礦井水余熱利用技術在趙固一礦的設計與應用

　　摘要:為了解決礦井目前采用燃氣鍋爐供暖燃氣費用高、氮氧化物超標以及燃氣緊缺的問題，有效替代鍋爐，充分實現節能減排，對一些具有豐富礦井水資源的礦井，在項目可行性論證的基礎上，提出了采用熱泵技術實現礦井水余熱資源利用的解決方案。介紹了熱泵工作原理和技術參數，對系統方案和設備組成、機組配置進行研究，然后對礦井水余熱系統運行費用和采用燃氣鍋爐運行費用進行了分析對比。

　　研究得出，采用礦井水余熱利用經濟，比燃氣鍋爐每年節約費用269.41萬元，2.6年即可收回成本，經濟效益顯著。在降低煤礦生產成本同時，減少了環境污染，滿足礦井冬季供暖、夏季制冷以及日常洗浴用熱水的需求，實現替代鍋爐，具有一定的推廣應用價值。

　　關鍵詞:余熱利用,節能減排,水源熱泵,熱水供暖

　　0引言

　　趙固一礦位于輝縣市冀屯鄉，生產能力核定為300萬t/a。礦內主要建筑包括行政辦公樓9000m2、區隊辦公樓3910m2、2號—4號宿舍樓20100m2、1號宿舍樓10105m2、洗煤廠辦公樓500m2、聯合建筑5000m2、機電樓1000m2、食堂1800m2等，建筑面積約為51000m2。礦井行政辦公樓為中央空調系統，其余建筑為水暖型暖氣片散熱裝置，項目實施前采用燃氣鍋爐供暖，主要存在如下問題:①礦井經營成本增加，正常供暖無法保證。

　　由于全國范圍內燃煤鍋爐的取締，天然氣需求量急劇增加[1]，導致天然氣價格上漲，運行費用急劇增加，同時出現了氣荒現象[2]，燃氣鍋爐無法正常運行，給礦井生產帶來了隱患，職工正常供暖無法保障。②氮氧化物超標[3]。燃煤鍋爐改燃氣鍋爐后，雖然大大降低了煙塵、二氧化硫排放量，但在用燃氣鍋爐氮氧化物排放值是高于國家規定的150mg/m3。

　　為進一步降低供暖運行費用，確保供暖效果，促進環保工作的順利開展，減少礦井廢氣排放量，實現達標排放[4-5]，經過調研，目前國內很多礦井采用空壓機余熱利用[6]、主通風機排出的廢氣[7]、礦井水余熱利用方式，但是空壓機余熱利用存在產生熱水少，不能滿足礦井需求的缺點，而主通風機廢氣投資成本高，在擴散塔上施工難度大[8]。

　　結合趙固一礦實際情況，礦井水資源豐富，且水溫四季保持在18℃以上，計劃應采用熱泵技術實現礦井水余熱綜合利用技術，此技術在國內已日趨成熟[9]，冬季滿足所有建筑物供暖，夏季需滿足行政辦公樓供冷，并且常年給澡堂提供300m3/d的洗浴熱水，滿足日常洗浴需要。

　　1項目可行性

　　趙固一礦礦井水涌水量正常為850m3/h，經過水處理設備后的水溫在18℃以上，水源熱泵系統的制熱量按照將礦井水降低到8℃的熱能計算[10]，水源熱泵每天提取礦井水的熱能可提供的制熱量為237240kW。按照0.07kW/m2計算，礦井每天熱負荷為85680kW;按300m3/d洗浴用水量計算，用熱量為10467kW。則每天需要熱量96147kW<237240kW。水源熱泵的制熱量可滿足礦井冬季供暖及職工洗浴的熱負荷需求，因此采用水源熱泵提取礦井水的熱能替代鍋爐，實現礦區供暖及供熱是可行的[11]。

