空气能热水器在煤矿的应用浅析.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０２􀆽 １２ 作者简介朱桂芝１９７４ － ꎬ女ꎬ黑龙江鸡西人ꎬ 工程师ꎬ 从事矿山机电技术管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０５. ０２７ 空气能热水器在煤矿的应用浅析 朱桂芝１ꎬ赵 亮１ꎬ赵杭一涵２ １. 山西煤炭运销集团 长治有限公司ꎬ山西 长治 ０４６０００ꎻ２. 北京师范大学 珠海分校ꎬ广东 珠海 ５１９０００ 摘 要文章通过对空气能热水器和传统取暖设施的优缺点进行比较分析ꎬ从安全、环保、节能、经济、实用 等方面进行综合考虑ꎬ认为空气能热水器是煤矿供暖的最优选择ꎮ 关键词煤矿企业ꎻ空气能热水器ꎻ优缺点分析 中图分类号ＴＨ４５ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００５􀆽 ００５９􀆽 ０３ 供暖是北方冬季非常重要的一项工作ꎬ而对于 煤矿这个特殊的行业则更是必不可少的ꎬ煤矿需要 供热的地方非常多ꎬ冬天到来时ꎬ必须为井上各分散 的生产作业地点和办公场所供暖ꎻ为了防止井口结 冰ꎬ保障井下温度ꎬ主、副井口也必须供热ꎻ职工升井 后要洗澡ꎬ所有澡堂必须时刻有热水ꎻ矿工的衣服需 要定期进行清洗ꎬ洗衣房的热水也必不可少ꎮ 因此ꎬ 对于煤矿企业来说ꎬ只要有生产ꎬ就不能间断供暖ꎬ 而且还要保证全天候的供热ꎮ 传统的供暖主要是依靠锅炉ꎬ而且基本上都是 燃煤锅炉ꎮ 近年来ꎬ由于国家对环保和节能的标准 和要求不断提高ꎬ燃煤锅炉逐步被取缔ꎬ出现了各种 形式的供暖设备ꎬ如燃气锅炉、电加热锅炉、太阳能 热水器和空气能热水器等ꎬ而使用最多最广泛的是 空气能热水器ꎬ它在各种供暖设施中占的比例越来 越高ꎬ由于它具有很多优点ꎬ在煤矿的使用也非常 多ꎮ 通过几年的推广应用ꎬ取得了良好的效果ꎬ得到 了人们的充分肯定ꎮ 本文着重就空气能热水器和其 他供暖设施进行分析比较ꎮ １ 空气能热水器的发展历程和基本原理 １. １ 空气能热水器的发展历程 空气能热水器最初产生于英国、美国、瑞士等西 方发达国家ꎬ在这些国家空气能热水器市场相当成 熟ꎬ占热水器市场的比例高达七成ꎬ其推广使用率也 很高ꎬ欧洲的使用率高达约 ７０％ꎬ日本的使用率则 更高ꎬ将近 ８０％ꎮ 我国从 ２０ 世纪 ５０ 年代开始研 究ꎬ６０ 年代进行应用ꎮ 最早的而且较为成熟的空气 能热水器是山东康特姆公司从澳大利亚引进的ꎬ接 着广东等多地开始进行大规模生产ꎮ ２０１５ 年我国 将空气能热泵列入了“国家重点节能低碳技术推广 目录”ꎬ通过多年不断推广和发展ꎬ普及率在逐年提 高ꎬ而且加工和生产工艺也越来越成熟ꎬ形成了完整 的空气能热水器产业链ꎬ尤其是在广东和江浙一带ꎬ 广东省产量占全国生产量的 ７０％ 以上ꎬ同时ꎬ我国 也逐步成为世界上空气能热水器最大的生产国和出 口国ꎮ １. ２ 空气能热水器的基本原理 空气能热水器是通过电能或燃油机等ꎬ给空气 一定的动能ꎬ将其压缩转变为液体ꎬ从而释放出热 量ꎬ也就是由电能或者化学能转化为动能ꎬ然后再通 过动能将其转化为热能ꎮ 其工作过程正好与液体变 成气体需要吸收热量相反ꎬ是按照“逆卡诺”原理工 作的ꎬ通俗讲就是依靠吸收空气中的热量来加热水 的ꎮ ２ 空气能热水器的组成 空气能热水器的主要组成部分有压缩机、风 机、水泵、冷凝器和热交换装置、储液器、干燥过滤 