CN101775967A - 节能型煤矿井口防冻系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿矿井井口冬季防冻技术领域，具体地说是利用矿井水及各生产环节产生的余热、废热结合水源热泵技术而成的一种节能型煤矿井口防冻系统，采用数字化中央模块控制系统及集成电控系统，包含有沉淀池(1)、煤矸石砖厂焙烧窑降温段(2)、空压机(3)、矿井水清水池(4)、板式换热器(5)、中介水系统(6)、水源热泵机组(7)、新风机组(8)、井口空气换热器(9)、翅片换热器(10)、销钉换热器(11)、引风机(12)和水泵(13)。本发明利用矿井排水和各生产环节产生的余(废)热能源结合水源热泵技术解决了煤矿冬季井口燃煤锅炉供暖防冻能耗高、效果差的问题，节约能源，降低生产成本，改善矿井及其周边环境。

Description

节能型煤矿井口防冻系统

技术领域

本发明涉及煤矿矿井井口冬季防冻技术领域，具体地说是利用矿井水及各生产环节产生的余热、废热结合水源热泵技术而成的一种节能型煤矿井口防冻系统。

背景技术

我国《煤矿安全规程》第一百零二条规定：进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在2℃以上。井口防冻是煤矿冬季安全生产的重要保证。进入冬季，矿井必须采取有效的防冻措施，保证井口温度在2℃以上，防止井口结冰。如果矿井副井井口、罐笼及连接装置冬季出现结冰现象，当结冰融化时将可能砸伤乘罐人员，砸坏井口里的主要设备及悬挂的动力电缆，将造成严重的事故，影响矿井煤矿工人的生命安全和生产设备的正常使用，严重的甚至会导致矿井停产。

目前，国内外煤矿传统井口防冻系统主要由燃煤锅炉提供蒸汽热源的方式解决。几十年来，我国井口防冻也是一直沿用这种方式，应用较为广泛，但该方式存在占地多、投资大、耗煤高、能耗大、污染环境、管理复杂等缺点，经济效益和环境效益较差。此外，还有部分煤矿使用电锅炉用于煤矿井口防冻，但同样存在能耗较高的问题。随着煤矿煤炭次元开发强度的不断加大，矿井开采深度不断增大，煤矿采集面的环境温度不断升高，矿井逐渐出现了一定程度的热害现象，有的立副井采掘工作面气温超过30℃，井下排水量大，矿井涌水量大，排水温度高，夏季水温在31℃左右，冬季水温在27℃左右，导致环境温度升高、空气湿度增大等问题，恶化了生产环境。

目前国内煤矸石制砖企业的余热利用，主要是将隧道窑产品冷却产生的500～900℃的热风，通过引风机送到砖坯干燥窑，对砖坯进行干燥，以减少干燥窑一次能源消耗量，使建材企业获得一定的经济效益。由于砖坯的干燥主要是蒸发原料中的水份，利用隧道窑100～200℃的余热足够干燥砖坯所需热量，所以在干燥之前还要通入冷风将干燥风温降到140℃左右，损失了大量的热量。而空压机在生产运行时有大量的冷却废热直接排放到大气中，余热也得不到合理的利用。所以，建于矿井周边的煤矸石砖厂及空压机产生的余热、废热不能得到合理的利用，造成严重的热能浪费，也给周边的环境带来一定程度的影响。

水源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源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。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“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，释放到地下去。通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90％以上的电能或70～90％的燃料内能为热量，供用户使用，因此水源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通中央空调的50～60％。

水源热泵机组，最适用于矿井排水量大，水温高的高热矿井。由于水源热泵机组能适应较为恶劣的运行工况，所以将水源热泵技术用于煤矿井口防冻相比采用锅炉(电、燃料)的井口防冻方式更为科学合理。首先水源热泵机组的效率高，每消耗1kw的电可获取4.5kw的热量，所以运行成本在所有的矿井井口防冻方式中是最低的。近年来，我国个别矿井也开始尝试将水源热泵技术用于煤矿井口供暖防冻，但是，由于矿井排水量与井口防冻所需热负荷不匹配，排水水质差冷凝器结垢易堵塞、井口空气加热器的布置方式等问题，从而限制了水源热泵系统在井口防冻系统中的推广应用。

发明内容

本发明提供一种节能型煤矿井口防冻系统，利用矿井排水和各生产环节产生的余(废)热能源结合水源热泵技术解决了煤矿冬季井口燃煤锅炉供暖防冻能耗高、效果差的问题，节约能源，降低生产成本，改善矿井及其周边环境。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

