矿井地热利用与降温技术的综合研究与应用

1.前言大多数矿井在开采过程中,都要涌出一定量的矿井废水(简称“矿井水”),这部分矿井水一年四季温度恒定,水量随着矿井生产规模的不断扩大和开采时间的增长会逐步增大,是一种稳定的、可利用价值很高的冷热源,是从水中提取热能和往水中释放热能的理想环境,最适合应用水源热泵空调。

但多数矿井都忽视矿井水的利用价值,其中的热能往往随矿井水的排放而流失,造成热源的浪费。

山东新矿集团协庄煤矿与清华同方人工环境有限公司协作,将矿井水的能量利用与井下采掘工作面降温技术综合起来研究,在全国煤炭行业率先利用水源热泵空调技术这一国内成熟技术,实现了矿井水与本矿副立井井口进风流之间的热量转换,达到了对矿井进风流升温或降温的目的,取得了显著的经济效益和社会效益。

2.基本原理2.1冬季制热通过水源热泵空调机组将矿井水中的部分热量提取出来,再通过末端送风设备把热量传递出去,以消耗少量的电能,完成从低品位热能向高品位热能的转移,来取代传统的燃煤锅炉,为矿井井口实施供暖,保证井口处的空气温度始终保持在2℃以上,符合《煤矿安全规程》的要求,杜绝井筒内出现结冰现象,确保提升安全。

经测试,当开启2台水源热泵机组,在本矿副立井井口棚室外环境温度-10℃时,井口处的实际风温达到4.5℃,完全满足井口供暖需要。

2.2夏季制冷利用末端送风设备吸收矿井进风流中的热量,通过水源热泵空调机组将吸收的热量传递到矿井水中,从而降低矿井进风流的温度,为井下采掘工作面提供凉风,改善工作人员的作业环境。

目前协庄煤矿矿井水的水温19℃、水量400m3/h,最适合做冷媒水使用,能大幅度的提高水源热泵机组的制冷效率,节约电能。

经测试,当开启2台水源热泵机组,在本矿副立井井口棚室外环境温度33℃时,井口处的实际风温为到18.5℃,完全能为井下提供凉风,对井下采掘工作面起到降温的作用。

3.工艺流程3.1制热流程水温19℃矿井水首先进入旋流除沙器除沙,再经过电子水处理仪除掉絮状物,然后进入水源热泵空调机组蒸发器与氟利昂R22制冷剂进行热交换,通过氟利昂的形态汽化,吸收矿井水中的部分热量,利用压缩机做功将汽态氟利昂变为液态,释放热量,再通过冷凝器与空调系统的循环水进行热交换,制出45～50℃的空调热水,为井口末端送风设备提供热量。

3.2制冷流程水温19℃矿井水首先进入旋流除沙器除沙,再经过电子水处理仪除掉絮状物,然后进入水源热泵空调机组冷凝发器与氟利昂R22制冷剂进行热交换,通过氟利昂的形态液化,向矿井水释放热量,利用压缩机做功,再通过蒸发器中氟利昂与空调系统的循环水进行热交换,氟利昂吸收循环水中的部分热量,制出7℃的空调冷媒水,为井口末端送风设备提供冷量。

4.所需负荷计算(1)依据《供热通风空调设计手册》、《空气调节设计手册》。

每小时所需热负荷:Q=ρ﹒v﹒△h相关参数:ρ=空气密度1.29×103kg/m3v=所处理的空气体积60万m3/h△h=加热前后空气焓值差kj/kg当室外温度-15℃时,空气相对湿度60%,空气焓值-13.64kj/kg;当室外温度-13℃时,空气相对湿度60%,空气焓值-11.32kj/kg;当室外温度℃时,空气相对湿度6%,空气焓值3j;当室外温度-10℃时,空气相对湿度60%,空气焓值-7.72kj/k g;当室内温度5℃时,空气相对湿度60%,空气焓值13.16kj/kg;当室内温度6℃时,空气相对湿度60%,空气焓值14.88kj/kg;热负荷计算:当室外温度-10℃时,处理到5℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{13.16-(-7.72)}×103÷3600÷1000=4489.2(KW)当室外温度-10℃时,处理到6℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{14.88-(-7.72)}×103÷3600÷1000=4859(KW)当室外温度-12℃时,处理到5℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{13.16-(-10.13)}×103÷3600÷1000=5007.35(KW)当室外温度-12℃时,处理到6℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{14.88-(-10.13)}×103÷3600÷1000=5377.15(KW)当室外温度-13℃时,处理到5℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{13.16-(-11.32)}×103÷3600÷1000=5263.2(KW)当室外温度-13℃时,处理到6℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{14.88-(-11.32)}×103÷3600÷1000=5633(KW)当室外温度-15℃时,处理到5℃时,所需热负荷:Q=1.29×600000×{13.16-(-13.64)}×103÷3600÷1000=5762(KW)综合协庄煤矿所在地区年平均最低气温-12℃左右,保证矿井不结冰的温度6℃,选取热负荷5377.15KW。