器、气液分离器、油分离器、四通阀、毛细管、热力膨 胀阀、电子膨胀阀及其他阀类、高压开关、低压开关、 水位开关、水流开关、电加热器、热敏电阻、增焓加热 电磁阀、多路控制电磁阀、控制主板、显示面板等ꎮ 其中制冷四大件是指蒸发器、压缩机、冷凝器和 节流装置四个部件ꎻ稳定三大件是指储液罐压缩 机、膨胀阀毛细管、干燥过滤器过滤水分和杂 质ꎻ除霜一大件是指四通阀ꎮ ３ 传统取暖设施的优缺点分析 ３. １ 燃煤锅炉的优缺点 １ 优点ꎮ 燃煤锅炉最大优点是可以燃用发 热量低、灰分大的劣质煤ꎬ可以为国家节约大量的优 ９５ 问问题题探探讨讨 总第 ２４９ 期 质燃料ꎬ对于煤炭生产企业来说ꎬ燃煤更不是问题ꎻ 其次ꎬ燃煤锅炉技术含量相对较低ꎬ便于维护ꎬ对维 修人员的技术水平相对较低一些ꎻ再则ꎬ由于该种取 暖设备推广应用时间已经很长ꎬ制度和标准完善ꎬ管 理起来相对较容易ꎮ ２ 缺点ꎮ 燃煤锅炉在使用过程中要消耗大 量的煤炭ꎬ同时也会产生大量的废渣和有毒有害的 废气ꎬ会对空气造成很大的污染ꎬ其中 ＣＯ 还会引起 人员中毒ꎬ为了解决这些问题ꎬ需要增加烟气监测、 氮氧化物排放监测装置等ꎬ并要考虑废渣存放处理 等ꎬ需要大量的资金和人员ꎬ基于上述原因ꎬ国家明 确将其强行淘汰ꎮ 另外ꎬ大型燃煤锅炉多为压力锅 炉ꎬ还存在缺水烧干等引发的爆炸事故的风险ꎬ给人 民的生命财产带来很大的威胁ꎬ需要人员时刻盯守ꎬ 以防意外发生ꎻ燃煤锅炉使用过程中还存在工作量 较大的问题ꎬ比如原煤运进和废渣拉出ꎬ需要付出很 大的体力劳动ꎻ维护量也相对较大ꎬ每年甚至每日都 必须进行专门的维护和修理ꎻ同时ꎬ作为一种特种设 备每年还必须对锅炉本体进行内外检、对安全阀、压 力表等关键部件进行定期检测ꎻ对于司炉工还有着 更加严格的特殊要求ꎬ必须进行特殊工种的培训ꎬ否 则不得上岗ꎻ燃煤锅炉的吨位相对都比较大ꎬ占用场 地较大ꎬ基本上都是向所有场所集中供暖ꎬ开炉和停 炉影响面较大ꎬ很难进行选择性地供热ꎬ供暖管路都 比较长ꎬ难以对一些偏远地点供热ꎬ而且热能损耗较 大ꎬ效率较低ꎮ ３. ２ 燃气锅炉的优缺点 １ 优点ꎮ 燃气锅炉使用时清洁环保ꎬ无炉 渣ꎬ少烟雾ꎬ对环境污染相对较小ꎬ可有效改善使用 单位现场环境ꎬ而且人工及水电消耗量很低ꎻ气源可 以利用液态储气罐和管道输送等方式ꎻ使用的是清 洁能源ꎬ燃烧时不会在炉膛内产生烟灰和积尘ꎬ因 此ꎬ其运行寿命比燃煤锅炉要长ꎻ具有结构紧凑、体 积相对较小ꎬ使用安全可靠、操作简便、安装迅速、效 率高等特点ꎻ尾部烟气回收再燃烧和冷凝技术的推 广ꎬ使其热效率大幅度提升ꎬ当排烟温度降低到 ８０ ℃以下时ꎬ其效率可达 ９５％ 以上ꎻ配置技术性能 良好的工业燃烧器ꎬ采用了燃烧自动比例调节ꎬ给水 自动调节ꎬ程序启停ꎬ全自动运行等先进技术ꎬ并具 有高低水位报警和极低水位、超高汽压、熄火等自动 保护功能ꎮ ２ 缺点ꎮ 燃气锅炉用气量较大ꎬ价格不菲ꎬ 成本较高ꎻ供气管路、储气罐、锅炉本体存在燃气泄 漏引发有害气体中毒和爆炸的风险ꎻ部分燃气锅炉 出厂产品不具备设备防爆功能ꎬ存在一定的安全隐 患ꎻ当供水水压不足时容易过热保护ꎻ适用范围有所 限制ꎬ不适合高寒地区和风大场所的使用ꎻ由于技术 较为先进ꎬ多采用自动化控制ꎬ一旦出现故障难以自 行处理ꎬ需专业技术人员进行维修处理ꎻ燃气燃烧会 产生二氧化碳等温室气体ꎬ对气候和环境有一定的 影响ꎻ由于气源供应相对紧张ꎬ局部地区存在气源短 缺或季节性短缺的情况ꎬ存在影响正常使用的因素ꎮ ３. ３ 