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矿井地热综合利用

发布时间:2018/9/13 12:21:52     来源:中国地热网

  摘要:地表浅层地能资源的温度一年四季相对稳定,蕴含着巨大的能量,如何将地热加以提取并充分利用是科技攻关的难题之一。通过地源热泵的冷热交换,将地表储存的大量能量进行转换,为矿井实施冬天制热夏天制冷,可节约大量能源。用喷淋地热回收法来实现对矿井回风风能的利用作为水源热泵的能量补充,又将地热提取技术提升到了新的水平,所以说地热综合利用技术是将来矿井节能减排的发展方向。
  关键词:地热 水源热泵 喷淋
  
  一、前言
  
  地源热泵是利用地球表面浅层地能资源作为冷、热源进行能量转换的系统。地表浅层地能资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的空调冷热源。通过地源热泵的冷热交换,将地表储存的大量能量进行转换,为矿井实施冬天制热夏天制冷,可节约大量能源,是将来矿井节能减排的发展方向。下面以新矿集团孙村煤矿通风机为例介绍矿井地热综合利用系统情况。
  
  二、矿井地热综合利用工程情况
  
  矿井地热综合利用系统由水源热泵系统和回风井热能回收系统组成。
  1、水源热泵系统
  冬季,孙村矿付立井井口通风量10000 m3/min-11000m3/min,根据计算,满足冬季井口供暖需求,即保持井口温度在2℃-4℃之间,所需热负荷不小于4000KW。
  孙村矿水源热泵系统主要设备有3台SGHP1400A水源热泵机组,在井口安装ZKW系列组合式空调器15台,PF系列型风机盘管机组19台。在水源能量满足需求的情况下,为井口提供不低于4000KW的热能,以满足冬季井口供暖的需求。
  2、回风井热能回收系统
  由于孙村矿矿井涌水量较小,相对可提取的热能较少,不足以满足北立井水源热泵系统的热能要求。通过技术人员多方调研,发现回风中含有大量热能,其回风在冬季可以保持在温度220C,相对湿度95%以上,风量较大且稳定一般方量在9500m3/分(即158m/秒)以上,也是可利用的热能载体,利用目前喷淋换热的常规技术,可以吸收回风中的部分热能,以满足水源热泵系统的热源供应要求,可为水源热泵系统提供2000kW稳定热源。而且风井中增加喷淋,可以净化风流,降低噪声,减少环境污染,节能减排效果最好。喷淋系统主要设备包括喷淋换热器(喷嘴、连接管路、挡水板)一套,自动控制系统一套,BQS300/60/110N水泵2台,QKS400-62-120水泵2台,管路系统一套。
  
  三、方案实施
  
  (一)喷淋方案
  1、回风中可提取的热量估算
  北立井回风井,冬季回风以温度22℃、相对湿度95%、风量158m3/秒为基砂参数,如果通过热能转换后的回风参数变为:温度22℃、相对湿度100%,风量158m3/秒,则可以利用的理论能量为:
  Q=(h1-h2)×ρv=(62.32-34. 1)×158×1.2=5350(kW)
  其中:
  hl:回风温度为22℃,相对湿度为95%时的焓,Kj/kg;
  h2:回风温度为12℃,相对湿度为100%时的焓,Kj/kg;
  ρ:回风平均空气密度,kg/m3;
  v:回风量,m3/S.
  从以上初步估算可以看出,可以从回风中提取的理论热量远大于水源热泵所需要的热量,利用矿井回风的热量可以有效的解决热泵机组的热源问题。
  2、实施情况
  根据工程周期短、不影响矿井正常通风的实际情况,本设计在通风机出风口后整体吊装喷淋室换热器,喷淋换热器在地面加工完后一次性安装于出风口上。
  喷淋换热器系统按设计要求设置,供水水源来自矿井地源热泵系统排出的凉水,经喷淋交换后,在扩散塔内进入收集水池,经处理后进入水源热泵进水管,为水源热泵提供2000kW稳定热源。
  3、喷淋实验数据:主要试验数据如下:
  
