煤矿井下回风巷道热能回收利用系统可行性分析.doc

煤矿井下热能回收利用系统的可行性分析

0.项目的提出、目的、意义：　我国是煤炭大国，能源资源储量中煤炭占92％，我国的能源生产和消费结构在相当长的时期内仍以煤炭为主煤矿。而煤炭在开采过程中，大量的地热能、设备的热耗、煤炭的自发热量，使井下的空气温度很高，作业环境比较差。为了改善作业环境，只能增大通风量，使得井下回风巷道的空气，富含大量的热能，被直接排放到地面的大气中。不仅送风机需消耗很大的电能，而且，大量的热能被浪费了。如果能够加以利用。可以达到以下几种目的：1、减少向地下的送风量，节省风机耗电及送风系统投资；2、有利于提高井下的工作环境；3、可获取大量的低价热能，提高经济效益。本系统就是因此而提出。-
煤矿井下热能回收利用系统，就是根据空调热泵技术。在井下的热泵机组蒸发器与空气进行对流换热，蒸发器内的工质有液态转化为气态吸收热量，即吸收井下空气中的热量，从而降低井下温度；气态工质通过管道回到地面的压缩机吸气口；经压缩机压缩后变成高温高压气体；高温高压气体在冷凝器内被冷却为高压液体，放出热量，即给机组的循环水进行加热，从而以较小的电能消耗，获得可供取暖、生活热水等用途的50℃以上的热水。从而实现： 1、降低巷道内的温度，改善劳动环境，提高劳动效率；2、节约化石能源，实现低碳环保；3、提高经济效益。与此同时，该技术的实现，对井下热能利用，具有示范意义。
1. 部分煤矿井下热能情况调查
单 位
名 称
产 量
（万吨/年）
井 深
（米）
风 井 风 量
（立方米/小时）
风井平均
温度（度）
平煤六家矿

平煤古山矿

阜矿清河门矿

阜矿恒大公司

靖煤红会矿

靖煤大水头矿

沈煤红阳矿

沈煤西马矿

铁煤小青矿

铁煤大明矿

经过对有关煤矿的井下情况调查，我们可以发现，风井回风温度与井深有关， ；回风量与产量有关， 。
2.热能利用系统技术方案：
热能吸收（换热）器与巷道内空气的换热温差为3℃；热能吸收器将热能传到地面的温度差为2℃；巷道内的换热器与地面热转换器连管距离为500m。假定巷道内的温度25℃，机组出水温度为55℃.对此，有以下三种方案：
第一方案：采用水换热：在井下设一换热器，用水泵将水送到巷道内的换热器进行热交换，使水的温度上高，通过水将热量带到地面，这是最简单、最原始的方法。如果要将1000KW
的热量带到地面，需要安装两条DN300的水管道，以及75KW的水泵一台以上。
第二方案：热管技术：采用热管技术，在地下安装一个热能吸收器（换热器），在地上安装一个热能转换器即可实现。其工作原理是：超导液在热能吸收器内吸收巷道内的热量，由液态转化为气态吸收热量，气态超导液顺着吸收器与热能转换器之间的连接管向上流动至热能转换器内，气态超导液遇冷放出热量，转化成液态超导液。之后再顺着吸收器与热能转换器之间的连接管向下流动至热能吸收器，完成一个循环。同样是达到上面的效果，采用一根直径DN150的管道即可，并且不需要水泵等外部动力。
第三方案：直膨技术：就是将巷道内的换热器直接作为热泵机组的蒸发器。这样不仅减少了一级换热装置，同时也使机组的蒸发温度提高5℃，制热效率提高20%。现在的风冷冷热水机组采用的就是这种模式，技术是非常成熟。但由于连接管长达上千米，在设计中必须充分考虑到系统可能出现的问题，应加装独立的回油装置。
三种方案的比较见下表
项 目
水换热
技术
热管
技术
直膨技术
巷道换热器内介质温度（℃）
22
22
20
介质到达机组的温度（℃）
22
20
20
热泵机组的蒸发温度（℃）
17
15
20
巷道内风机输入功率（KW）
5.5
5.5
5.5
输送中间介质功率（KW）
75
0
0
制热量（KW）
1000
1000
1000
COP
6.37
5.93
7.16
机组输入功率（KW）
157
169
140
循环水泵消耗功率（KW）
30
30
30
输入总功率（KW）
267.5
204.5
175.5
综合COP
3.74
4.89
5.7
巷道内换热器投资（万元）
45
45
45
主机投资（万元）
58
58
58
附属设备投资（万元）
20
18
17
总投资（万元）
123
121
120
本热效率计算依据为R22压焓图中F22在各种状态下的焓值进行计算的。由于压缩机运行时会有一定的能量损耗，在实际计算时采用理论值的0.9倍。如图：

三种方式各点的温度焓值如下表：
序号
水换热技术
热管技术
直膨技术
温度
焓值
温度
焓值
温度
焓值
H1
17
411
15
411
20
412
H2
22
415
20
414
25
416
H3
75
440
76
441
74
438
H4
55
418
55
418
55
418
H5
55
270
55
270
55
270
H6
50
263
50
263
50
263
H7
17
263
15
263
20
263

COP=7.08
COP=6.59
COP=7.08

直膨式热能利用系统与燃煤锅炉供暖系统对比
（每制取1000KW热量能耗）
费用名称
热能利用系统供暖
燃煤锅炉系统供暖
耗电（KWh）
175.5
50
电价（元/KWh）
0.8
电费（元）
140.4
40
耗煤（kg）

331
煤价（元/kg）

0.5
燃煤费（元）

198.6

能耗费（元）
140.4
205.5
排污费
无
有
五、结论 经过以上分析，热能利用系统具有明显优势。