电加热锅炉的优缺点 １ 优点ꎮ 电锅炉使用的是电力ꎬ所以在操作 过程中非常简单ꎻ电锅炉在运行时非常安静ꎬ没有噪 音污染ꎻ电锅炉安装方便ꎬ占地面积相对较小ꎬ没有 烟囱和燃料的储存堆放ꎻ电锅炉所使用的燃料是电 能ꎬ它具有超清洁环保的特点ꎬ不存在环境污染ꎬ是 目前所有锅炉产品中最为环保的ꎻ电锅炉的热效率 是最高的ꎬ不存在燃料的过度浪费ꎻ电锅炉具有高智 能化的电脑控制柜ꎬ从锅炉启停、运行等一系列的操 作都可实现智能化ꎮ ２ 缺点ꎮ 电锅炉的电耗非常大ꎬ运行成本较 高ꎬ新增时ꎬ有的需要对供电线路和变压器、开关等 设备进行改造ꎬ还必须向电力部门申请增容才能满 足要求ꎬ而增容又是一件牵涉好多企业的事情ꎬ做起 来困难重重ꎻ电锅炉使用电能ꎬ它的供电和控制线路 相对较长较多ꎬ如果维护保养不及时ꎬ极易出现线路 和部件老化ꎬ产生漏电、短路等现象ꎬ甚至发生火灾 和触电伤人事故ꎮ ３. ４ 太阳能热水器的优缺点 １ 优点ꎮ 太阳能热水器不需要其他能源ꎬ节 能高效而且还省钱ꎬ使用时不会对环境造成污染ꎻ由 于不使用电能或者燃气ꎬ就没有触电或者中毒、爆炸 等危险ꎬ所以太阳能热水器的安全性非常高ꎻ太阳能 热水器的使用寿命很长ꎬ若使用合理ꎬ其寿命可长达 １５ ａ 之久ꎻ太阳能热水器的温度稳定性较好ꎮ ２ 缺点ꎮ 太阳能热水器受天气和季节变化 的影响较大ꎬ雨、雪和阴天使用效果差ꎻ目前太阳能 热水器能够服务供暖面积相对较小ꎬ而且太阳能板 安装位置和空间的限制因素也很多ꎬ严重制约了它 的推广应用ꎮ ４ 空气能热水器的优缺点分析 １ 优点ꎮ 空气能热水器是通过介质换热进 行工作的ꎬ它可以克服其他取暖设施上述大部分缺 陷和不足ꎬ它的电加热元件与水是隔离的ꎬ可以有效 避免漏电现象ꎬ也可以防止泄漏有害气体的中毒和 爆炸危险ꎬ非常安全ꎬ消除了锅炉带来的风险ꎬ而且 还可以有效地避免燃煤、燃气锅炉对空气和环境的 污染ꎻ空气能热水器是以空气为主体ꎬ其最大的优点 就是节能ꎬ和电热水器相比ꎬ使用成本只有电热水器 ０６ ２０２０ 年 ５ 月 朱桂芝等空气能热水器在煤矿的应用浅析 第 ２９ 卷第 ５ 期 的 １/４ꎬ和传统的燃气热水器相比ꎬ无须耗用任何燃 料ꎬ使用成本只是燃气热水器的 １/３ꎻ空气能热水器 不需要煤炭、不需要燃气、也不需要阳光ꎬ仅仅需要 很少的电能ꎬ安放位置也没有非常严格的要求ꎬ放在 户内户外都可以ꎬ可以非常方便地根据需要进行集 中布置和零散布置ꎬ它还不需要专门的厂房ꎬ而且使 用非常方便ꎬ可就地取材ꎬ就地产生热量ꎬ只要有空 气ꎬ就可以不受天气阴晴雨雪的的影响而正常工作ꎻ 空气能热水器的使用寿命可以达到 １５ ２０ ａꎬ日常 维护简单ꎬ勿须专人值守ꎬ依靠日常巡检即可ꎬ可以 大大减少人工投入ꎬ降低成本ꎮ ２ 缺点ꎮ 空气能热水器受环境温度的影响 比较大ꎬ当今市场上大部分的空气能热水器设计正 常工作温度在 ０ ４０ ℃ꎬ因此在环境温度比较高的 南方ꎬ使用效果会很好ꎻ而在冬季气温只有 － １０ ℃ 的北方地区ꎬ很难达到设计效果ꎻ当气温为 － ２０ ℃ 及其以下时ꎬ机组甚至无法启动ꎮ ５ 结 语 在我国ꎬ煤炭在一次能源生产结构中长期占比 约７５％ꎬ据２０１９ＢＰ 世界能源统计年鉴数据显示ꎬ ２０１８ 年世界煤炭产量为 ８０. １３ 亿 ｔꎬ其中我国生产 煤炭 ３６. ８ 亿 ｔꎬ约占世界的 ４６％ꎻ由此可见ꎬ煤矿在 我国国民经济的地位还是非常重要的ꎬ而且它数量 众多ꎬ是我国的热能利用大户ꎮ 煤矿既是能源生产基地ꎬ又是能源消耗大户ꎬ同 