 。剩余低溫廢熱 可根據(jù) 后續(xù)負(fù)荷需要 進(jìn)行配置； ② 工業(yè)廣場 采用 4 臺 HE700B 的高溫渦旋機(jī)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