水源热泵技术在矿井节能改造项目中的应用_陈静妍.pdf

技术60水源热泵技术在矿井节能改造项目中的应用文_陈静妍 同方人工环境有限公司摘要：“双碳”背景下，清洁高效的节能减排技术，特别是热泵技术在煤矿产业领域得到了较为广泛的应用。邢台某煤矿余热回收项目一期自投入至今已产生较好的效果，现以二期改造项目为实例，在分析其现有热需求的基础上，结合现场余热现状，提出了基于水源热泵技术的改造策略，并对该项目的经济性和节能性进行了论证，为类似改造项目提供了实例参考。关键词：余热回收；煤矿；井口防冻；热泵；采暖；节能Application of Water Source Heat Pump Technology on Waste-heat Utilization of MineCHEN Jing-yan Abstract Under the background of carbon peaking and carbon neutrality goals,highly efficient energy saving and emission reduction technologies,especially heat pump technology,have been widely used in the coal industry.The first phase of waste heat recovery project in Xingtai has produced good results since it was put into operation.Taking the second phase transformation project as an example,the existing heat demand is analyzed.Combining the waste heat status,the technical transformation strategy of water source heat pump is proposed,and the economy and energy conservation are demonstrated,providing a reference for similar transformation projects.Key words waste-heat;utilization mine;freeze-proofing;heat pump;heating;energy conservation在煤炭生产过程中，会产生一定量的余热资源，这些资源可以被热泵等技术提升再利用，解决矿区日常用热需求。矿场余热回收循环再利用的模式，既可消纳矿场产生的过量余热资源，又可解决矿区职工热水和采暖需求，无需额外引入其他形式热源，实现了低碳生产的闭式循环，具有很强的实践价值。现结合邢台某煤矿实例，对煤矿余热回收效果进行分析。1 矿井余热回收现状1.1 排风余热回收矿井排风主要利用了煤矿开采过程中产生的地热风资源，由于矿井开采深度平均约为1000m，地表以下 10m 温度可常年稳定在1517，超过一定深度时，每向下增加100m，温度上升12。冬季矿井产生的排风可稳定在1722，且相对湿度基本恒定。采用热泵技术或低温热管技术可对排风余热回收，回收后的温度可达 4550，用以建筑采暖和井口防冻，其热回收过程详见图1。1.2 排水余热回收矿井排水水温一般在 1822，高于规范要求的10，该低品位热能可作为热泵系统的低温热源，经提升后可供给矿场建筑采暖和井口保温用热需要。矿井排水一般为热泵直接利用（图 2a）和间接利用（图 2b）两种方式，矿井排水中一般含有较多杂质和金属离子，在保证现场水质指标满足规范要求的情况下，排水可直接进入热泵进行再利用，详见图 2a；若不满足要求，则需通过板换间接为热泵供水，详见图 2b。图 1 排风热回收原理图611.3 空压机矿场空压机在运行过程中会产生高温热量，大部分储存在润滑油中，温度可达 80。利用热交换器可将储存在润滑油中的热量转移到蓄热水箱中，用于满足浴室热水需求。该项技术的应用，一方面将空压机内产生的高温热量转移，避免温度在设备内过于集中导致设备老化和寿命的减少，保证了系统安全可靠运行；另一方面，通过热交换器将该部分热量回收再利用，在不引入新的热源系统的情况下可满足矿场洗浴热水需求，一举两得，其热回收过程详见图 3。图 3 空压机热回收原理图2 项目余热利用分析2.1 项目概况该矿区位于山西邢台，隶属于冀中能源主力矿井，为1矿2 井生产布局。矿井原设计年生产规模 60 万 t，三次改造后产能可达 140 万 t，主要产品包括高炉喷吹煤、块煤等。矿区建有一座能源站，主要作为建筑采暖、井口保温以及生活热水的热源。能源站内有4台水源热泵机组，单机制热量为 818kW。4台水源热泵机组采用并联模式连接，其中1台水源热泵机组通过板换连接水箱同时为生活洗浴提供热水。2.2 热需求分析矿场目前用热需求主要为 3 类：井口保温、建筑采暖和生活洗浴热水。因扩大生产需要，矿场新增井口保温用热和建筑采暖需求，需对原有系统进行改造，现对新增用热需求进行分析。