摘要：国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知，明确指出，随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级节能减排依然形势严峻、任务艰巨。使我国的煤矿低温余热利用热泵技术的发展也重新焕发了生机与活力，近些年，矿井回风余热利用技术，将矿井余热利用技术推向了新高度，技术水平达到国际领先。余热利用系统技术已经成熟，可制冷制热，具有良好的社会效益和经济效益。煤矿余热利用技术供热模式替代传统燃煤燃气模式供热，彻底将燃煤锅炉去掉,实现煤矿行业用热模式实现新旧动能转换。
关键词：煤矿用热新旧动能转换技术调查
一、煤矿新旧动能转换的背景和余热利用技术现状
1.1煤矿用热方式需要新旧动能转换的背景
我国能源消费结构仍然以煤为主，是名副其实的世界第一大煤炭生产和消费国。煤炭约占我国一次能源消耗量的70%左右，近年来年耗煤量已超过30亿吨标准煤。大量燃用煤炭造成了严重的环境问题，据统计全国二氧化硫排放总量的90%是由燃煤造成的，二氧化硫污染已成为主要的大气污染源，有近1/3的国土面积受到酸雨污染，生态环境、大气质量问题突出，还有大量资源被废弃，资源浪费严重。限于目前节能环保的紧迫形势，目前煤矿系统中的井口防冻、建筑采暖及洗浴热水加热采用的燃煤锅炉普遍存在设备陈旧老化、出力严重不足等问题，急需更新替代。
国务院发布的《大气污染防治行动计划》明确提出了：加强工业企业大气污染综合治理，全面整治10吨以下燃煤锅炉的要求。各省、市、自治区根据“通知”要求，相继出台了节能减排政策规定和奖罚措施，如取消10t以下分散燃煤锅炉等。因此，煤矿用热模式要用新的技术转换。
1.2煤矿余热利用技术国内外研究现状
我国煤矿低温余热利用技术起源于20世纪50年代，比世界先进国家晚了20-30年。天津大学首先对热泵技术进行了探索性的研究。随着改革开放的大潮来临，我国逐渐融入世界经济，科技体系，在国外优秀研究和利用成果的基础上，使我国的煤矿低温余热利用热泵技术的发展也重新焕发了生机与活力，近些年，面临日益严峻的环境和能源问题，热泵技术作为节能减排、余热利用的良好解决方案，正在被广泛使用。
二、煤矿现有用热情况及原来用热情况
2.1煤矿用热需求
煤矿用热需求主要分为以下几个方面
⑴井筒防冻。根据煤矿安全规程及矿井设计规范要求，因井筒有淋水，冬季易结冰，为保障生产和人身安全，故采取井筒防冻措施，使井筒进风温度达到≥2℃。
⑵建筑的采暖。包括办公建筑、工业厂房及生产系统至少1万平米的采暖。
⑶洗浴热水需求。包括淋浴及池浴热水的加热45摄氏度，300-600吨/天。
⑷中央空调制冷机组用热。
2.2煤矿热源现有方式
煤矿现有的传统供热方式主要有以下方式：燃煤蒸汽（热水）锅炉、电厂蒸汽（热水）、燃气（燃油）蒸汽（热水）锅炉、新型高效煤粉锅炉等。
三、煤矿可推广应用余热利用的技术
目前煤矿矿井余热非常丰富，已经成功应用的煤矿余热回收技术主要有：
乏风：利用风--水换热、风--风换热技术。矿井水：利用水源热泵技术；空压机：利用逆向渗透高效换热技术；
3.1风水换热型矿井回风源热泵
3.1.1技术原理
系统原理图如下图3.1所示，从热泵机组的蒸发器出水约6℃左
右进入换热扩散塔的入回风热交换器中，在回风热交换器中形成雾状的水滴与18℃左右的矿井回风进行热交换，水温升高至12~15℃，换热后的水一部分自由落体进入下部汇水槽，另一部分经挡水板后形成水流自由落体流入汇水槽，汇水槽中的水通过水沟进入换热循环水池，由换热循环水池中的循环水泵送入蒸发器，完成一个完整的回风换热侧的循环。热泵机组通过压缩机驱动将蒸发侧的能量提取后供暖，冷凝侧的供水温度为45~60℃。该技术可以解决煤矿的井筒防冻、洗浴热水加热、建筑采暖及夏季空调需求。目前该技术全国有约50家煤矿企业使用。
