礦井降溫及余熱利用

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摘要：針對長城窩堡煤礦井下熱害現(xiàn)狀及地面工廣用熱現(xiàn)狀，結(jié)合目前國內(nèi)礦井降溫技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了適宜于本礦井的降溫系統(tǒng)形式，論證了制冷機(jī)組及高低壓耦合方式的選型及確定，并介紹了降溫系統(tǒng)中的余熱資源及其利用工藝系統(tǒng)布置。 

關(guān)鍵詞：礦井熱害；集中制冷； 礦井降溫；余熱利用  abstract: according to the the great wall nest fort coal mine underground thermal harm situation and ground workers wide hot situation, combined with the current domestic mine cooling technology and its application status quo, analysis suitable for the mine cooling system, proved the refrigerating unit and the high voltage coupling mode selection and identification, and introduces the cooling system of the waste heat resources and its utilization process system layout.  key words: mine heat damage; centralized refrigeration; mine cooling; utilization of waste heat  中圖分類號(hào)：td217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：2095-2104（2012）  1項(xiàng)目簡介  遼寧鐵法煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司長城窩堡礦井位于康平縣張強(qiáng)鎮(zhèn)境內(nèi)，距離縣城約35公里，現(xiàn)已探明其工業(yè)儲(chǔ)量2億噸。該項(xiàng)目于2006年5月通過國家發(fā)改委核準(zhǔn)，計(jì)劃總投資20億元，項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，年生產(chǎn)能力可達(dá)300萬噸。本項(xiàng)目是根據(jù)長城窩堡煤礦井下熱害現(xiàn)狀和地面用熱現(xiàn)狀，并結(jié)合目前井下降溫系統(tǒng)實(shí)施的情況，提出的礦井降溫及余熱利用技術(shù)方案。項(xiàng)目主要是由礦井降溫和余熱利用兩部分所組成。  2礦井熱害現(xiàn)狀  根據(jù)長城窩堡煤礦初步設(shè)計(jì)中礦井地溫梯度及恒溫帶數(shù)據(jù)，回采面上下口高程處，地溫梯度為3.52～3.27℃/100m，屬地溫異常區(qū)（大于3℃/100m為異常）。  地溫預(yù)測：按垂直深度計(jì)算，井底約為31.7℃，回采工作面上口31.1℃，下口34.7℃，掘進(jìn)工作面輸送機(jī)巷29℃，軌道大巷31.7℃，順槽38.3℃。預(yù)計(jì)回采面進(jìn)口空氣溫度為29.3℃，回采面出口溫度為33.3℃。  根據(jù)長城窩堡煤礦初步設(shè)計(jì)及現(xiàn)場調(diào)研，開采深度在-1100水平至-1300水平，圍巖溫度平均為42-47℃。冷負(fù)荷計(jì)算按照夏季最熱工況為計(jì)算依據(jù)。  3工廣用熱現(xiàn)狀  冬季工業(yè)廣場建筑供暖、井口防凍和全年職工洗浴、工作服烘干等供暖供熱由鍋爐房供應(yīng)。鍋爐房現(xiàn)有20t/h的熱水鍋爐2臺(tái)，10t/h的蒸汽鍋爐1臺(tái)，總鍋爐噸位50t/h。冬天供暖季3臺(tái)鍋爐全開，非供暖季運(yùn)行1臺(tái)10t/h鍋爐。  根據(jù)長城窩堡煤礦初步設(shè)計(jì)，主、副井井塔、井棚及空氣加熱室采暖熱媒為0.3mpa飽和蒸汽；地面生產(chǎn)系統(tǒng)廠房和輔助生產(chǎn)系統(tǒng)建筑物采暖熱媒為110－70℃高溫水。  工廣采暖系統(tǒng)的散熱設(shè)備均為鋼管柱型散熱器。  投產(chǎn)后職工洗浴人數(shù)1500人/天。主、井副井總進(jìn)風(fēng)量達(dá)到7000 m3/min。  工業(yè)場地內(nèi)建筑物采暖總熱負(fù)荷為 10155kw,其中蒸汽采暖熱負(fù)荷為 1329kw,高溫水采暖熱負(fù)荷為8826kw。  