  喷淋对通风系统的阻力,理论计算为116.8Pa,实际测量为60Pa。
  (二)水源热泵方案
  1、现状
  a. 冬季,付立井井口通风量10000 m3/min -11000 m3/min;
  b. 冬季,新泰地区孙村煤矿冬季温度-12℃;
  c. 冬季,保证孙村煤矿付立井井口不结冰温度应高于4℃;
  d. 孙村煤矿付立井口原有锅炉散热片东侧10片,西侧4片;
  e. 副立井候车室面积:19000mm×6500mm;
  2、设备选型
  为保障煤矿的安全生产,考虑煤矿运行成本,设备选取最小热负荷在4000KW以上。因此选用螺杆式水源热泵机组SGHP1400A型3台。
  
  四、矿井热能综合利用系统运行状况分析
  
  1、当环境温度0℃左右时,运行螺杆式水源热泵机组SGHP1400A型1台即可满足需求,一台机组满负荷需水量109m3/h,制热量1375KW。矿井水经机组循环一次,水温下降8℃左右(即水温22℃的矿井水经机组循环一次后,水温下降到14℃)。1500m3源水池内矿井水一个循环时间为1500÷109m3/h=13.76h,现两次开泵时间间隔最长一次为13小时,此种情况下,源水温度能够维持在18℃-20℃之间,矿井水能够满足供暖需求。
  2、当环境温度在0℃~-5℃左右时,运行螺杆式水源热泵机组SGHP1400A型2台方可满足需求,2台机组满负荷需水量218m3/h,制热量2750KW。1500m3源水池内矿井水一个循环时间为1500÷218m3/h=6.88h,此时,距下一次开泵时间还有一段时间,此时,可运行喷淋系统,喷淋系统流量控制在260-300m3/h,源水经喷淋系统循环一次温度升高5-6℃,此种情况下源水温度能够维持在16℃-18℃之间,能够满足供暖需求。
  3、当环境温度低于-5℃时,运行螺杆式水源热泵机组SGHP1400A型3台方可满足需求,3台机组满负荷需水量327m3/h,制热量4050KW。1500m3源水池内矿井水一个循环时间为1500÷327m3/h=4.5h,距下一次开泵时间还有一段时间,此种情况下,可长时运行喷淋系统,源水温度能够始终维持在18℃左右。
  
  五、效益分析
  
  1、水源热泵系统运行费用
  水源热泵系统运行电费:
  模式1:室外温度大于0℃,主机运行1台,运行系数为0.5,运行天数为30天,电费节约6.36万元 。
  模式2:室外温度0℃~-5℃,主机运行2台,运行系数为0.7,运行天数为60天,电费节约35.63万元
  模式3:室外温度-5℃以下,主机运行3台,运行系数为0.9,运行天数为30天,电费节约34.36万元
  总运行电费:6.36+35.63+34.36=76.35元
  2、风井热能回收系统运行费用
  (1)室外温度0℃~-5℃,喷淋系统每天运行6小时,运行天数为60天,负荷需用系数为0.75。
  则运行电费:
  230KW×0.75×60天×6小时×0.52元/kwh=3.23万元
  (2)室外温度低-5℃,喷淋系统每天运行10小时,运行天数为30天,负荷需用系数为0.75。
  则运行电费:
  230KW×0.75×30天×10小时×0.52元/kwh=2.69万元
  总运行电费:3.23+2.69=5.92万元。
  采用水源热泵供暖后,年运行费用共计:76.35+8.92=82.27万元。
  3、经济及社会效益分析
  (1)使用水源热泵供热系统,每年减少煤用量2285吨,减少一氧化碳排放50余吨、碳氢化合物1吨、氮氧化物8.5吨、二氧化硫38.5吨,粉尘3余吨,环保效益显著。
  (2)使用水源热泵供热系统,减少原煤投入2285吨,年节约资金投入:2285吨×480元/顿=109.68万元。
  (3)减少4吨两台锅炉大修费、维修费用22.52万元。
  (4)减少原锅炉供暖系统年电费支出9.1万元。
  (5)减少岗位设置,减少9人,年节约资金:9人×12000元/人=10.8万元。
  地热综合利用系统收年经济效益为:69.83万元。
  
  六、结束语
  
  通过水源热泵与喷淋地热回收实现矿井低热综合利用,是地热利用的一个成功典例,不仅实现了矿井水的热能回收还实现了对矿井回风热能的回收,而且可除去回风中的煤尘和灰尘,降低了回风对环境的污染,此项技术在国内首创,具有广阔的推广前景。
  
  注:本文作者张相龙现就读于山东科技大学资源管理系工业工程硕士研究生。

 

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