唐家会煤矿矿井水余热利用技术.pdf

第41卷第1期 建 井 技 术 Vol .41 No .1 2020年 2月 MINE CONSTRUCTION TECHNOLOGYFeb . 2020 技术革新 唐家会煤矿矿井水余热利用技术 张 鹏, 高晓强 淮南矿业集团华兴能源有限责任公司 唐家会煤矿, 内蒙古 鄂尔多斯 017000 摘 要 近几年来, 我国对矿井余热利用技术的研究方兴未艾, 国内一些煤矿企业已开始 着手利用井下余热来达到降本增效、 节能减排的目的。唐家会煤矿井下开采环境特殊, 井下空 气和水中储存了丰富的低温热源, 而且一年四季, 温度基本保持恒定, 形成了储量巨大的可再 生低温热源。该矿利用热泵技术, 回收矿井中水废热; 通过少量的高位电能输入, 将水的温度 提升至4550 ℃后, 通过增压机组, 输送至矿井供热系统, 解决了5 600 kW的供热缺口问题。 同时在非采暖季, 取代燃煤锅炉, 为浴池提供洗浴热水, 做到了节能减排、 绿色环保, 实现了企 业与环境的和谐发展。 关键词 煤矿; 矿井水; 余热利用; 热泵技术 中图分类号TD744 文献标识码B 文章编号1002 - 6029202001 - 0030 - 04 Residual Heat Utilization Technology of Mine Water in Tangjiahui Coal Mine ZHANG Peng,GAO Xiaoqiang Tangjiahui Mine,Huaxing Energy Company Limited,Huainan Mining Group,Ordos 017000,China AbstractIn the recent years,a study on the residual heat utilization technology of a mine in China is rising. Some coal mine enterprises in China began to utilize the residual heat in the underground in or - der to reach the targets of the mine cost reduction,mine efficiency increasing,energy saving and emis - sion reduction. The mining environment in the underground mine of Tangjiahui Coal Mine is special and there are rich low temperature heat sources in the underground air and water. Also in the four sea - sons,the mine temperature basically would keep in constant and thus could the reserves with great renewable low temperature heat sources. A heat pump technology was applied to recover the waste heat from the water in the mine. With a less of the high level electric power,after the wa - ter temperature would be increased to 4550 ℃,the water would be sent to the mine heat supply sys - tem with the application of the supercharger unit and the heat water could solve the shortage problems of 5 600 kW heat supply. Meanwhile in the non heat supply season,the heat water could replace the coal fired boiler and could supply the warm water to the mine bath room. Thus the heat water could make the energy saving and emission reduction,green environment protection and could realize the harmonious development between the enterprise and environment. Key wordscoal mine;mine water;residual heat utilization;heat pump technology 收稿日期2019 - 10 - 12 DOI10 .19458/j .cnki .cn11-2456/td .2020 .01 .007 作者简介 张 鹏1981 , 男, 四川武胜人, 高级工程师。