口孜东煤矿矿井回风冷热一体化利用系统设计与应用.pdf

第52卷第5期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 5 2 , No. 5 doi 10.11799/ce202005010 口孜东煤矿矿井回风冷热一体化 利用系统设计与应用 苏 伟 中煤西安设计工程有限责任公司，陕 西 西 安710054 摘 要 结合口孜东矿井热源改造面临的问题，分析了其工程现状，计算了其实际冷热负荷需 求。结合矿井实际需求，提出了利用矿井回风的冷热一体化利用系统，详细分析了一体化系统的可 行性。描述了系统的方案布置方式，介绍了系统的原理过程，给出了冷热一体化系统的设计流程及 其系统组成方式。最后，分析了该系统带来的有益效果。 关键词关键词矿井回风；热泵；供热；余热利用 中图分类号中图分类号TU831.4 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1671-0959202005-0043-05 Design and application of integrated utilization system of return air cooling and heating in Kouzidong Coal Mine SU WEI China Coal Xi’an Design Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710054, China Abstract The problems faced by the heat source reconstruction of Kouzidong Coal Mine are introduced, its engineering status is analyzed, and the actual cold and heat load demand are calculated. Combining with the actual demand of mine, an integrated utilization system of cold and heat using the return air of mine is proposed, and feasibility of the integrated system is studied in detail. The scheme arrangement of the system is described, the principle and process of the system are introduced, and the design flow and system composition of the cold and hot integrated system are given. Finally, the beneficial effect of the system is analyzed. Keywords mine return air； heat pump； heat supply； waste heat utilization 近年来，国家陆续发布了 大气污染防治行动 计划 打赢蓝天保卫战三年行动计划等政策性 文件，指出了改善环境空气质量和防治大气污染的 发展战略，提出了淘汰每小时10蒸吨及以下燃煤锅 炉的要求，明确了发展清洁供热的方向。为此，从 加强环保、提效减能等方面考虑，必须对煤矿即将 淘汰的燃煤锅炉热源进行合理的替换或改造[|’2]。 口孜东煤矿矿井回风冷热一体化利用系统是为 取代现有4 台 10t/h燃煤蒸汽锅炉而建设，该系统 为中煤集团新集公司首个大型矿井回风余热利用工 程 ，具有绿色清洁节能、污染物零排放等优势。该 工程结合口孜东煤矿内、外部清洁能源现有条件， 对冷、热源及供冷、供热方式进行改造，采取了以 矿井回风换热为热源的热泵系统，电锅炉作为高峰 负荷时的辅助热源，改造后总供热能力为14MW， 供冷能力为6MW。 