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乏风余热利用技术在某矿区风井场地的应用

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周新朋

摘要：本文结合某乏风余热利用改造工程，通过对供热现状、余热资源分析、负荷分析、余热利用设备选型等方面进行综合分析，对矿井乏风余热利用技术的应用进行探讨，提供了乏风余热利用技术设计经验，以及良好的节能环保效益。

关键词：矿井乏风;余热利用;直冷式取热乏风热泵;一次能源

1 前言

煤矿矿井乏风风量大，出风温度稳定，相对湿度高，矿井乏风属于较稳定的低温余热资源，可用于矿井风井场地低品位用热需求，如供暖和井口保温等，且这类负荷通常较小。

随着国家和地方环保政策的要求越来越高，矿区既有燃煤锅炉，尤其是10t/h以下的燃煤锅炉逐步淘汰，这就给乏风余热利用技术的应用创造了条件。本文结合某乏风余热利用改造工程，对矿井乏风余热利用技术的应用进行分析，以便对改技术的应用给出可供参考的设计经验。

2 供热现状

本工程风井场地供热负荷主要为场地建筑采暖通风和井筒防冻加热负荷，现状采用燃煤蒸汽锅炉供热方式，锅炉房规模为2×10t/h蒸汽锅炉，受环保政策要求，需拆除既有燃煤锅炉，对现有供热系统进行改造。

3 余热资源分析

风井场地乏风量130m3/s，矿井乏风出风温度10℃，相对湿度60%，比焓21.703kJ/kg，属于低焓乏风，但利用乏风量连续稳定的特点，矿井乏风属于矿区特有的较稳定的低温余热资源。

4 负荷分析

4.1 供热负荷

风井场地总的供热负荷为6102kW，其中供暖负荷1838kW，井筒保温负荷4264kW。

4.2 年供热量

本工程所在地供暖期为144天，采暖室外计算温度为-15℃，供暖期室外平均温度-3.9℃，起始供暖室外温度5℃，供暖室内计算温度为18℃，井口加热混合空气温度2℃。

供暖最大负荷利用小时数为2419.2小时，年供热量16007GJ;井口加热最大负荷利用小时数为1612.8小时，年供热量24757.1GJ。供暖和井口加热系统的年供热量合计40764.1GJ。

5 余热利用设备选型

5.1 直冷式取热乏风热泵技术

本工程采用乏风热泵机组提取乏风余热，供井口加热和供暖系统用热，乏风热泵机组采用“直冷式取热乏风热泵系统”供热技术，采用深焓取热方式，取热过程涵盖干冷区、湿冷区、霜冷区和冰冷区。乏风取热过程在焓湿图上的过程线如图1所示，图中1—2过程为干冷区、2—3过程为湿冷及霜冷区，3—4过程冰冷区。

空气加熱室内的空气状态变化过程如图2所示，图中tw至tr过程为冷空气在空气加热机组内的加热过程，tr至to和tw至to是空气加热机组送出的热风和冷风的混合过程，混合后的空气温度不低于2℃。

5.2乏风余热量计算

（1）乏风余热参数

矿井回风取热前状态参数：温度10℃，相对湿度60%，焓值21.703kJ/kg;

矿井回风取热后状态参数：温度-3℃，相对湿度95%，焓值3.649 kJ/kg;

矿井乏风风量：130m3/s，则矿井回风可利用热量为2910kW。

（2）乏风余热供热能力分析

据（1）可知，风井乏风可利用乏风余热为2910kW。考虑乏风在取热过程中，乏风温暖降低至露点温度（4.606℃）以下后，开始结露结霜，当降低至0～-3℃时，在取热箱的乏风侧换热器表明开始结冰，换热器表面结霜和结冰增大换热热阻，影响去热效果。

经计算，霜冷区和冰冷区的除霜和融冰过程耗热量约300kW，则矿井乏风可利用的净余热量2610kW。

乏风热泵机组实际运行COP约2.8，热泵机组的最大供热能力4060kW。

由于乏风热泵机组供热参数为50/40℃，只能用于井口保温防冻使用。

根据前面的负荷分析，风井场地总热负荷为6102kW，其中井筒保温热负荷4264kW，供暖通风热负荷1838kW，仅靠乏风余热量无法满足场地热负荷需求，供热缺口2042kW，因此尚需设置辅助热源，本技术方案采用乏风热泵机组+电热水锅炉的供热方案。

其中，电热水锅炉承担全部供暖通风热负荷和小部分的井口保温加热负荷，由于两者供热参数不同，需增设板式换热器，满足井口保温热水参数要求。

5.3 装机规模

（1）装机规模

供热方案装机规模如下（水泵、化水、管道等不详列）。

冷式矿井乏风热泵（井口加热）：制热量：1350kW，冷媒R22? P=1.0MPa最大电耗：490kW，380V/50Hz，五线制冷凝侧温度：50/40℃，3台。

电热水锅炉（供暖及井口加热）：制热量1350kW? ?P=1.0MPa 最大电耗：1350kW，380V/3P/50Hz 供回水温度：70/55℃，2台。

板式换热器：热负荷800kW? P=1.0MPa，高温侧70/55℃，低温侧50/40℃，2台。

（2）装机供热能力验算

乏风热泵机组的供热能力：1350×3=4050kW;

电热水锅炉供热能力：1350×2=2700kW;

装机总供热能力：6750kW，满足风井场地供热负荷需求。

其中，井口保温供热能力：1350×3+800=4850kW，满足井筒防冻保温的供热负荷需求;供暖通风系统的供热能力：1350+550=1900kW，满足供暖通风系统的热负荷需求。

综上，本技术方案所选装机规模可满足风井场地的供热需求。

5.4结论

（1）采用乏风热泵技术，充分利用矿井余热资源，最大程度降低一次能源消耗，同燃煤锅炉相比，年节约120万t标煤，年减少烟尘排放量1200万t，年减少NOX排放912万t。

（2）本文给出乏风余热利用技术的设计分析过程，为该技术在同类工程中的应用提供了参考经验。

参考文献

[1]彭兆勇.乏风余热利用工程在刘庄煤矿西区的应用.山西科技，2019（3）：128-132

[2]李建光，陈峰雷等.矿井低焓乏风余热利用技术研究与应用，节能与环保，2015（12）：120-136

[3]颜琳.某矿井乏风热泵系统工程应用.建筑工程技术与设计，2018（6月中）

[4]郭秀锦，周立新，薛希奇等.矿井水、回（乏）风作业工业和民用热（冷）能的可行性分析[J].同煤科技，2013（1）：1-3

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