Tel17730175109,E - mailzhp1. 12163. com。通讯作者 高晓强1991 , 男, 山西吕梁人, 助理工程师。Tel15110311382,E - mail15110311382163. com 引用格式 张 鹏, 高晓强.唐家会煤矿矿井水余热利用技术[J].建井技术,2020,411 30 - 33. 0 引 言 与天然气、 石油、 煤等传统的化石能源相比, 地热资源是非常重要的可再生资源[ 1], 具有可就 地取用和清洁、 环保等优势[ 2 - 3]。开发利用地热资 源, 实现节能减排, 对国家经济建设十分重要[ 4 - 9]。 万方数据 第1期 张 鹏, 等 唐家会煤矿矿井水余热利用技术 目前, 地热资源的开发利用已经得到了很多 国家的认可。如新西兰、 日本、 美国、 冰岛等国, 其 大部分大幅度比例尺的基础地质调查工作已基本 完成[ 10 - 12], 对地热资源的评价和商业性勘查取得 了显著成绩[ 13 - 15]。 矿井低温地热资源利用主要有两大类 一是 井下风热, 即巷道风温的利用; 二是井下水热, 即 矿井排水水热资源的利用。在矿井开发过程中, 伴随有矿井水和矿井回风的产生。由于矿井地温 基本恒定, 矿井水和矿井回风的温度全年基本恒 定, 受外界气温的影响很小。可见, 矿井水和矿井 回风是优质且稳定的余热资源。 近几年来, 我国对矿井余热利用技术的研究 方兴未艾, 国内一些煤矿企业已开始着手利用井 下余热来达到降本增效、 节能减排的目的。然而 目前仍有很多矿区没有意识到这一点, 将这种优 质且稳定的余热资源白白散失在外界环境中, 造 成地热资源的严重浪费; 甚至由于乱排放, 不仅使 得周边地区水质遭到严重破坏, 而且还造成了严 重的热污染、 粉尘污染和噪音污染。目前, 我国煤 矿生产中, 排放了大量的矿井水, 矿井水资源化利 用潜在价值是巨大的。但是, 我国目前对矿井排 水的处理、 利用率都不高。据统计, 矿井排水的利 用率仅为43. 8, 井下热水的利用更是微乎其微。 如何经济、 合理、 高效地利用矿井热水资源, 已成 为我国地热资源利用研究的热点问题。 唐家会煤矿井下开采环境特殊, 井下空气和 水中储存了丰富的低温热源, 而且一年四季, 温度 基本保持恒定, 形成了储量巨大的可再生低温热 源。对这一可再生低温热源加以开发利用, 将对 矿井能源结构的调整和绿色生态矿山的建设具有 重要的推动作用。 1 矿井概况 华兴能源有限责任公司唐家会煤矿位于内蒙 古鄂尔多 斯 市 薛 家 湾 镇, 总 体 规 划 面 积35 .11 km2, 资源储量8 .05亿t, 矿井设计生产能力5 .0 Mt/a。2018年8月, 经内蒙古自治区批复, 矿井 生产能力增加至9 .0 Mt/a。 矿井工业场地设计选用SZL10- 2 .45- AⅡ型 蒸汽锅炉3台, 其中2台用于井筒防冻用热,1台 用于浴室用热;SZL14 - 1 .0/115/70 - AⅡ型热水锅 炉2台, 用于矿井及选煤厂采暖用热。这些锅炉 采暖期同时运行; 非采暖期,1台SZL10- 2 .45- A Ⅱ型蒸汽锅炉运行即可。 矿井投产后, 由于煤炭运销的需要, 新建了铁 路储装运系统, 新增5 .6 MW热负荷, 原有燃煤 锅炉供热系统能力不能满足, 需对现有供热系统 进行扩容。 通过调研和方案比选, 确定采用矿井水余热 利用方案来解决供热系统能力不足的问题。 2 矿井水余热利用方案 1 热泵技术 热泵是一种使热量从低位热源流向高位热源 的节能装置。热泵机组中的液态制冷剂, 在蒸发 器中吸收地下水的低品位热能后, 蒸发成低温低 压的气态制冷剂, 被压缩机压缩成高温高压的气 态制冷剂, 进入冷凝器。冷凝器中的高温高压气 态制冷剂经过换热, 将热量传给建筑物循环水 地 热或暖气散热片 后, 冷凝成液态, 重新回到蒸发 器中, 重复吸热、 换热过程。 2 矿井水余热利用 将矿井排水作为热源, 利用热泵技术来提取 矿井水热量, 通过少量的高位电能输入, 将水温提 升至4550 ℃后, 通过增压机组, 输送至矿井供 热系统, 解决5 600 kW的供热缺口问题; 同时在 非采暖季, 取代燃煤锅炉, 为浴池制备洗浴热水, 做到节能减排、 绿色环保, 实现企业与环境的和谐 发展。 3 热负荷分析 根据矿上地质部门提供的资料, 矿井近10年 内, 涌水量均在400 m3/h以上, 日排水量大于 1 .0万m3/d。 