1工程现状 中煤新集能源股份有限公司口孜东煤矿位于安 徽省阜阳市颍东区，口孜东矿南距县城约20km, 西 至阜阳市40km, 矿井建设规模为5. 00M t/a，配套建 设相同规模的选煤厂。该矿井原有供热热源为场地 自建4x l〇t/h规模燃煤蒸汽锅炉房，由于不满足环 保政策被停用。场地主要热用户为井口防冻、洗浴 收稿日期2019-06-04 作者简介苏 伟 （1 9 8 0 - ,男 ，陕西西安人，高级工程师，注册公用设备工程师（ 暖通空调） ，咨询工程师（ 投 资 ） ，主 要从事暖通空调设计及审查工作，E-mail 47640288。 引用格式苏 伟口孜东煤矿矿井回风冷热一体化利用系统设计与应用[J]煤炭工程，2020, 525 43-47. 43 设计技术煤炭工程2020年 第 5 期 用热和地面建筑中央空调供暖；中央空调原有冷源 为采用燃煤锅炉房提供蒸汽驱动的5. 3MW溴化锂制 冷机房，由于无蒸汽供应而停用。原有冷热媒均通 过室外架空管道输送，冷热媒情况见表1。室外空 气计算参数见表2[3]。 表 1场地内现有用户冷、热媒参数 用户名称冷、热源冷、热媒参数主要末端形式 井口防冻锅炉房0.2MPa饱和蒸汽 自 然 对 流 式 加 热器 洗浴用热锅炉房 0.2MPa饱和蒸汽 /45T 热水 热水箱内汽水加 热器 集中空调供暖空调机房 0.2MPa饱和蒸汽 /3545€ 热水 风机盘管 集中空调供冷空调机房 0.2MPa饱和蒸汽 /712丈冷水 风机盘管 表2室外空气计算参数 季节冬季夏季 供暖室外计算温度/-2.5 - 历年极端气温平均值-9.837.7 通风室外计算温度/丈1.831.3 空调室外计算干球温度/丈-5.235.2 空调室外计算相对湿度/7167 平均风速2.5 2.4 日均彡5 的天数/d71 1 . 1 地面建筑供暖、供冷负荷的确定1 . 1 地面建筑供暖、供冷负荷的确定 根据该矿冷热源实际使用情况统计，通过现场 调研冷、热负荷情况，同时考虑建筑使用功能和末 端供冷、供暖系统状况，经计算得出供暖热负荷需 求为4669kW，供冷冷负荷需求为5800kW。冷热负 荷计算见表3。 表 3供暖、供冷负荷 建筑性质办公公寓合计 供暖面积An2 343704525079620 面积热指标/W_rrT27050- 热负荷/kW240622634669 供冷面积/m2343703125065620 面积冷指标/WtiT2120100- 冷负荷/kW41243125 5437取同时 使用系数0.75 1 . 2 洗浴用热负荷的确定1 . 2 洗浴用热负荷的确定 根据该矿热水实际使用情况统计，每天洗浴用 水总量约为1300m3, 其中900m3 为浴室灯房平分三 班使用、400m3 为 公 寓 24h全天使用。按照上述热 水使用制度，浴室灯房每班使用300m3, 每班热水 可加热时间为6h，即每小时需加热50m3; 公寓为即 时平均用热，每 小 时 需 加 热 17m3。按照用水温度 45尤与给水全年平均水温12丈计算，加热温差为 3 3 1 , 即浴室洗浴用热负荷为1919kW、公寓洗浴用 热为652kW。 1 . 3 井筒防冻热负荷的确定1 . 3 井筒防冻热负荷的确定 为防止冬季井筒及提升设备结冰，保证矿井安 全生产，对井筒进风采取加热措施。根 据 煤炭工 业供暖通风与空气调节设计标准 的规定，按照将 井 筒 335mVs总进风量由室外极端气温平均值- 9. 8 1 加 热 至 2T的要求，计算出井筒防冻热负荷 为 5639kW。 由于规范规定要求的室外计算参数较低，为了 提高热源选型经济性，分析计算不同室外计算温度 对应的热负荷，并按照气象数据集统计的历年持续 时间计算耗热量。则井筒防冻热负荷计算结果见 表 表 4井筒防冻热负荷 时间段 划分 室外温度 取值/T 持续 时间/h 热负荷 /kW 耗热量 /GJ 基础负荷段-2.51704215013189 高峰负荷段-5.212034401486 尖峰负荷段-9.8245639487 2设计方案 2.1余热资源2.1余热资源 按照目前国家相关政策要求，改造后的冷热源 必须使用清洁能源。