3.1.2技术特点
①喷淋换热换热效率较高，一般换热温差可控制在4℃以内。
②换热器的局部阻力低，一般可以控制在50Pa以内。
③热泵机组提取后可以制取45~60℃的热水，可以满足洗浴热水加热及建筑采暖的需求。
④热泵系统（含循环水泵）需要消耗相当于供热能力的30%左右的电能。
3.2直接膨胀式矿井回风源热泵
3.2.1技术原理
系统原理如图3.2所示，热泵机组节流阀出来的0~5℃低温氟利昂直接进入翅片管，在翅片管中与回风进行换热，蒸发膨胀吸取回风中的热量后进入压缩机的吸气口，完成回风侧换热循环。热泵机组通过压缩机驱动将蒸发侧的能量提取后供暖，冷凝侧的供水温度为45~60℃。该技术可以解决煤矿的井筒防冻、洗浴热水加热、建筑采暖及夏季空调需求。目前该技术全国有约10家煤矿企业使用。
图3.1风水换热原理图
图3.2直接膨胀换热原理图
3.2.2技术特点
①系统蒸发侧无需循环水泵，干式运行。
②换热器的局部阻力较高，一般在300Pa以上。
③热泵机组提取后可以制取45~60℃的热水，可以满足洗浴热水加热及建筑采暖的需求。
④翅片管的积灰和腐蚀问题较严重。
3.3“风-风换热”用于井口防冻
室外新鲜空气通过间壁式热交换器与矿井回风直接进行热交换，通过风道将换热后的新风直接送入进风井，该系统特别适用于进出风井之间距离相对较近的情况。目前该技术全国有约7家煤矿企业使用。
3.3.1技术特点
⑴防冻费低。矿井回风热能直接加热新风用于副井防冻，无需耗电能用于加热，仅消耗占供热量10%的电能用于输送加热后的空气，井筒防冻费用低。
⑵安全保证。井口进风温度可保证8℃以上，比传统的系统2℃的保证温度有更大的安全冗余。
图3.3矿井图回风直接换热原理图
⑶风阻为低。回风换热器通风阻力保证50Pa以下。
⑷工期保证。更短的施工周期，传统技术施工周期90天，第四代技术施工周期45天。
⑸投资节约。更低的投资，井筒防冻负荷占到总负荷的50%左右，有效解决井筒防冻负荷后可大幅节约投资，平均节约工程投资40%以上。
3.4空压机余热回收用于洗浴热水加热
在空压机原油路系统的出口分别加装三通电磁阀，将机油引出后通过换热器实现换热。为了提高安全系数，该方案保留原有风冷系统，即空压机余热回收系统与原有冷却系统并联。经油气分离后，分离出的高温气直接通往原有的气冷却系统，分离出的高温油则经三通温控比例调节阀内的感温元件检测其温度,若高温油温度低于60℃，则不用进行热交换，直接通过过滤器通往油路循环系统，若高温油温度高于60℃，则在进行热交换后再进入油路循环系统。该油-水换热系统中的水选用软水，防止因腐蚀或积垢造成对空压机的影响。空压机余热回收机组额定进出水温度为55/65℃。空压机余热利用一般为解决煤矿洗浴热水加热需求。也可实现局部少量建筑采暖需求。
3.4空压机余热利用原理图
3.5水源热泵技术（矿井排水、地下水、地埋管、电厂冷却水等）
水源热泵空调系统是一种应用热泵技术，以可再生能源——浅层低温地能(包括地表土壤、浅层地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能)为热源的新型、节能环保型冷暖中央空调系统。它具有冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷及常年提供卫生热水的功能。
热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。低温地能在冬季作为供暖的热源，在夏季作为空调的冷源，即在冬季，把低温地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到低温地能中去。工作原理，如图3.5所示。