考虑到近年来气候异常,温度变化较大,当最低气温在-15℃时,为使井筒内不结冰,保证送风温度4.5℃以上,必须提供5600KW热量。

5.末端送风设备的换热量计算选用30000m3/H的组合式空调器16台,换热量427KW×16台= 5616KW。

选用120000m3/H的组合式空调器1台,换热量1797KW×1台=1797KW。

总换热量:(5616+1797)×新风工况供热量修正系数0.75=5559.75KW。

6.设备的选用经过以上数据综合分析确定:主机选择清华同方水源热泵机组SGHP1800A型3台,末端选择清华同方组合式空调机组ZKL30型16台,末端选择清华同方组合式空调机组Z KEW120型1台。

7.主要创新点(1)属废弃能源利用技术:水源热泵是利用了矿井水资源作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。

(2)属经济有效的节能技术:矿井水的温度一年四季稳定,是较好的热泵热源和空调冷源,这种恒温性使得水源热泵比传统锅炉、空调系统要节能40%以上。

(3)属洁净运行技术:该装置的运行没有任何污染,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料及废物的场地。

(4)应用范围广:水源热泵空调既可供暖,也可制冷,一机多用。

(5)使用寿命长:机组使用寿命均在20年以上。

8.效益分析8.1经济效益(1)在井口达到相同供暖效果的条件下,按当前的电价和煤价计算,水源热泵每年运行电费为48万元,燃煤锅炉每年燃料费用为279.6万元。

(2)使用燃煤锅炉每年人工费用9.6万元。

(3)使用燃煤锅炉每年维护费用、锅炉检验费13万元。

(4)根据国家排污收费标准,使用燃煤锅炉每年上交排污费3万元,使用水源热泵空调属于环保产品,不收排污费。

(5)使用水源热泵每年仅需正常的检测和更换R22冷媒费用共计2万元。

合计水源热泵每年运行费用为+=5(万元),(下转第65页)矿井地热利用与降温技术的综合研究与应用范同军(山东新汶矿业集团有限责任公司协庄煤矿山东新泰271221)【摘要】该技术是利用矿井生产过程中涌出的废水作为冷热源,通过水源热泵空调机组实现矿井废水与矿井进风流之间的热量转换,对风流实现一次性升温或降温。

冬季取代传统的燃煤锅炉为井口供暖,夏季取代传统的制冷设备为井口制冷,实现一机多用,节省设备投资和降低运行成本。

【关键词】矿井;地热;降温;研究653 -120-10.1k/kg::48202●(上接第653页)燃煤锅炉每年运行费用为:279.6+9.6+13+3=305.2(万元)。

因此,年创净效益:305.2-50=255.2(万元)。

8.2社会效益(1)该技术符合国家资源综合利用政策及发展循环经济模式。

(2)该技术应用后使矿区摆脱了燃煤锅炉供暖,保护了矿区环境。

(3)该技术具有很高的安全性,不存在任何爆炸、燃烧的安全隐患。

()该技术能实现很高的自动化管理,维护、维修工作量很小,可节省部分人力资源。

作者简介:范同军(1962—),山东新泰人,高级工程师,1986年毕业于山东科技大学矿业机械专业,现从事机电工程工作,多次获科技成果奖和发表多篇论文。

[责任编辑张新雷]1.引言据统计煤矿瓦斯事故有70%发生在掘进工作面,且大部分发生在排放瓦斯的时刻,不管是统配煤矿还是地方煤矿,也不管是管理严格还是管理松散的矿井,都有发生瓦斯事故的可能。

为了解决局部通风机供电的可靠性及掘进工作面瓦斯超限问题,《煤矿安全规程》规定:“瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井中,掘进工作面的局部通风机应采用专用变压器、专用开关、专用线路(简称三专)供电。

”即每个掘进工作面局部通风机的供电,直接由采区变电所采用专用高压开关、专用变压器、专用电缆向局部通风机供电。

因此《煤矿安全规程》第128条、129条和141条对掘进工作面风机供电和控制以及排放瓦斯都有严格规定。

尽管规定很严格,但由于供电设备本身管理原因,停风机造成瓦斯积聚的现象不可避免,在排放瓦斯期间尽管采取严格措施排瓦斯,控制混合风流的瓦斯浓度,但掘进工作面毕竟存在一段5%~16%爆炸界限的瓦斯在风流中移动,是重大隐患,若这个危险阶段在风流流动过程中正处于锚干断裂,金属棚摩擦变形而产生火花,肯定会发生瓦斯事故。

所以,提高掘进面风机供电可靠性,减少停电或者不停电,是解决停风造成瓦斯积聚,消除瓦斯事故的主要手段。

2.三专供电方式分析我们在井下局扇的三专供电方式上做了以下探索,从而进行了相对应的改进工作。

2.1杏花矿初期井下局扇的供电方式井下主副局扇的供电电源都来自各采区变电所(见图1)。

这种供电方式存在着很大的缺陷,主副局扇电源全部在生产电源上。

由于生产供电线路事故较多,因此一旦生产供电线路上出现故障顶闸断电,那么井下局扇就会停电停风,采掘面很容易发生造成瓦斯积聚现象。

供电质量极不可靠,风机运行不能保证。

图1初期井下局扇供电方式2.2技改后井下局扇的供电方式井下主局扇的供电由地面35KV 变电所6KV 电源入井到井下中央变电所,经井下中央变电所井下三专总高开到控制各采区的分高开送往各采区变电所的井下主局扇专用高开,最后通过主局扇专用干变降为660V 电源后送往各掘进面主局扇控制开关。

副局扇在各采区变电所生产供电6KV 回路上,与各队组生产供电共用一台干变、线路及开关。