神华宁煤集团双马煤矿可再生能源利用系统设计方案探讨

摘要：能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。本文是作者结合自身所做过的具体工程项目，对双马煤矿可再生能源利用系统设计方案进行的具体的探讨。

关键词：热能资源 设计方案 矿井排水

1、可再生能源利用工程实施的必要性

当前，我国实现节能减排目标面临的形势十分严峻。2006年以来，全国上下加强了节能减排工作，国务院了加强节能工作的决定，制定了促进节能减排的一系列政策措施，各地区、各部门相继做出了工作部署，节能减排工作取得了积极进展。

同时，只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要。已成为中国乃至世界经济可持续发展主要瓶颈，“节能减排”已成为人类生存与发展首要命题，成为各国政府、企业、公民共同的责任与使命。

煤矿企业不仅要承担科学进步、技术发展为社会贡献产品与服务，支撑国民经济发展的重任，还要承担节能环保、造福子孙的社会责任。

2、资源分析与能力测评

2.1 双马矿现有的可利用的低位热能资源

2.2 可提取的热量计算

（1）空气热源热泵回收矿井排风热量：

2.4 资源能力评测

在矿井排风与排水中提取的总热量可形成的供热能力为12016.1kW，井筒防冻与矿井行政、福利建筑（除门卫室、井口等候室、生产救护楼外）的采暖的热负荷需求共11273kW，从矿井排风与排水中提取的总热量是可以满足热负荷需求的。

3、工艺设计方案概要

3.1 技术方案的说明

矿井排风资源最稳定，冬季温度稳定在15℃，四季不停，可考虑优先利用。矿井排水资源蕴含的余热资源的量最大，但有时不连续。因此，技术方案考虑资源利用次序，优先使用矿井排风，再利用矿井排水。即：在经济可靠的前提下最大限度提取利用矿井排风资源，采取的方式为空气源热泵的方式。提取的热量应用于井口的保温。一方面有利于矿井余热排风资源的常年利用，另一方面有力提高设备的利用率。在排风资源用尽的条件下，使用矿井排水资源，采取的方式为水源热泵的方式。

3.2 热泵系统设计参数

水源热泵机组：（1）机组制热工况：冷冻水进出水温度18/5℃，冷却水进出水温度45/50℃；（2）电源：三项五线制380V～50Hz；（3）机组安全保护功能：高低压、断水、防冻、压机过载等。

空气源热泵机组：（1）机组制热工况：蒸发器进出空气温度15/9℃，冷却水进出水温度45/50℃；（2）电源：三项五线制380V～50Hz；（3）机组安全保护功能：高低压、断水、防冻、压机过载等。

3.3 主要设备选型与分配

根据双马矿冬季用热负荷计算结果，考虑冬季机组互为备用的安全性，选择规格适宜的热泵机组，以上述的技术路线作为指导完成机组的选型设计。

制热工况：（1）水源热泵机组：冷冻水进水温度18℃，冷冻水出水温度5℃；冷却水进水温度45℃，冷却水出水温度50℃。（2）FS-S-R-500*3：空气侧入口温度15℃，相对湿度90%；出口温度9℃，湿度100%，供、回水温度45～50℃。

机组可随负荷变化自动调节运行，并具备全面的安全保护功能。

热水管网将热媒输送到主井、副井井口，利用9台清华同方的立式空调机组加热井口的空气，单台空调机组的设计风量为70000m3/h。井口热风幕及其周边小型办公、生产建筑部分末端采暖（散热器）系统采用风机盘管。

3.4 系统布局

在锅炉房旁边建立热泵机房一处。内设空气源热泵FS-S-R-500*3型机组2台，水源热泵SGHP1600MⅡ型机组5台，辅属设备（循环泵、补水泵及其定压装置、水处理设备、配套的电器、控制系统、井口温度、风速、风量监测系统等等；在井口的排风口建设热量回收装置；污水泵、水处理、保温给水水箱、补水箱、配套的电器）及其配电、自控监视系统等。

3.5 系统造价估算

热泵系统造价估算合计为1886.09万元（不含外网及机房土建费）。

3.6 运行费用分析

根据以上分析，系统采暖与井筒防冻在冬季运行，运行时间为152天，每天运行24小时。用电取费0.6元/kwh。根据该项目的设备选型，统一计算运行费用。

3.7 节能减排效益

本方案采用的水源与空气源热泵系统相结合的供热技术，综合利用矿井排风、排水资源，属于可再生能源综合利用，运行费用与常规方式相比更低，环保节能，符合国务院关于加强节能工作的决定

本工程实施后运行时完全可取代锅炉房，减少煤场、灰场的堆放，减少工业广场的直接污染，将极大改善厂区生产环境，有利于建设无污染、清洁、文明花园式的厂区文化建设。采用可再生能源利用系统回收矿井排风、排水低温余热为矿区供热，与燃煤锅炉房相比，每年可节约标准煤11761.8吨，减少CO2排放30815.9吨，减少粉尘排放129.2吨，减少CO排放16.3吨，减少SO2排放99.9吨，减少NOX排放87吨，减少H2S排放5.8吨。

4、工艺设计方案探讨

煤矿可再生能源利用技术的应用对矿区的节能环保具有较高的经济效益，尤其具有重大的社会效益。不仅能给煤矿企业带来实实在在的节能减排效果，为子孙后代造福，而且有利于改变煤矿企业脏乱差的形象。