目前矿井能利用的清洁冷热源 方式主要有天然气锅炉、蓄热电锅炉、太阳能供 热 、井下降温冷凝热回收、洗浴废水热回收、矿井 瓦斯余热利用、矿井回风余热利用、矿井排水余热 利用等。根据现场实地调研，口孜东矿在燃气供应、 电力供应、场地条件、瓦斯稳定性、井下降温冷凝 热 、矿井排水量等方面的内外部资源条件均存在不 足，无法采用，具备实施条件的为矿井回风余热冷 热源一体化利用系统。 口孜东矿开采面深，井型大，通风线路长，为 高温热害矿井。出于安全生产的要求，矿井正常生 产过程中，矿井要不断的向地面连续排出大量稳定 的矿井回风。在冬（ 夏） 季，矿井回风与地面大气存 在温差，回风中蕴藏的大量低温余热（ 冷） 能直接排 放导致大量的低温余热（ 冷） 资源浪费。为此，利用 热泵技术，提取矿井回风流中的能量，作为矿井的 冷热源具备切实的可行性。 为保证回风余热资源计算准确，在 2017年采暖 44 2020年 第 5 期煤炭工程设计技术 25.00 20.00 季的最冷天对该矿回风井风温参数进行了 12h检测， 数据如图1 所示。根 据 图 1 可知，即使在当地气象 参数最冷天，矿井回风温度也稳定在1 8 1 以上，可 以此为基准计算最不利供热工况下的回风余热量， 夏季回风温度参数较为稳定，经测试稳定在28左 右，详细余热余冷计算参数见表5。 成。供热系统主要工艺流程为被热栗机组提取热 量后的5T左右的冷水，进入能量收集系统中的喷 淋换热器，与回风进行热交换，水温上升至17丈左 右，落人能量收集系统中的积水槽后自流进人集水 池，再利用循环水泵输送至机房，经水处理后进人 热杲系统提取热量，提取过热量后的水再重新进入 能量收集系统循环使用，当遇到极寒天气时，启动 辅热系统进行热补充。制冷系统主要工艺流程为 被热泵机组释放热量后的37T左右的冷却水，进人 能量收集系统中的喷淋换热器，与回风进行充分的 循环热交换，温度降低为3 2 1 左右，进人能量收集 系统中的积水槽，自流进人集水池，再利用循环水 栗输送至机房，经水处理后进人热泵系统吸收热量, 吸收热量后的水再重新进人能量收集系统循环使用， 系统内还设有冷却塔作为备用冷却散热设施。系统 内的主要工艺原理如图2 所示，主要工艺流程如图3 所示。 t t t t t t t t t t 扩 散 塔 J 回风换热器 风井 m { 矿 井. 二总回风 主 扇 热交换区 . 汐 汇水池 集水池 图2主要工艺原理图 回风换热器 图3主要工艺流程图 1 建设规模。根据前文的计算结果，考虑到管 网损失系数1 . 1，则回风余热利用系统需要承担的热 负荷为14. 1MW，冷负荷为5.98MW。根据回风余热 量 11.3MW和热泵系统供热C0P为 4 ，计算得知， 回风系统的可供热量为15MW, 可以完全满足热负 荷需求。由于井筒防冻负荷计算依据为当地最低温 度平均值，其最大负荷的持续时间较短，为了提高 经济性降低设备投资，热泵系统按照2x l. 3MW4X 45 监测时间 图 1最不利日12h回风温度参数监测图 表 5最不利回风余热置计算表 参数 风量/ m3 S-1 干球 温度 /X. 相对 湿度 / 绝对含 湿量/ g. kg_ 1 焓值/ kj.kg-1 回风取热前335189011.547.3 回风取热后3356955.419.7 回风放热前33528902284.4 回风放热后335339531.3113.5 回风供吸收热量/kWCxi2-i, 11268.4 回风供排放热量/kWCxi2-i, 11130.0 2. 2回风余热利用系统原理2. 2回风余热利用系统原理 矿井回风热能的利用关键是回风热能的提取, 根据该矿回风的取热焓差计算结果，采用喷淋式换 热热泵技术进行余热利用[5, 6]。该技术通过矿井回风 热交换器在改造后的回风换热塔内造就一个水雾空 间，实现将矿井回风中蕴含冷热能通过喷淋换热方 式迁移到热荥机组的循环水里面，循环水作为热泵 系统的冷热源。冬季制热工况时，热栗系统提取循 环水中的热量，循环水温度降低，降温后的低温冷 水在回风换热器中喷淋吸收回风中的热能，吸收热 能后水温升高返回机组为热泵机组提供热源；夏季 制冷工况时，热泵系统向循环水释放热量，循环水 温度提高，升温后的高温冷却水在回风换热器中向 回风释放热能，释放热能后的水雾降温后返回机组 为热泵系统提供冷源；整个系统如此循环往复。 