4礦井降溫方案  4.1井下熱負(fù)荷  根據(jù)長城窩堡礦井的井下熱害現(xiàn)狀及相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，單個(gè)掘進(jìn)工作面制冷負(fù)荷為756 kw，單個(gè)回采工作面制冷負(fù)荷為5563kw。  根據(jù)礦井規(guī)劃，深部采區(qū)最大開采工作面1個(gè)，掘進(jìn)迎頭6個(gè)，總的降溫需冷負(fù)荷為(756×6+5563）=10100kw。  4.2礦井降溫系統(tǒng)形式  對于本礦井的熱害治理，由于礦井開采深度大，超溫工作面數(shù)目多，分布較廣，需冷量大，宜優(yōu)先采用集中式機(jī)械制冷降溫方式。  4.2.1集中式機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的確定  集中式制冷降溫系統(tǒng)，按制冷機(jī)的布置和組合方式不同，主要分為兩種：地面集中式制冷降溫系統(tǒng)與井下集中式制冷降溫系統(tǒng)。  其基本原理都是利用制冷機(jī)組制備低溫冷凍水，在井下利用冷凍水作為冷媒輸送至采、掘工作面實(shí)現(xiàn)降溫除濕之目的。  結(jié)合國內(nèi)礦井降溫技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，特別是考慮到長城窩堡煤礦井下實(shí)際巖性條件及軟巖支護(hù)等問題，本礦井宜優(yōu)先考慮地面集中式制冷降溫系統(tǒng)。  地面集中式制冷降溫系統(tǒng)按照高壓一、二次側(cè)載冷介質(zhì)的不同，可分為冷水降溫系統(tǒng)和制冰降溫系統(tǒng)兩種。  冰制冷系統(tǒng)：制冰降溫系統(tǒng)目前在國內(nèi)礦井降溫中也有應(yīng)用，其系統(tǒng)流程為：電制冰機(jī)→制冰→輸送冰（井筒管路須保溫）→井下融冰硐室融冰→末端制冷。  但冰制冷系統(tǒng)存在能耗較大、制冰機(jī)組cop值較低、系統(tǒng)制冷效率較低的缺點(diǎn)，且冰輸送到井下還需要加水溶解且水消耗量較大，冷量損失較大，造成冷水供水溫度較高，降溫效果差。此外，由于冰水混合物的粘滯系數(shù)較大，容易造成輸冰管道的堵塞，并且一旦堵塞較難疏通。故一般不推薦冰制冷，推薦采用地面集中式冷水系統(tǒng)。  冷水系統(tǒng)：冷水系統(tǒng)與制冰系統(tǒng)相比少了兩個(gè)中間環(huán)節(jié)，根據(jù)能量守恒，從初始的原水到終態(tài)的冷水這一過程，減少了中間冷損，其制冷效率必然要高。其系統(tǒng)流程如下圖：    4.2.2制冷機(jī)組的確定  從系統(tǒng)的設(shè)備投資及技術(shù)可靠性方面，其核心主要集中在兩點(diǎn)：地面制冷機(jī)組和井上下的高低壓耦合方式。  地面制冷機(jī)組：目前在國內(nèi)有較為成熟應(yīng)用的均為合資品牌，性能可靠、性價(jià)比較高且成功案例較多，其最低出水溫度可達(dá)到2.5℃，最大供回水溫度可實(shí)現(xiàn)18/2.5℃。  為進(jìn)一步降低出水溫度，提高制冷效果，可使用乙二醇溶液為載冷劑。兩種載冷劑制冷機(jī)組比較如下：    通過以上比較，冷水機(jī)組雖然降溫效率相對稍差，但可通過加大高低壓換熱器面積和末端空冷器面積來彌補(bǔ)。與乙二醇機(jī)組相比，系統(tǒng)運(yùn)行成本低，安全性高，平時(shí)維護(hù)方便，更利于實(shí)施。  長城窩堡煤礦井下降溫需冷負(fù)荷為10100kw，系統(tǒng)冷損失1700kw，所需總的需冷量為11800kw，考慮1000kw冷負(fù)荷余量，選用離心式冷水機(jī)組4臺(tái)，單臺(tái)制冷量3200 kw，總制冷量為12800kw。  4.2.3高低壓耦合方式的確定  地面集中冷水系統(tǒng)另一重要的環(huán)節(jié)是井下壓力耦合方式。  目前的解決方案主要有：三腔冷媒分配器方式和高低壓換熱器（管殼式）方式兩種。  三腔冷媒分配器：德國西瑪格公司的專利產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過閥門的開、關(guān)，巧妙地將一次供冷循環(huán)的高壓供水轉(zhuǎn)換為低壓，直接送入井下二次供冷循環(huán)，同時(shí)又將井下二次供冷循環(huán)高溫回水升壓，返回地面一次供冷循環(huán)。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程的溫升僅為0.5℃。  高低壓換熱器：為間接熱交換方式，是傳統(tǒng)的壓力耦合方式，它是通過間接交換的方式將一次供冷循環(huán)的冷量傳遞給井下二次供冷循環(huán)的冷水，并將二次供冷循環(huán)冷水的熱量傳遞至一次供冷循環(huán)。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程的溫升約為3～4℃。