煤矿风井采用余热供热系统分析

收稿日期：２０１８?０５?
０４作者简介：刘娟娟（１９８５－），女，山西泽州人，硕士，工程师，从事机电节能减排技术的研究及管理工作。

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２７９８．２０１８．０９．０４４
煤矿风井采用余热供热系统分析
刘娟娟
（潞安矿业集团有限责任公司，山西长治　０４６２０４）
摘　要：基于国家节能减排政策要求，煤矿风井位于自然保护区实验区范围内禁止新增燃煤锅炉，新建风井供热系统使用清洁能源势在必行。

文章结合某新建风井，充分利用空压机余热和回风余热，分别计算风井的供热负荷、余热资源量和运行费用，结果表明余热资源可满足风井的供热需求。

余热供热系统运行费用同燃煤蒸汽锅炉相当，仅为燃气蒸汽锅炉的二分之一，电蒸汽锅炉的三分之一，这对煤矿的绿色可持续发展具有积极作用。

关键词：余热；回风；空压机；热泵；绿色环保
中图分类号：ＴＵ９９５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５?２７９８（２０１８）０９?０１０２?
０３ 煤矿是煤炭生产企业，也是煤炭消耗单位。

近年来，随着节能环保力度的加大和节能减排观念的深入，传统燃煤锅炉供热系统已经不能满足煤矿的绿色低碳发展，寻找清洁能源替代燃煤锅炉供热系统迫在眉睫。

本文以潞安集团潞宁煤矿为研究对象，分析余热供热系统在煤矿风井中的应用。

潞宁煤矿位于宁武煤田中部，距宁武县城约４２ｋｍ，是一座年核定生产能力为１８０万ｔ的精干高效矿井。

潞宁煤矿现有通风系统为三进一回，即主斜井、副斜井、进风斜井和回风井。

随着矿井生产接续和井下开采水平的延深，同时满足安全生产要求，必须新建西扩区进、回风井来解决矿井深部三二采区、三三采区、二三和二四采区通风问题。

潞宁煤矿又地处芦芽山自然保护区实验区范围内，根据环境保护相关规定，禁止新建燃煤锅炉供热系统，因此，西扩区风井使用清洁绿色供热系统势在必行。

１　主要内容
西扩区风井供热系统主要满足：①冬季地面建
筑１２００ｍ２
供暖，保证室内温度不低于１８℃；②冬季井口防冻，保证井筒温度不低于２℃，井口和井筒无结冰。

煤矿可利用的余热资源主要有矿井回风、矿井涌水、空压机、瓦斯发电、瓦斯抽放泵、洗浴排水和空气源等。

对于西扩区风井来说，可利用的余热
资源有矿井回风、空压机、空气源［１］。

在有可利用的余热资源情况下，不考虑使用空气源。

通过下面
计算，矿井回风余热量和空压机余热量可满足西扩区风井供热需求。

１．１　供热负荷
１．１．１　建筑供暖
西扩区风井总占地面积约１００００ｍ２
，地面建筑
占地面积约２７００ｍ２，其中１２００ｍ２
需要冬季供暖，
供暖负荷为Ｑ１１＝
１２８ｋＷ。

根据煤炭行业和国家规范，采用建筑体积负荷指标法计算西扩区风井地面建筑供暖负荷。

公式如下：
Ｑ１１＝Ｖδ（ｔｎ－ｔｗ
）ζ／１０００其中：Ｑ１１为地面建筑供暖负荷，
ｋＷ；Ｖ为地面建筑采暖体积，约５１００ｍ３
；δ
为维护结构体积传热综合系数，取值０．６５Ｗ／（ｍ３
·℃）；ｔｎ为采暖期室内温度，１８℃；ｔｗ为采暖期室外平均温度，－１７℃；ζ为散热损失系数，１．１。

１．１．２　井口防冻
西扩区进风井通风容易期进风量为１５０ｍ３
／ｓ，
通风困难期进风量为３００ｍ３
／ｓ。

通过计算，井口防冻在通风容易期和通风困难期所需要的供热负荷分别为５１４１ｋＷ和１０２８２ｋＷ，采用的计算公式如下：
Ｑ１１＝ｖ１ｃρ１（ｔｓ－ｔｚ
）ｋ其中：Ｑｄ为进风井井口防冻所需供热负荷，ｋＷ；ｖ１为进风井的进风量，１５０ｍ３
／ｓ或者３００ｍ３／ｓ；ｃ为设计温度下进风井的空气比热，１．０１ｋＪ／ｋｇ·℃；ρ１为设计温度下进风井的空气密度，１．２８２４ｋｇ／ｍ３；ｔｓ为进风井设计温度，２℃；ｔｚ为
冬季进风井防冻最低平均温度，
－２３．２℃；ｋ为管网热损失系数，１．０５。