2 . 3 系统流程设计2 . 3 系统流程设计 回风余热利用工艺由能量收集系统、热栗系统、 辅热系统、热源水及热（ 冷） 水管道系统、井口加热 系统、供配电系统、监控系统及土建配套系统等组 热泵 机组 8 0 o o 5 . 0 . 5 . I. . p/ J f 赛绍 0080 SS 0090 0 9 . S0 8 3 8e o 8 s oso 0000 “e N 8 n n i N ooo s 0061 设计技术 煤炭工程2020年 第 5 期 2. 8MW配置，其供热量为13. 8MW满足全矿高峰供 热需求，另配备0.81MW的电热锅炉作为补充热源 满足尖峰供热需求；热泵系统在夏季投人部分机组 进行制冷工况运行，其供冷能力3X2.0MW满足供 冷需求。 2 能量收集系统。能量收集系统通过回风换热 器提取矿井回风中的热量作为热栗系统的热源。在 回风井扩散塔出风口位置上方新建钢结构平台，平 台上新设钢风道与原扩散塔风道对接，设计采用18 台回风换热器放于风道出口，风道底部设有120m3 取热集水箱。回风换热器单台取热量0.65MW，合 计取热能力为11.7MW。风道及回风换热器全套收 集 系统对矿井现有主通风机增加的风阻不超过 80Pa, 不影响矿井通风系统的正常运行。同时收集 系统安装设备牢固且无电动设备，不影响回风中瓦 斯气体的安全排放及通风系统反风要求，完全满足 回风井口的安全要求。 3 热栗系统。由于业主单位对热泵机组的噪声 和调节性能要求较高，系统选用2 台 1.3MW供热量 的螺杆型热泵机组满足全年全部洗浴用热需求；选 用 4 台 2. 8MW供热量的螺杆型热泵机组满足供暖全 部负荷和井口防冻基本负荷，其 中 3 台机组夏季运 行总供冷量6. 0MW，满足供冷需求。系统通过制冷 工质的相变作用冬季将低温水中的热量转化为5Tt 热水，夏季将12弋冷水降至7T, 供末端设备使用。 在扩散塔附近新建热泵机房一座，建筑轴线尺寸为 35mx21m，内设热杲间、锅炉间、水泵间、低压配 电室，二层设高压配电室、值班室、监控室、备品 备件室，热栗间屋顶布置3 座横流式冷却塔作为备 用冷却装置。 4 补热系统。在热泵机房内设置一台供热量为 0.81MW的电热水锅炉，并配置换热器、水泵等设 备，当遇到极端天气时作为井筒防冻的辅助热源， 保证井口不结冻，确保煤矿的安全生产。 5 井口加热系统。现有井口防冻设备为自然对 流式加热器，在热源改造后已无法满足防冻需求， 应进行拆除改造。设计采用10台强制循环式井口空 气加热机组，为提高混风效果，换热后的空气在井 口房与井筒进风进行混合[7_w]。冬季，机组可保证 井口混风温度大于2T, 满足安全生产要求。夏季， 机组也可作为井口房温度调节设施，改善下井工作 人员等候时的环境条件。主井井口加热室利用原空 气加热室进行扩建，扩建后建筑平面尺寸为21mx 46 11m, 在副井井口房旁新建井口加热室一座，建筑 平面轴线尺寸为24mx6m。 6 室内末端系统。该系统室内空调末端采用原 有空调系统设有的风机盘管末端。 7 水处理系统。包括管道、管件及水处理设 备，喷淋换热回水水处理设备为沉淀水箱、旋流除 砂器，系统循环水水处理设备为钠离子交换器、全 自动过滤器，洗浴热水水处理设备为防结垢硅磷晶 罐等。 3应用效果 该系统经过在口孜东煤矿的实施运行，有效的 解决了燃煤锅炉拆除后的清洁冷热源供应问题，应 用效果较为理想。 1 冷热源均采用清洁能源，符合绿色环保政 策。通过使用热栗技术提取矿井回风余热资源，供 热供冷过程中不消耗任何化石燃料，从根本上取消 了废气、废水、废物的排放，完全符合国家环保和 清洁供暖政策。通过对矿井回风余热资源的使用也 属于矿井资源的综合利用，对矿井绿色矿山建设创 造了条件。 2 矿井回风热资源稳定可靠，确保冷热源安全 生产。冷热源的安全生产影响着矿井的安全生产， 冷热源的可靠供应严重依靠主要燃料的供应。该系 统主要能源来自矿井生产的副产物矿井回风，属于 矿井内部资源。