根据实测数据, 每年10月15日至次年4月 14日期间, 矿井排水水温为2326 ℃。 1 矿井水热量计算 矿井水水量按照目前最低排水量7 920 m3/ d来考虑。 矿井水热量Q采用热能公式计算 QCM△T 1 式中C为水的比热容, 取 4 .2 kJ/ kg ℃ ;M 为日用水量,7 920 m3/d; △T为水温差,23-8 5 ℃。 经计算,Q498 .96 GJ; 换算成热负荷, 为 498 .961093 6001000241 .25 7 218 .75 kW。 其中1 .25为热泵机组消耗的电能转化为热 能的热能系数。 13 万方数据 建 井 技 术 2020年第41卷 2 非采暖季洗浴供热计算 洗浴所需热水每日共计340 m3, 其中淋浴用 水160 m3, 浴池用水180 m3。根据公共浴室给水 排水设计规程CESC 108∶2000 规定, 考虑管道 及水箱等热损, 淋浴热水温度取42 ℃, 浴池热水 温度取45 ℃, 自来水平均温度取10 ℃。 日洗浴水加热热负荷Q采用式1 计算。经 计算,Q≈47 .96 GJ。洗浴系统主要设备见表 1。 表1 洗浴系统主要设备 序号名 称型号或规格数量备 注 1 热泵机组 WL - 2800S/L2台 共用设备 2 管道泵 Q300 m3/h,H50 m, N37 kW 2台 循环加热泵, 共用设备 3 管道泵 Q50 m3/h,H34 m, N7 .5 kW 2台 淋浴供水泵, 一用一备 4 潜水泵 Q270 m3/h,H28 m, N37 kW 2台 共用设备 5 旋流除砂器 DN2502台 共用设备 6 水处理器 100 L1台 7 清洗装置 1套 8 机房标准化设备 1套 9 消防设施 1套 10 钢板水箱 45 m31个 综上可知, 矿井水可提取的热量为498 .96 GJ, 可提供的热负荷为7 218 .75 kW, 大于采暖季 供热缺口5 600 kW, 可以满足供热扩容需求。非 采暖季, 每日加热340 m3洗浴热水所需的热量为 47 .96 GJ, 热源热量为498 .96 GJ, 远远大于热负 荷。故在非采暖季, 利用热泵机组来制备洗浴热 水完全可行。 4 设备选型 目前, 唐家会煤矿矿井水水量按照目前最 低水 量7 920 m3/d计 算, 可 提 供 的 热 能 为 7 218 .75 kW。按 照 新 增5 600 kW热 负 荷 需 求, 采暖加热机组选用2台制热量为2 800 kW 的热 泵 机 组。因 矿 井 水 氯 离 子 含 量 高 达400 mg /L, 选用污水源热泵机组。采用8 cm厚聚氨 酯0 .5 mm 201不锈钢保温层, 水箱内壁材质 选用耐氯离子腐蚀的材料, 水温≥45 ℃, 水箱高 度为3 m, 承 压 部 位 不 锈 钢 板 厚 度 为1 .5 3 mm, 内部采用多层焊接拉筋, 焊缝要求防腐处 理,24 h满水位温降不超过 3 ℃。聚氨酯保温 层需采用现场整体发泡的形式, 一次成型; 不得 使用其他保温形式, 现场拼装, 避免氯离子过高 而造成腐蚀。 建筑采暖热媒采用50/35 ℃热水, 洗浴采用 4045 ℃热水。系统运行流程如下。 采暖季 在现有的地面污水处理站较大中水 池内, 设潜水泵, 将中水输送至热泵机房, 通过采 暖用热泵机组加热到排放温度后, 返回较小中水 池内。循环水经过热泵机组加热后, 输送至新敷 设的DN400管路; 再经供热系统主干管 新敷设 的DN400管路与矿井供热系统主干管合茬 , 输 送至负荷区。 非采暖季 在现有的地面污水处理站较大中 水池内, 设潜水泵, 将中水输送至热泵机房, 通过 采暖用热泵机组加热到排放温度后, 返回较小中 水池内。循环水经过热泵机组加热后, 输送至室 外45 m3水箱内; 再经给水泵, 输送至新敷设的 DN108管路;DN108管路与浴室供水管合茬, 热 水通过管道, 输送至浴池。 5 采暖季矿井不同供热系统热负荷分配 在热泵机房室外, 敷设DN400供热管道, 与 矿井供热系统主干管合茬, 主要采用直埋局部地 沟敷设; 在1号闸阀井内, 设置联络闸阀。正常运 行时, 热泵机组负责1号闸阀井东边的办公、 生活 区和地面污水处理站、 矿井维修车间、 综采设备库 等处的采暖供热, 原有燃煤锅炉供热系统负责选 煤厂、 铁路储装运系统、 汽车装车站等重点生产车 间及系统的采暖供热。 当热泵机组或燃煤锅炉出现故障而不能运行 时, 打开1号闸阀井联络阀门, 通过正常运行的机 组或燃煤锅炉来对全网供热。 23 万方数据 第1期 张 鹏, 等 唐家会煤矿矿井水余热利用技术 6 效益分析 本项目是利用热泵技术, 回收矿井中水废热, 把废水中的低品位热能转化为高品位热能, 来解 决矿井新增负荷扩容问题, 能切实解决实际问题, 环保效益突出, 经济效益可观, 社会效益显著。 