煤矿低温水资源余热利用技术研究进展_向艳蕾.pdf

第 38 卷第 1 期煤质技术Vol.38No.12023 年 1 月COAL QUALITY TECHNOLOGYJan 2023移动阅读向艳蕾，杨允 煤矿低温水资源余热利用技术研究进展 J 煤质技术，2023，38(1):2732XIANG Yanlei，YANG Yun Advances on waste heat utilization technologies of lowtemperature water resources in coalmines J Coal Quality Technology，2023，38(1):2732煤矿低温水资源余热利用技术研究进展向艳蕾1，2，杨允1，2(1.中煤科工清洁能源股份有限公司，北京100013;2.中煤科工(天津)清洁能源研究院有限公司，天津300467)摘要:矿井水余热、洗浴废水余热是煤矿企业可兹利用的余热资源。为合理利用低温水资源余热，最大化地发挥其绿色低碳优势，系统梳理矿井水余热、洗浴废水余热的不同利用技术应用现状，并对比分析各利用技术的优缺点。结果表明:矿井水余热可采用直接换热和热泵提热方式回收，采用直接换热技术回收的热能品味有限，一般仅能用于井筒防冻，后者采用热泵提高热能的品味，可满足井筒防冻、建筑采暖等热需求，但由于矿井水水质较差，换热器堵塞、结垢、腐蚀等问题仍有待解决;洗浴热水由于具有断续周期性，通常只能作为补充、辅助热源，其余热可采用污水源热泵或普通水源热泵回收，前者直接以洗浴废水为热源且易发生堵塞、结垢等问题，维护困难，后者采用中间介质置换洗浴废水余热，可保证热泵的稳定运行，但系统更为复杂且存在一定的热量损失。未来相关研究需侧重于水处理工艺、设备材质、储能等方面以克服矿井水及洗浴废水的水质差、不连续等问题，确保余热利用系统的稳定性和有效性。关键词:矿井水;余热利用;洗浴废水;水源热泵;直接换热技术;井筒防冻中图分类号:TK115文献标志码:A文章编号:10077677(2023)0102706收稿日期:20220715责任编辑:傅丛DOI:10.3969/j.issn.10077677.2023.01.004基金项目:中煤科工清洁能源股份有限公司技术创新基金资助项目(CEKYCX202112);中煤科工清洁能源股份有限公司技术创新基金资助项目(CEKYCX202111)作者简介:向艳蕾(1994)，女，湖北宜都人，研究实习员、硕士，目前从事余热利用技术、可再生能源利用技术及多能互补耦合供能技术研究。Email:xiangyanlei 通讯作者:杨允(1988)，男，山东高唐人，助理研究员、博士，目前从事余热利用技术、可再生能源利用技术及多能互补耦合供能技术研究。Email:yangyun666788 Advances on waste heat utilization technologies of lowtemperaturewater resources in coal minesXIANG Yanlei1，2，YANG Yun1，2(1 China Coal Technology Engineering Group Clean Energy CorporationLtd，Beijing100013，China;(2 China Coal Technology Engineering Group(Tianjin)Clean Energy esearch Institute Corporation Ltd，Tianjin300467，China)Abstract:Mine water and bathing wastewater are usable lowtemperature waste heat resources in coal mines To uti-lize the waste heat properly，and to bring its lowcarbon property into full play，different utilization technologies ofmine water waste heat and bathing water waste heat were discussed and the corresponding advantages and disadvanta-ges were compared The results show that the mine water waste heat can be recovered by direct heat exchange and byheat pump The temperature of the recovered energy in the former technology is relatively low，and it can be appliedto antifreezing of the shaft With heat pump，the energy level can be improved，and the recovered energy can beused for various occasions，such as antifreezing of the shaft，building heating and so on However，due to the poorquality of mine water，blockage，corrosion and abrasion still need to be solved The supply of bathing water is inter-煤质技术2023 年第 38 卷mittent，and it should be used as a supplementary and auxiliary energy resource Sewage source