经过上面两部分计算可知，西扩区风井总供热负荷在通风容易期和通风困难期分别为Ｑ１ｒ＝５２６９ｋＷ和Ｑ１ｋ＝１０４１０ｋＷ。

１．２　余热资源量
２
０１　
１．２．１　回风余热量
地球内部蕴含丰富的地热能。

煤矿通风系统在运行过程中，会产生大量回风，一方面回风通过巷道，同巷道发生热湿交换，另一方面，井下大型设备很多，工作时产生的热量也都散入回风中。

回风中包含大量热能，通过热泵系统可回收利用回风余
热［２］。

根据调查西扩区风井工业场地现场情况，风
井通风容易期回风量为１５０ｍ３
／ｓ，回风温度７℃，相
对湿度８
０％，通风困难期回风量为３００ｍ３
／ｓ，回风温度１０℃，相对湿度８０％。

经过计算，回风热泵系统供热能力在通风容易期和困难期分别为
５３６５．５ｋＷ、１１９１７．５ｋＷ。

使用的计算公式如下：
Ｑ＇２１＝
ｖ２ρ１［（ｈ１－ｈ２）＋εｃ（ｔ２－ｔ３）］Ｑ２１＝（１＋１ＣＯＰ－１）Ｑ＇
２
１
表１　参数说明及结果
序号符号
内容
结果
容易期困难期１Ｑ＇
２１
回风中提取热量／ｋＷ
３５７７７９４５１．１ｖ２回风量／（ｍ３·ｓ－１
）１５０３００１．２ｔ１取热前回风温度／℃
７１０１．３ＲＨ
取热前回风相对湿度／％８０８０１．４ｈ１取热前回风焓值／（ｋＪ·ｋｇ－１
）２１．０９２７．３５１．５ρ１取热前回风密度／（ｋｇ·ｍ－３）
１．１３８１．１２３３１．６ｔ２结霜点回风温度／℃
３３１．７ｈ２结霜点乏风焓值／（ｋＪ·ｋｇ－１
）
１５．５９１５．５９１．８ｔ３取热后回风温度／℃
－１４－１０１．９ｃ回风定压比热容／ｋＪ（ｋｇ·℃－１）
１．０１１．０１１．１０ε融霜系数
０．９０．９２Ｑ＇２１热泵功率／ｋＷ１７８８．５３９７２．５２．１ＣＯＰ热泵制热能效比／３３３
Ｑ２１
回风热泵供热能力／ｋＷ
５３６５．５
１１９１７．５
１．２．２　空压机余热量
西扩区风井配套建设３台ＢＨＥ３００Ｌ型固定式风冷型螺杆空气压缩机，两用一备，装机容量３×２００ｋＷ，平均加载率９５％。

经过下式计算，空压机可利用的余热量为２６６ｋＷ。

其中：Ｑ２１为空压机余热量，ｋＷ；ｎ为日常运行台数，台；α为平均加载率，９５％；β为可回收的热效率，７０％。

经过以上两部分计算可知，西扩区风井总可回收余热资源量在通风容易期和通风困难期分别为Ｑ２ｒ＝５６３１．５ｋＷ和Ｑ２ｋ＝１２１８３．５ｋＷ。

１．３　供需平衡分析
经过分别计算西扩区风井需要的供热负荷和可回收利用的余热资源量，不管在通风容易期还是通风困难期，供热负荷均小于余热资源量，即Ｑ１＜Ｑ２，可满足西扩区风井供热需求。

２　效益分析
根据西扩区风井供热负荷分布地点，供热系统
由建筑供暖和风井防冻两个独立供热系统构成。

空压机余热为建筑供暖供热系统提供热源，回风余热为风井防冻供热系统提供热源。

供热系统新增能耗
主要为电能，运行时间约１
５０ｄ。

２．１　能耗分析
建筑供暖供热系统新增耗能设备２台３ｋＷ热水循环泵，一用一备，经过计算其供热期电耗为１．０８万ｋＷ·ｈ。

回风余热供热系统新增耗能设备９台３８７ｋＷ乏风热泵、３台７５ｋＷ热水循环泵（两用一备）和１６台３．３３ｋＷ空气加热机组，在通风容易期分别运行４．５台、１台和８台，通风困难期运行９台、２台和１６台，其中供热期热泵平均负荷系数为０．５１，空气加热机组运行时间约３６０ｈ。