1 环保效益 项目实施后, 可实现废热回收, 变废为宝, 符 合国家循环经济、 节能减排等产业政策和内蒙古 地区转型发展的总体要求。 2 经济效益 项目实施后, 较燃煤锅炉可大幅降低系统运 行成本, 年运行费用可节省约147 .22万元。 经估算, 矿井水余热利用年运行费用约为 236 .17万 元, 包 括 采 暖 季 运 行 电 费 约173 .82 万元、 非采暖季运行电费约34 .35万元、 设备维护 费28万元。 燃煤锅炉年运行费用约为383 .39万元, 包括 采暖季运行费用约295 .3万元、 非采暖季运行费 用约88 .09万元。 参考现有燃煤锅炉运行费用, 矿井采暖季采 用1台20 t/h热水锅炉供热, 日耗煤45 t, 吨煤价 格按200元计算, 实际平均月耗电2 .5万kWh。 经计 算, 燃 煤 费 用 为162万 元, 电 费 约 为7 .5 万元, 锅炉年检及维护费用为25万元, 其他费用 脱硫脱硝等 为90万元, 人工费用为10 .8万元。 矿井非采暖季采用1台10 t/h燃煤锅炉作 为热源, 日耗煤10 t, 吨煤价格按200元计算, 月 耗电1 .67万kWh。经计算, 燃煤费用为37 万元, 电 费 约 为2 .00万 元, 维 护 费 用 为10 .85 万元, 人工费用为30 .24万元。 7 结 语 本项目利用矿井排水作为热源, 利用热泵技 术来提取矿井水热量, 通过少量的高位电能输入, 将水的温度提升至4550 ℃后, 通过增压机组, 输送至矿井供热系统, 可解决5 600 kW的供热 缺口问题; 同时在非采暖季, 可取代燃煤锅炉, 为 浴池制备洗浴热水, 做到节能减排、 绿色环保, 实 现企业与环境的和谐发展。 唐家会煤矿在2018-12-312019-03-20期 间, 通过热泵技术, 采用2台热泵机组, 采暖季2 台机组同时运行, 将矿井水余热充分利用, 为全矿 将近一半范围内的暖气供暖, 可停运1台热水锅 炉; 非采暖季运行1台热泵机组, 取代蒸汽锅炉, 为全矿提供洗浴热水, 实现锅炉全部停运。余热 技术与锅炉的相互配合使用, 大大节约了供暖成 本, 减少了废弃污染物排放。2019 - 03 - 20以后, 余 热利用技术彻底取代了燃煤锅炉, 为矿工浴室提 供45 的洗浴热水; 在冬季, 提供4550 的热水, 为全矿供暖,日常运行2台污水源热泵机组。系 统主要担负单身宿舍楼、 公寓楼、 污水处理站、 矿 井维修车间、 综采设备库、110 kV变电所、 通风机 房等生活、 办公区域供暖及辅助设施供暖任务, 此 部分供暖热负荷合计5 586 kW。系统运行2个 月时间, 供暖效果良好, 每月运行电费34万元;2 个月较电锅炉供暖, 累计节约238万元。该项目 的实施, 解决了矿井新增5 .6 MW热负荷问题, 供暖效果良好, 节能效果显著。 参考文献 [1] 马立新, 田 金.我国地热能开发利用现状与发展[J] .中 国国土资源经济,20069 18 - 21 . [2] 张克冰, 赵素萍, 薛江波.国内外地热资源开发利用的现状 及发展思路[J] .科技与教育,20021 35 - 39 . [3] 陈墨香, 邓 孝.中国地下热水分布之特点及属性[J] .第 四纪研究,19962 131 - 138 . [4] 刘延忠.中国地热资源开发与利用的思考[J] .中国矿业, 2001,105 5 - 9 . [5] 耿莉萍.中国地热资源的地理分布与勘探[J].地质与勘 探,1998,341 50 - 54 . [6] 王宏伟, 李亚峰, 林 豹, 等.地热能在我国的应用[J] .可 再生能源,20025 32 - 34 . [7] 刑忠信, 杨凤仪, 翟立勤.沧州地区地热开发利用规划[J] . 地球学报,2000,212 168 - 170 . [8] 陈墨香, 汪集旸.中国地热资源 形成特点和潜力评估 [M] .北京 科学出版社,1994 . [9] 陈墨香.中国地热资源的分布及其开发利用[J].自然资 源,19915 40 - 46 . [10] 陈墨香, 邓 孝.中国地热学研究之进展[J] .地球科学 中国地质大学学报,19954 367 - 372 . [11] 李晓东.对中低温地热资源开发利用的研究[D] .北京 北京航空航天大学,2003 . [12] 崔 彬, 赵 磊, 刘 众, 等.矿业城市循环经济发展模式 [J] .资源与产业,20036 77 - 78 . [13] 徐俊祥.我国地热资源与可持续开发利用[J] .中国人口 资源与环境,2005,152 139 - 141 . [14] 郑秀华.世界地热资源开发利用现状[J] .探矿工程,2001 1 128 - 131 . [15] 武选民, 柏 琴, 苑慧明, 等.冰岛地热资源开发利用现状 [J] .水文地质工程地质,20075 98 - 102 . 33 万方数据