2.2.1 建筑用热原用热建筑面积为14478.5m2，包括办公楼、水电工房、泵房等功能属性房间，总供热负荷需求为 966kW。现因增加供暖区域，新增建筑面积约为 645m2，新增热负荷约为94.4kW。新增热负荷和原有热负荷共计约1060.4kW。2.2.2 井口保温用热本项目矿井进风为副井进风，井筒入风量为 4100m3/min，项目所在地极端最低平均温度-13，根据公式（1）计算冬季井口保温用热负荷为 1460.7kW。因井口风量增加1900m3/min，新增井口保温用热负荷 677kW。井口保温新图 2 排水热回收原理图a 直接利用方式b 间接利用方式技术62增热负荷和原有热负荷共计约 2137.7kW。(1)式中 -耗热量，kW；-富裕系数，取 1.1；-风量，m3/h；-耗热量，kW；-空气比热，kJ/（kgK）；-室外计算温度，取邢台当地历年极端最低气温平均值，-13。2.2.3 生活洗浴热水洗浴热负荷为全年用热负荷，实行三班制。全天用水量为 300m3，其中最大班组用水量为100m3,洗浴供水温度按50，计算洗浴负荷为 860.62kW。现因矿区澡堂扩建，新增洗浴热负荷为 215.25kW。洗浴总负荷为1076.25kW。2.3 余热分析2.3.1 排水余热分析矿井排水水温一般在1520，水温受室外环境温度影响较小，能够保证全年水温的恒定。矿场现场采集的水温数据显示，冬季水温可稳定在 12，夏季水温可稳定在 20，全天排水水量平均最低为125m3/h。按最低排水水量125m3/h 考虑，排水计算温差按 8，排水余热量为1163kW，经热泵系统提升后可利用热量为1453.75kW。2.3.2 余热利用分析生活热水改造策略：将原生活热水加热时间由 5h 增加至 7h，在不改变现有系统的情况下可满足生活热水所需热量需求，因此改造主要涉及新增建筑采暖和井口保温负荷。取入井风混合温度 2，分别计算-15、-13、-10、-8以及-5温度工况条件下，综合新增需求后的井口保温负荷和建筑热负荷，对冬季不同温度条件下的总热需求进行计算分析，详见表1。表1 新增热负荷统计表室外计算温度/-15-13-10-8-5井口/m3/min767.2676.9541.5451.3315.9建筑热/kW94.494.494.494.494.4总计/kW861.6771.3635.9545.7410.3经计算，室外极端平均温度（-13）条件下，新增热需求约为 771.3kW。2.4 余热利用策略矿场现有矿区中水池和沉淀池2个水源取水点，2个取水点各设1套（2 台）矿井侧循环水泵，2 台水泵 1用1备，互为备用。原 DN150 管道全部拆除，更换为 DN200 管道。根据计算，新增一台制热量为 818kW 的涡旋式水源热泵机房，用以满足新增建筑采暖和井口防冻的用热需求。新增水源热泵系统并入现有能源站，通过阀门与现有水源热泵系统互为备用。结合厂区实际情况，考虑在现有能源站旁边新增一座小型能源站，新建能源站采用钢架结构，建筑面积约为 55.25m2。2.5 经济和节能效益结合项目新增规划需求，对新增系统进行经济分析。综合考虑建安工程、设备购置费、工程建设其他费用以及工程预备费，新增水源热泵系统需增加投资额约155 万元。新增系统包括一台水源热泵主机、4 台水源侧循环水泵（两套）、2 台用户侧循环水泵以及一台旋流除砂器。冬季采暖季按 120d 考虑，全天（24h）运行，计算采暖季新增系统运行能耗为112 万 kWh。按当地工商业平峰电价 0.55 元/kWh 计算，采暖季系统运行费用为 61.5 万元。考虑人工和设备维护费用，采暖季运行总成本约为 75.5 万元。本项目水源来自矿场沉淀池和中水池，不额外消耗水资源，且不涉及废水产生与排放。此外，系统运行过程中，无固体和气体废弃物生成，生产方式绿色环保。与传统锅炉系统相比，本项目投入运行后，每年可减少 CO2排放约 0.211t，减少 SO2排放约 6.35kg，减少煤耗约 0.085t。3 结语本项目在现有水源热泵系统的基础上新增一套水源热泵系统，一方面可以满足新增建筑采暖和新增井口保温用热需求，改善厂区职工工作环境，保证矿区安全生产；另一方面，对比常规锅炉系统，水源热泵系统运行管理更加安全、节能和高效，为煤矿产业节能减排提供了新路径。参考文献1 方璐绮,陈世强,田峰,等.煤矿排风余热能提取量与井筒防冻辅热计算 J.能源与环保,2021,43(1):61-65.2 罗景辉,熊楚超,魏莹,等.煤矿低温余热应用探究 J.煤炭与化工,2019,42(11):96-99.3 向艳蕾,杨允,闫文瑞,等.煤矿回风余热资源利用技术现状与展望 J.煤质技术,2021,36(6):77-83.4 朱冬冬.余热提取技术在煤矿热泵系统设计中的应用 J.煤炭工程,2014,46(5):24-26.5 GB/T 50466-2018,煤炭工业供暖通风与空气调节设计标准 S.6 曹龙.煤矿余热资源回收利用技术的特点分析 J.陕西煤炭,2021,40(5):26-30.作者简介陈静妍（1992-）,女,河南三门峡人,暖通工程师,硕士研究生,研究方向为暖通空调应用技术。