heat pump and watersource heat pump are usually adopted for waste heat utilization of bathing water The former one directly uses bathingwater as heat resource，and the blockage，corrosion and abrasion tend to happen，which makes it difficult for main-tenance Intermediate medium is introduced in the latter one to procure the waste heat，and to ensure the stable oper-ation of heat pump However，the system is more complex and there exists a certain amount of heat loss In the fu-ture study，the focus should be on the wastewater treatment process，equipment material，and heat storage，thus，the problems of poor water quality and discontinuity can be overcome，therefore，the stability of the wastewater heatutilization system can be ensuredKey words:mine water;waste heat utilization;bathing wastewater;water source heat pump;direct heat exchangetechnology;antifreezing of mine shaft0引言煤矿企业一般规模较大，用热需求大。冬季煤矿有井筒防冻、建筑采暖、洗浴水加热、吊篮烘干等热需求，且体量较大。目前，热需求主要通过燃煤锅炉或燃气锅炉得以满足，前者存在能耗高、热效率低、污染严重等问题1，而后者则存在燃料供应不稳定、运行费用高和氮氧化物排放高等问题2。随着双碳目标的提出，在我国实行节能减排势在必行，因而煤矿企业亟需寻求有效的供能方式，以期以较低的能源成本和碳排放满足能量需求。煤矿低温水资源属于可兹利用的热源，可通过直接或间接利用的方式满足煤矿的不同热需求。煤矿低温水资源主要包括矿井水和洗浴废水。矿井水是在煤炭开采过程中涌入巷道空间的地下水，主要来源为大气降水、地表水、断层水、裂隙水、含水层水和采空区水3，通常平均每开采 1 t 原煤即产生 2 t 矿井水4。矿井水温度全年波动较小，一般为 1420，且水量较为稳定，被认为是 1 种优质的低品位热源和热汇5。以河南某年产能 160 万 t 煤矿为例，矿井水量500 m3/h，可提取的热量为 8 166 kW，全部回收每年可节省标煤 8 783 t。洗浴废水温度一般在3035，在使用过程中通常只利用其中 20%左右的能量，剩余 80%的热量以废水形式排入污水管网，排水温度在 34 36，造成能量大量浪费。以山西某年产能 350 万 t 煤矿为例，洗浴废水量 300 m3/d，可提取的热量为 291 kW，全部回收每年可节省标煤 313 t。若采用合适的技术方式对矿井水及洗浴废水余热加以利用，则可减少化石能源的消耗，从而达到节能减排的目的。以下对矿井水余热、洗浴废水余热的不同利用技术进行梳理并分析其各自对应的优缺点，旨在为煤矿低温水资源余热利用技术的选取提供一定的理论指导。1矿井水余热利用技术矿井水的特性取决于成煤的地质环境和煤系地层矿物的化学成分，按水质可分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和特殊污染矿井水 5 种类型67。由于受到开采作业的污染，矿井水一般属于轻度污染的地下水，具有浊度高、矿化度高、腐蚀性强的特点，由此给余热回收利用带来一定的难度89。目前，矿井水余热利用技术可分为直接利用技术和热泵提热技术。1.1直接利用技术直接利用技术通过表面式或喷淋式等直接换热的方式回收矿井水热能或冷能，主要用于矿井进风处理。从矿井水中回收的热能一般用于加热矿井进风，从而有效解决冬季井筒防冻问题。其防冻措施通常为采用板式换热器将矿井水中的热量交换至软化水或乙二醇循环液中，再通过设置在井口房的空气换热器加热进风，保证井筒进风温度在2 以上10。板式换热器的作用主要是避免腐蚀性强的矿井水直接通入空气换热器，但由于板式换热器存在 2 以上的换热温差，矿井水余热未被充分利用。鉴于此，对于腐蚀性低的矿井水，也可考虑将矿井水直接通入空气换热器对进风加热以提高其余热直接利用系统的可靠性，但采用此种方式时需在矿井水供水管道入口处设置袋式过滤器以降低矿井水中悬浮物浓度并防止管道和空气换热器堵塞。矿井水余热直接利用系统如图 1 所示。对于矿井水冷能的回收，陈柳11 提出 1 种矿井水冷、热利用的深井降温除湿系统，即利用不同深度与温度的矿井水对井口进风进行冷却除82第 1 期向艳蕾等:煤矿低温水资源余热利用技术研究进展图 1矿井水余热直接利用系统Fig.1Waste heat direct utilization system of mine water湿，并阐述系统的三级除湿:从低温矿井水中回收冷能对进风进行初步冷却除湿，再采用转轮除湿机对进风进行等焓除湿，即从高温矿井水中回收热能作为转轮脱附再生的热源，最后利用低温矿井水对进风进行最后的降温除湿处理以得到低温干燥空气并对井下工作面进行降温除湿;该除湿系统可有效解决传统深井降温系统除湿量有限且能耗大的问题。白延斌等12 发明 1 种利用矿井水预冷的双露点空调机组，在夏季将低温矿井水从地下抽