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水源热泵技术在煤矿生产中的研究与应用

发布时间:2010/1/8

摘要:该技术利用矿井生产过程中涌出的废水作为热源,通过水源热泵空调机组实现矿井废水热量与矿井进风流之间的热量转换,实现一次性升温,取代传统的燃煤锅炉供暖,保证冬季矿井井筒内不出现结冰现象;同时具备夏季供冷功能,为井下采掘工作面提供凉风,实现一机多用,节省设备投资。
关键词:矿井水热能应用

  矿井在开采过程中,都要涌出一定量的矿井废水。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问的增长会逐步加大,是一种稳定和利用价值很高的热源。通过水质分析及测定,目前新汶矿业集团矿井水的水温平均19℃、水量400m3/h,比较适合地下水源热泵技术的应用。

1 地下水源热泵技术的发展

  地下水源热泵是地源热泵的一个分支。这项技术起始于1912年,瑞士Zoelly提出了“地热源热泵”的概念。1948年,第一台地下水源热泵系统在美国俄勒冈州波特兰市的联邦大厦投入了运行。在其后的几十年中,地下水源热泵得到了更为广泛的应用。我国地下水源热泵从1997年开始学习和引进欧洲产品,到1999年底,全国大约有100套地下水源热泵供热或制冷系统。1997年,中国科技部与美国能源部签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中一项就是地源热泵的发展战略。1998年,中美两国确定在我国北京(代表北部寒冷地带)、宁波(代表中部夏热冬冷地带)、广州(代表南部亚热带)合作建立三个地源热泵的示范工程。在这三个示范工程项目中,两个为地下水源热泵系统,一个为复合式地下水源热泵系统。除了这些之外,还有其它一些工程实例,其中比较有代表性的工程有:
  (1)清华同方人工环境有限公司承担的山东东营市胜泰大厦的地下水源热泵系统和空军丰台招待所、办公楼的地下水源热泵空调改造系统;(2)内蒙古科技厅科力宾馆的地下水源热泵空调系统工程(国家试验示范工程);(3)山东某煤矿地面建筑的地下水源热泵系统工程。

2 矿井水热能利用工艺原理

  水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中,由于水源温度低,可带走热量:而冬季,则从水源中提取能量,由热泵原理通过空气或水作为制冷剂提升温度后送到建筑物中。通常水源热泵水泵消耗lkW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。水源热泵根据对水源利用方式的不同,可以分为闭式系统和开式系统两种。水作为热泵制热、制冷过程的介质,满足以下两个条件即可利用:(1)水的温度在7℃ 一30cC之间;(2)水量要充足。水源水可以是各种工业用废水、生活用水、海水、江、河水等。
  2.1 工艺流程
  矿井水进入地热交换系统(制冷系统和制热系统),机组提取水中的能量后,实现冬季供暖和夏季供冷,矿井水释放完能量后,再供做工业用水。
  2.2 技术原理
  (1)冬季供暖:水温19~C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,为井口送风设备提供热量。
  (2)夏季制冷: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℃的冷媒水,为井口送风设备提供冷量。

3 技术特点及应用效果

  3.1 技术特点
  (1)属废弃能源利用技术。利甩了矿井生产废水经验。 作为冷热源,通过水源热泵机组进行能量转换的冷暖空调技术。
  (2)属经济有效的节能技术。矿井水的水温一年四季稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种特性使得水源热泵空调比传统锅炉及传统空调要节能40%以上。
  (3)属洁净运行技术。水源热泵空调的运行不产生燃烧、排烟、废弃物等污染,环境效益显著。
  (4)运行稳定可靠。机组寿命长、维护费用低。机组使用寿命长在20年以上,每年只需检查、保养一次;整套机组结构紧凑、节省安装空间;自动化控制程度高,可实现无人值守。
  3.2 应用效果
  矿井水地热资源利用技术先后在新矿集团潘西、协庄等矿应用,经过两年多的运行证明,效果明显。夏季供冷时,矿井工业区办公室的温度保持在25℃左右,井口入风温度在22℃左右,冬季时,利用该机组给矿井工业区办公室、井口供暖,室内温度在18℃左右,保证井口不结冰;同时将该项技术应用在井下泵房后,温度由40℃降到了27℃,改善了作业环境。

4 效益分析

  4.1 经济效益
  以协庄矿水源热泵应用情况为例,分析如下:
  (1)利用原有的蓄水池作热源池、原锅炉房作主机房、井口原有的暖风室作空调机房,节省土建工程投资320万元:
  (2)应用水源热泵空调系统比应用燃煤锅炉每年节约能源费89.91万元;
  (3)每年节约蒸汽锅炉水处理成本费1.5万元;
  (4)每年节约人工费9.6万元;
  (5)每年节约排污费3万元;
  (6)每年节约设备维护费l6万元。
  合计每年取得经济效益432.O1万元。
  虽然热泵整体配套工程初期投资稍多些,但该技术具有能量利用率高、环保等特点,只要完善系统相关技术的配套,就具有很好的推广应用价值。
  4.2 社会效益
  (1)该技术符合国家资源综合利用扶持政策及发展循环经济模式,保护了煤炭资源;(2)该技术应用后使矿区摆脱了燃煤锅炉供暖,节约了供暖成本,改善了矿区环境;(3)保证了矿井的提升安全,改善了井下工人的作业环境;(4)设备运行中不存在爆炸、燃烧等安全隐患,有利于安全管理;(5)开辟了矿井水利用的新途径。

5 地下水源热泵技术应用的一点思考

  (1)地下水资源在某种程度上是国家的一种战略物资,而且一些水文地质界的专家对当前地下水源热泵的发展也持保留意见,因此,在推广时应采取慎重的态度,要本着条件适宜、废水利用、循环发展的原则去操作。
  (2)在应用地下水源热泵系统之前,一定要做详细的_滠x_0水文地质调查,以获取地下温度、地下水温度、水质和出水量等数据,合理地配置整个系统。
  (3)设计、施工和运行等各个环节要持谨慎态度,确保系统不会因负荷不当、水泵功耗过高、管理不善而降低了效率。

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