图3.5水源热泵机组工作原理
3.5.1水源热泵系统组成
水源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。室外地能换热系统有地表水系统、地下水系统和地埋管系统等形式。室内采暖空调末端系统有风系统、风机盘管系统及室内地板辐射供暖。
1、地表水系统
如果空调建筑附近有河、湖、水池等地表水，可将闭环换热盘管放入河水、湖水、水池中作为地源热泵的室外系统(图3.6)。夏季从热泵冷凝器吸热后的冷却水经密封的管道系统进入湖或池中，利用温度稳定的湖水或池中水散热。冬季吸取湖水或池水的热量并将热量传递给热泵机组的蒸发器。这种方式可保证河水（湖水）的水质不受到任何影响，而且可以大大降低室外换热系统的施工费用。
2、地下水系统
图3.6 水源热泵的室外系统（地表水）
图3.7水源热泵的室外系统（井水）
另一种室外系统可采用地下水系统，地下水系统一般采用开环系统，即打一定数量的抽水井和回灌井(图3.7)。冷却水经热交换器向地下深井散热（冬季吸热），地下水从取水井中抽取进入热交换器吸热（冬季散热）后由回水井回灌到地下。地下水系统适用于地下水丰富的地区。地下水的温度常年稳定，不受外界气温影响，所以热泵机组可以高效运行。
四、结论和建议
煤矿余热利用技术特别是矿井回风余热利用技术，在矿井的出风口设热管型换热器、板式换热器、旋转式换热器、中间热媒式换热器、双气流道型换热器吸收矿井回风中低品味的余热。该技术经过十多年的发展已经在约70家煤矿企业成功应用，特别是自2015年以来在数家煤矿企业成功运行余热直接换热技术，将矿井余热利用技术推向了新高度，技术水平达到国际领先。余热利用系统技术已经成熟，可制冷制热，可以在煤矿行业或类似煤矿均可推广应用，具有良好的社会效益和经济效益。煤矿余热利用技术供热模式替代传统燃煤燃气模式，彻底将燃煤锅炉去掉。
五、在煤矿余热利用设计时建议遵循以下原则
1.免费优先原则。优先使用免费的能源解决供热需求，如利用风风直接换热解决井口防冻需求，利用空压机余热解决洗浴热水加热需求，利用洗浴废水预热自来水。
2.同一场地内就近利用原则，减少供热系统改造工程量，尽可能避免占用场地外用地。
3.技术可靠，经济合理原则。综合分析各热源利用的技术可靠性，经济合理性，选择技术可靠，经济合理的热源加以利用。对于技术可靠，经济性稍差的热源，作为备用热源，以提高供热系统的可靠程度。
4.提高供热、采暖系统自动化、智能化程度，充分利用互联网技术，形成矿井“互联网+智慧能源”模式，提高热能利用效率。
5.确保矿井供热、采暖系统的热源运行可靠、稳定。
6.采用合同能源管理模式，由专业的节能公司出资、建设、运行、维护，实现专用的人做专业的事，没有资金压力和技术问题风险，实现效益最大化。
作者简介
李士省，男，（1973,11--），山东滕州，山东科技大学，大学文化，采矿工程专业，助理工程师，现山东能源枣矿集团公司田陈煤矿物业站站长。
丁永友(1975一)，男，山东滕州人，大学文化，助理工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作，现任山东能源枣矿集团公司田陈煤矿安监处副处长。
梁勇(1976一)，男，山东枣庄人，大学文化，助理工程师，主要从事煤矿通风防尘管理工作，现任山东能源枣矿集团公司田陈煤矿通风工区区长。
论文作者:李士省1,丁永友2,梁勇3
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/10/1
标签：余热论文; 煤矿论文; 技术论文; 系统论文; 矿井论文; 换热论文; 热泵论文; 《基层建设》2018年第23期论文;