针对空气热源、热水水源热泵工艺设备的技术特点，结合煤矿企业的行业特征，在以下几个方面必须慎重考虑，确保本矿可再生能源利用技术方案顺利实施，发挥最大效能。

（1）关于空气源热泵的阻力损失的问题：要根据系统配置，详细计算整个空气源热泵系统的压损的，比如末端风机盘管的压损、管道的压损、空气源热泵主机的压损，保证经济合理安全运行。（2）普通矿井排风口改造：应用空气源热泵需要对原有风口进行改造：原有的排风口二合一，并需要加高、加固，在其上部安装空气源热泵的蒸发器。（3）关于矿井排风中含有煤粉（尘）、煤粒的问题：必须采取两道除尘、一道清洗工艺及扩大换热器翅片间距：在风道的合适位置设置三个波的波纹板，为第一道除尘，去除粒径较大的煤粒；蒸发器本身带有的除尘网为第二道除尘，去除较小的煤粉尘。由于矿井排风的相对湿度较大，提取余热量的过程相当于降温除湿工艺，因此过程中将凝结大量的水，对蒸发器的表面具有冲洗自洁的功能；同时可用高压水枪定期清尘。加大换热器翅片间距，使煤粉不能再翅片间停留，从而减少了矿井排风中的煤粉（尘）、煤粒对换热过程的影响。（4）空气源热泵的蒸发器及波纹挡尘板对排风风压的影响：加蒸发器与挡尘板后的阻力损失大小与排风的风速有关，一般与风速的2次方成正比关系。并且蒸发器的翅片管与挡尘板无方向性，即风机正转与反转时产生的阻力相同，仅与风速有关，与方向无关。（5）矿井排水体制对水源热泵系统的影响：在使用排水资源时，必须考虑矿井水在排出时躲避用电高峰，将造成排水不连续。要充分利用矿井排水处理站的调序容量，尽量保证机组运行的连续性。（6）矿井排水水质对水源热泵系统的影响：水源热泵从新建污矿井排水处理站中间水池取水。中间水池的矿井排水的水已经相当清洁，但是，双马煤矿的矿井排水系高矿化度的苦咸水。根据水质化验结果，双马煤矿的矿井排水Cl-含量达3257.86mg/L，SO42-含量达4985.51mg/L，HCO3-含量达164.75mg/L，固溶物含量达12686.06mg/L，CO32-含量达45.02mg/LpH为8.93，水温为18℃。由于矿井水中CL-、Ca2-、Mg2-以及矿化度浓度高于机组水源侧水质要求，必然对水源热泵的换热器的正常换热造成影响，必须要有处污、过滤的装置，还需在矿井水进入热泵机组前加装一套紫铜列管换热器，提高机组的使用寿命。（7）热交换设备的选型注意事项：矿井排水经过经过许宁沉淀和过滤之后的水已经相当清洁，但仍有导致系统结垢的钙等物质存在。井下涌水中如果用传统换热器一旦结垢，将堵塞设备，导致系统无法运行。为了解决这个问题，应采用列管式壳管换热器。由于矿井水中CL-、Ca2-、Mg2-以及矿化度浓度较高，采用常规材质的换热器，易被腐蚀。而紫铜就是工业纯铜，其熔点为1083℃，无同素异构转变，相对密度为8.9，为镁的五倍。比普通钢还重约15%。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）、碱、盐溶液及多种有机酸（醋酸、柠檬酸）中，有良好的耐蚀性，用于化学工业。另外，紫铜有良好的焊接性，可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。该换热器为管式换热器的一种。主要由许多管子所组成的管束构成。管束的两端分别固定在两块花板上，并安放在一个圆筒形的壳体内。进行热交换时，井下涌水流体流经管内，水源侧循环水在器壳与管子间流动。当管内的流体一次通过所有管子直接流出时，称做单程列管式换热器。为了提高换热效率，在管间装置挡板以提高管间流体的流速。操作时，外壳与管子因其温度有差异而发生不同程度的热膨胀。（8）矿井水源热泵系统与矿井水处理站的协调问题：根据矿区目前用水的紧张情况及水质条件，矿井水不得外排，处理后主要用途为地面生产生活用水、井下消防洒水、采煤机冷却及喷雾用水、地面防尘用水、地面防灭火及黄泥灌浆用水、选煤厂洗选用水等，其中大部分矿井排水经过反应絮凝沉淀过滤处理后，还需要进行反渗透深度脱盐处理。水源热泵系统提取矿井排水的热量后，必然减低进入反渗透机组的水温，导致反渗透机组产水量下降，甚至不能正常工作。因此水源热泵协调与矿井水处理站各取多少负荷，应根据矿区水热负荷需求，进行经济技术综合比较后确定。

该换热器换热原理图如下：

5、结语

可再生能源利用技术是煤矿企业节能减排的最佳出路，必将得到大力推广。该技术既能给企业带来可观的经济效益，同时也是企业的社会责任。企业健康和谐的发展，是国家强盛造福子孙的目标。但是，煤矿企业可供回收利用的资源不仅仅只有热能，还有废水、瓦斯、矸石等可以回收利用的资源。因此，在建设可再生能源利用工程时，应将整个矿区统筹规划，合理分配，准确决策。大力推广可再生能源利用技术，煤矿企业则无旁贷。大力推广可再生能源利用技术，煤矿企业才能健康发展。