　　2系統設計及原理

　　水源熱泵系統是一種高效、節能、節資、冷暖兩用，運行靈活且無污染的新型中央空調系統[12]。通過輸入少量的電能，在冬季把熱量從礦井水中提取出來，提高溫度后供給室內采暖;夏季，把室內的熱量取出來，釋放到低溫地能中去[13]。目前常用有常溫機組和高溫機組[14]，項目制洗浴熱水采用常溫螺桿式熱泵機組，供暖采用高溫型螺桿式熱泵機組，冬季制熱出水可達55℃。(1)制冷劑采用R134a的高溫環保型制冷劑。常溫機組的制冷COP值≥6.5，制熱COP值≥4.2;高溫機組的制冷COP值≥5.4，制熱COP值≥3.0。(2)配置1臺全熱回收型螺桿機組，滿足夏季洗浴熱水加熱與行政辦公樓制冷的聯供方案，系統設計能效比達7(夏季時)。

　　配置3臺高溫螺桿機組，滿足全礦供暖需求。常溫機組出現故障時，可投入高溫機組臨時代替運行，乙方需做好管路切換。(3)螺桿式水源熱泵機組共設計4臺。單臺設備壓縮機配置需2臺或以上，制冷回路數量與壓縮機數量匹配，設備能量12.5%～100%無級調節。(4)系統方案。水源熱泵系統的主要設備由板式換熱器、水源熱泵機組、系統循環水泵、自動化控制、風機盤管和管道閥門管件等組成[15]。

　　(5)水源熱泵機組選型。根據冷熱負荷參數，初步方案擬選用螺桿式水源熱泵機組4臺，其中1臺常溫地源熱泵(冷水)機組(表1，MWH280型)，3臺高溫熱泵機組。(6)系統運行。①冬季:3臺高溫機組工作，1臺常溫機組備用。其中2臺用于供暖，1臺用于提供生活熱水。②夏季:1臺常溫機組空調供冷，1臺高溫機組提供洗浴熱水[16]。③春、秋季節:1臺機組提供洗浴熱水[17-19]。

　　3效益分析

　　(1)費用對比。

　　燃氣鍋爐每年天燃氣使用量129.31萬m3，目前天燃氣費用為4.5元/m3，需燃氣費用581.89萬元。礦井水余熱利用裝置運行后，夏季運行1臺熱泵(冷水)機組(252kW)供澡堂洗浴，每月用電量15萬kWh，按照電費0.62元/kWh計算，電費每月9.3萬元。

　　非采暖期4—11月份合計電費74.4萬元;冬季運行1臺252kW機組、2臺391kW機組，每天實際電量2.1萬kWh，每月電量63萬kWh，電費39.06萬元，采暖期12、1、2、3月份合計電費156.24萬元，全年礦井水余熱利用系統電費消耗230.64萬元。另外，主副井井口電加熱器用電量132萬kWh，電費81.84萬元。礦井水余熱利用、主副井電加熱全年使用電費312.48萬元，較使用天燃氣減少費用269.41萬元。礦井水余熱利用裝置共投入資金721萬元，2.6年即可收回成本。

　　(2)供暖效果對比。

　　采用燃氣鍋爐供暖時，由于冬季是燃氣用量的高峰期，用氣量緊張，燃氣公司實施了限供，從而造成了生活區供暖效果差。礦井水余熱利用系統運行后，能夠連續穩定的進行供暖，效果較好。

　　4結論

　　(1)項目兼顧環境保護和經濟發展需要，根據“節約資源、保護環境、發展經濟”的技改方針，把生產和節能、環保工作有機地結合起來，為企業的長期生存奠定堅實的基礎。

　　(2)利用礦井水余熱替代燃氣鍋爐后，水源熱泵消耗1kW的能量，可產生6kW以上的熱量或冷量，與使用天然氣鍋爐相比，每年可節約運行費用為269萬元。

　　(3)項目實施后，消除了環境大氣和熱污染，水源熱泵機組的運行沒有污染、沒有燃燒、沒有排煙，不產生任何廢棄物，促進了礦區節能環保工作的正常開展。既達到了環保的要求，又節約經濟成本，具有實實在在的經濟效益和社會效益。

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　　摘要：本文主要對礦井“一通三防”管理模式進行探索，并對“一通三防”管理模式的實踐應用進行探討。

　　關鍵詞：實踐應用;管理模式;“一通三防”

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