根据矿井生产特性，该资源稳定可 靠 ，避免了外部燃料短缺带来的影响。 3 冷热源一体化设置，技术先进，节约投资。 系统通过设置同一套冷热一体化热杲装置，通过冬 夏季的切换，即可满足口孜东矿的供热、供冷需求。 当井下存在热害时，该系统还可利用井口防冻设备 在夏季制备冷风，降低井下热湿环境。相较于传统 冷热源分别设置的系统，冷热源一体化设备利用率 高，投资降低1500万元[ 11 14]。 4 项目运行后供热及制冷的实测数据见表6。 项目测试基于冬季测试期间矿井排风温度稳定在 18T, 室外空气干球温度5. 5 1 ; 夏季测试期间矿井 排 风 温 度 稳 定 在 2810，夏 季 室 外 空 气 干 球 温 度 35t 0 4成本及效益分析 口孜东煤矿工业场地现有燃煤锅炉房1 座，锅 炉房建有4 台SZL10-1.25-AII型燃煤蒸汽锅炉，及 2020年 第 5 期煤炭工程设计技术 一座2 台 2800kW溴化锂机组制冷机房。项目实施 后采取了规模为2 台 1 . 3MW、4 台 2. 8MW热泵机 组 ，及 1 台 810kW电热水锅炉，并同时可取代原有 的溴化锂制冷机房冷源。项目静态投资5 千万元, 年消耗用电量约为900万kW*h，折 标 煤 约 1100t, 电 气 安 装 容 量 总 计 约 5000kW, 新 增 建 筑 面 积 1200m2, 年能源消耗费用约600万元。项目实施后 每年可减少矿区燃煤蒸汽锅炉燃煤量13512t，减少 烟 尘 排 放 量 422.9t，减 少S02 排 放 53.90t; 减少 NO,排放 22. Olt。 表 6项目实测数据 温度/t相对湿度/ 温度/t相对湿度/ 洗浴水 井口 44-4544-50 522010 空气加热机组 单身公寓261 5051814010风机盘管 办公楼251505181 4010风机盘管 5结 语5结 语 口孜东矿清洁地面冷热源工程，采用了较为先 进的冷热源一体化热泵回收系统，设备通过热栗技 术回收矿井回风热资源，冷热源供应可靠性高。作 为煤矿生产的副产物矿井回风，对其充分、合理、 高效的综合利用是绿色矿山建设内容之一，同样也 只有通过合理利用工艺，才能保证优质资源的高效 利用。该系统的设置符合相关环保、节能政策，对 未来矿井清洁冷热源的设计和绿色矿山建设有一定 的借鉴意义。 参考文献参考文献 [1] GB 502152015,煤炭工业矿井设计规范[S]. [2] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安 全规程2016 [M] . 北京煤炭工业出版社，2016. [3] GB 500192015，工业建筑供暖通风与空气调节设计规范 [S]. [4] GB/T 504662018,煤炭工业供暖通风与空气调节设计规范 [S]. [5] 杨爱芝.煤矿回风热能利用设计[J] . 煤炭工程，2015, 47 1 28-30. [6] 李建光，陈峰雷，蒋正君，等.矿井低焓乏风余热利用技 术研究与应用[J] . 中国煤炭，201512 120-123. [7] 苏 伟 ，焦 春 玲 . 井 筒 防 冻 设 计 体 会 [J ] . 煤炭工程， 2017, 496 6-8, 12 [8] 牛永胜，王建学.朱集西煤矿矿井废热回收利用[J] . 煤矿 安全，2012, 439 194-196. [9] 杨爱芝.煤矿回风热能利用设计[J] . 煤炭工程，2015, 47 I 28-30. [10] 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, 465 24-26. [11] 白延斌.矿井供热热源选择及可再生能源利用对比分析 [J] 煤炭工程，2019, 516 62-65. [12] 罗申国.煤矿井筒防冻燃煤炉清洁能源替代方案[J] . 山东 煤炭科技，20195 74-76. [13] 宋利利.大柳塔煤矿利用回风源热泵进行井筒防冻的实验研 究 [D] . 西安西安建筑科技大学，2016. 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