时又是环保检查的重点单位ꎬ在煤矿既有超大容量 的供电系统ꎬ又有非常严格的供电要求ꎬ同时又有最 严格的安全管理标准ꎻ既有非常大的工业场地ꎬ又有 星罗棋布的供热需求点ꎬ因此在燃煤锅炉淘汰退出 后ꎬ替代供暖设施的选择就非常重要ꎮ 基于对上述 各供暖设施的优缺点分析ꎬ结合煤矿生产实际ꎬ从安 全、环保、节能、经济、实用等方面进行综合考虑ꎬ空 气能热水器是最优选择ꎮ [责任编辑路 方] 􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕 上接第４８ 页工程设计、抽采达标评判和防突措施 效果检验等工作所用的“运到地面的残存瓦斯含 量”、“抽采后的残余瓦斯含量”等概念通常是指“经 过一段时间的瓦斯释放后ꎬ煤块或煤体中残留的瓦 斯”ꎮ 根据煤矿开采的实际情况ꎬ煤块或煤体内含的 瓦斯通过排放、抽采等方式ꎬ经过一段时间的释放 后ꎬ其残留的瓦斯含量应该包括受采动影响后邻近 煤层的残留量、开采煤层的残留量、抽采后的残留 量ꎬ以及解吸法测定的残留量等ꎬ随着煤炭的开采与 瓦斯抽采作业的实施ꎬ与原始状态下的煤层瓦斯赋 存条件相比ꎬ将处于一个动态的状态ꎬ实际上就是常 用的“残余瓦斯含量”ꎮ 因此建议将类似的概念统 一定义为“残余瓦斯含量”ꎬ是一个动态的概念ꎮ ２ 抽采达标评判、防突措施效果检验等工作 常用的“煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量”和 “常压不可解吸瓦斯量”ꎬ通常是相对固定的值ꎮ 建 议把“煤在标准大气压力下的残存瓦斯含量”和“常 压不可解吸瓦斯量”统一定义为“残存瓦斯含量”ꎬ 实际上属于“残余瓦斯含量”的一部分ꎮ ２. ２ 关于实际应用的建议 １ 按照上述建议明确定义后ꎬ瓦斯涌出量预 测、抽采工程设计用到的“残余瓦斯含量”应当根据 实际情况进行考察确定经验值ꎬ不能一概而论ꎬ每次 应用时应当明确其“动态”条件ꎬ比如在某种采掘 条件下运到地面后的残余瓦斯含量、采落后 ２ 个小 时的残余瓦斯含量、经过抽采后的残余瓦斯含量等 等ꎮ 建议科研单位、煤矿企业在实际应用过程中ꎬ不 能死板硬套、拿来就用ꎬ应当根据开采条件、采掘方 式、运输时间、瓦斯治理方式等情况ꎬ对涉及的矿区 或矿井、煤层、区域的动态“残余瓦斯含量”进行统 计分析ꎬ考察确定合理的取值ꎮ ２ 残存瓦斯含量应当采用“公式计算”和“实 测”两种方式进行对比分析ꎬ根据采掘区域变化等情 况不定期更新取值ꎬ使得瓦斯含量结果尽可能准确、 可靠ꎮ 通过以上分析可以看出ꎬ目前我国在关于煤层 残存瓦斯含量和残余瓦斯含量的定义、测定及应用 中还存在一些不够统一规范、不够科学合理的问题ꎬ 这将影响到矿井相关设计、安全生产管理、瓦斯防治 科技攻关应用等多个环节的准确性与可靠性ꎮ 因 此ꎬ在煤层残存瓦斯含量和残余瓦斯含量的定义和 应用管理方面ꎬ建议将现行的动态的“煤层残存瓦斯 含量”和“残余瓦斯含量”统一定义为“残余瓦斯含 量”ꎬ是一个动态的概念ꎬ并根据实际情况考察确定 更合理的取值ꎻ把“煤在标准大气压力下的残存瓦斯 含量”和“常压不可解吸瓦斯量”统一定义为“残存 瓦斯含量”ꎬ通常为相对固定值ꎬ实际上属于“残余 瓦斯含量”的一部分ꎬ同时应当结合实测进行对比分 析ꎬ根据变化不定期更新取值ꎮ 希望能修订、完善相 应的标准规范体系ꎬ为我国煤矿的下转第 ７８ 页 １６ ２０２０ 年 ５ 月 朱桂芝等空气能热水器在煤矿的应用浅析 第 ２９ 卷第 ５ 期