经过计算，回风余热供热系统在通风容易期电耗为３４７．７０万ｋＷ·ｈ，在通风困难期电耗为６９５．４０万ｋＷ·ｈ。

综上，供热系统新增电能在通风容易期电耗为３４８．７８万ｋＷ·ｈ，在通风困难期电耗为６９９．４８万ｋＷ·ｈ。

２．２　经济分析
供热系统运行费用主要包括能源费用、管理费用和设备维护费用。

能源费用即电费按当地电价０．６８元／ｋＷ·ｈ计算，供热系统能源费用在通风容易期和困难期分别为２３７．１７万元、４７５．６５万元。

管理费用主要是供热系统运行管理人员工资福
利，按配置３人，供热期间３万元／人考虑，管理费用为９万元。

设备维护费用根据以往经验按总投资的２％计
３
０１
算。

供热系统工程总价为１９００万元，每年设备维护费用在通风容易期和困难期分别为３８万元、７６万元。

综上，供热系统每年运行费用在通风容易期为２８４．１７万元，在通风困难期为５６０．６５万元。

３　结　语
１）　西扩区风井采用余热供热系统，运行费用同燃煤蒸汽锅炉相当，是燃气蒸汽锅炉的二分之一，是电蒸汽锅炉的三分之一。

未新增大气污染物排放，减排效果明显，同时提供工人工作环境。

２）　充分利用西扩区风井范围内自身可再生余热资源建设供热系统，实现风井绿色生态，节能增效可持续发展，很大程度上较少能源消耗，新增能耗较少。

３）　同国家节能减排政策要求一致，为实施单位带来经济效益、环境效益和社会效益。

参考文献：
［１］　徐广才，陈　炬，朱　杰，等．浅谈煤矿余热资源的利用［Ｊ］．煤炭工程，２０１０（９）：９８－９９．
［２］　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，２０１５，４１（１２）：１２０－
１２３．
［责任编辑：王伟瑾］
（上接第１０１页）排风量约２５９５６ｍ３／ｍｉｎ，总回风量２５１４３ｍ３／ｍｉｎ，负压３０９０Ｐａ，中央井区绝对瓦斯涌出量２０４ｍ３／ｍｉｎ，其中风排瓦斯涌出量为８２ｍ３／ｍｉｎ，古城煤矿瓦斯抽采数据如表１所示。

表１　古城煤矿瓦斯抽采数据
项目浓度／％
混合流量／
（ｍ３·ｍｉｎ－１）
纯流量／
（ｍ３·ｍｉｎ－１）
泵站高负压１号管路２４．９５６７．４０１６．８８高负压２号管路３３．６８２２９．０９７７．２９低负压５．８９４６９．８３２７．７２
主扇乏风０．３２５２５１５６８１．７６
合　计２０３．６５
将古城煤矿抽排瓦斯进行掺混，掺混后浓度以０．９％，则可得０．９％浓度瓦斯２０７２２．６９ｍ３／ｍｉｎ，３．３　乏风氧化装置热量利用计算
１）　掺混瓦斯总量
利用十字交叉法对掺混瓦斯进行计算，古城煤矿泵站抽放瓦斯与乏风进行掺混后可得浓度为０．９％瓦斯２０７２２．６９ｍ３／ｍｉｎ。

２）　氧化总热量
Ｑ＝２０７２２．６９×０．９％Ｑ
Ｃ
ｎ
＝６３６０．７ＭＪ／ｍｉｎ
式中：Ｑ
Ｃ为ＣＨ
４
燃烧的热值，３５．９ＭＪ／ｈ，ｎ为
ＣＨ
４
氧化率，９５％
３）　排气带出温度
Ｑ＇
１＝２０７２２．６９×ρＣΔ
ｔ
＝１２００ＭＪ／ｍｉｎ
式中：ρ为乏风密度，１．２９ｋｇ／ｍ３，Ｃ为乏风的比
热容，１．０ＫＪ／（ｋｇ·℃）；Δ
ｔ为进气、排气温差，
４０℃。

４）　氧化装置自身散失热量
Ｑ＇
１
＝５％×Ｑ
＝３１８ＭＪ／ｍｉｎ
式中设定热量散失比例为５％。

５）　利用热量
ΔＱ＝Ｑ－Ｑ＇１－Ｑ＇２
＝４８４２．７ＭＪ／ｍｉｎ
将古城矿抽排瓦斯及乏风掺混为０．９％的低浓
度瓦斯后进行氧化后可产生蒸汽量为：
ｑ＝［
ΔＱ
（Ｈ
１
－Ｈ
２
）
］／１０００
＝１５９ｔ／ｍｉｎ
式中：蒸汽温度３４０℃、压力１．３ＭＰａ，蒸汽比
焓Ｈ
１
为３．１３ｋＪ／ｋｇ，补给水比焓Ｈ
２
为０．０８４ｋＪ／ｋｇ。

根据《古城矿井初步设计》，古城煤矿副井工业
场地夏季最大热负荷为１２１４５ｋＷ，冬季最大热负荷
为４５３７３．４ｋＷ。

其中，井筒保温热负荷为１４ＭＷ。

４　结　语
古城煤矿掺混后浓度为０．９％瓦斯量为
２０７２２．６９ｍ３／ｍｉｎ，单台乏风氧化装置处理乏风流
量为１５００标准ｍ３／ｍｉｎ，安装１４台乏风氧化装置便
可将掺混后乏风全部利用，每分钟可产生蒸汽１５９ｔ，
根据１ｔ／ｈ＝７２０ｋＷ，乏风氧化供热完全可以满足古
城煤矿供热需求。

［责任编辑：王伟瑾］
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