采用数字化中央模块控制系统及集成电控系统，包含有沉淀池、煤矸石砖厂焙烧窑降温段、空压机、矿井水清水池、板式换热器、中介水系统、水源热泵机组、新风机组、井口空气换热器、翅片换热器、销钉换热器、引风机和水泵，沉淀池、板式换热器、中介水系统、水源热泵机组、新风机组、井口空气换热器顺次连接，空压机废热管道上安装有引风机，空压机产生的废热通过引风机送入井口加热冷风，煤矸石砖厂焙烧窑降温段通过销钉换热器与翅片换热器连接，矿井水清水池通过水泵与翅片换热器连接；

所述沉淀池与板式换热器之间设置有净化过滤系统；

所述中介水系统包含有软化除垢及补水系统；

所述的板式换热器采用污水源板式换热器。

可以在空压机与引风机之间、矿井水清水池与水泵之间、水源热泵机组和新风机组之间以及销钉换热器与翅片换热器之间设置防腐保温系统，以便取得更加理想的换热效果。

本发明所提供的节能型煤矿井口防冻系统热源选择多样化，能够实现系统最佳节能运行方式。当外界温度高于-4℃时，单独运行沉淀池内矿井水直接换热系统，结合煤矸石砖厂余热、空压机余热，即可满足井口防冻的要求；当环境温度再降低时，则需要适当的运行水源热泵机组来补充不足的热量。一机多用，一套系统即可供冷，又可供热，提高了设备利用率。

本发明的有益效果如下：

(1)节能型煤矿井口防冻系统制取的热量满足了冬季井口防冻的要求，利用矿井水做为水源热泵机组的热源，冷却水即高温空调水出口温度达到了45℃以上，结合煤矸石砖厂、空压机的余(废)热作为井口防冻的热源，变废热为宝，提高了矿井水的利用率，降低了生产成本，减少了环境污染，社会经济及环境效益显著。

(2)节能型煤矿井口防冻系统技术是直接利用矿井水作为蒸发吸热载体，利用了矿井自身的排水系统，不产生额外的排水费用，节约运行成本，水源热泵机组在运行过程中没有任何污染，不产生任何废渣，废水、废气和烟尘，高效节能，运行稳定，环保效益显著。

(3)节能型煤矿井口防冻系统表面式空气加热器、新风机组布置于井口进风口，以45℃的高温空调水作为热媒的输送介质，管网距离短，损耗小，可将冷风加热至2℃以上，井口防冻效果明显，系统简单、可靠性高，减少了故障隐患。

(4)开发了数字化中央模块控制系统及集成电控系统，部件少，控制灵活，运行简单、稳定，自动化控制程度高，维护费用低，使用寿命长达20年以上，实现了系统远程监控和运行故障在线显示，便于工作人员实时进行系统维护、数据分析、历史查询，控制灵活，提高了运行效率。

(5)根据煤矿行业井口的特殊环境及安全要求，设计了高效耐用、风阻量小、具备强制换热功能的空气加热系统，采用表面式空气加热器和新风机组布置于井口进风处，换热效率高，耐用性强，延长了设备使用周期；此外，还充分利用以前的井口防冻中使用的翅片换热器，将水厂处理过的27℃左右的矿井水直接输送到翅片换热器，加热井口进口冷风，最大限度的利用矿井水热量。

(6)通过研制应用净化过滤系统、软化除垢系统和综合利用砖厂余热、空压机余热等辅助加热系统，确保了节能型煤矿井口防冻系统的长期高效运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明自动化集成控制屏幕示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

如图1所示，沉淀池1、污水源板式换热器5、中介水系统6、水源热泵机组7、新风机组8、井口空气换热器9顺次连接，沉淀池1与污水源板式换热器5之间设置有净化过滤系统14，中介水系统6包含有软化除垢及补水系统，空压机3废热管道上安装有引风机12，空压机3产生的废热通过引风机12送入井口加热冷风，煤矸石砖厂焙烧窑降温段2通过销钉换热器11与翅片换热器10连接，矿井水清水池4通过空气换热器13与翅片换热器10连接。

矿井水采用三台潜水泵(两用一备)从沉淀池1中抽取矿井水进入污水源板式换热器5。

由于矿井水中存在大量的煤泥和杂质，会影响板式换热器的换热效果，因而矿井水要经过过滤除污处理。为提高系统的自动化程度，避免因清洗过滤器滤芯而影响系统的正常运行，净化过滤系统采用自动清洗过滤器，该过滤器具有对矿井水进行过滤并自动对滤芯进行清洗排污的功能，且清洗排污时系统可不间断供水。

由于矿井水中存在大量的煤泥和杂质，虽经过沉淀和过滤，但还会含有≤3mm污杂物的存在，为不影响矿井水的换热效果，故选用污水源板式换热器，该宽一宽通道板式污水专用换热器成功地解决了细小泥沙及污水软垢增长对换热器设备的堵塞问题；特殊的管程、壳程设计有效地解决了污水黏度大、换热系数低的问题；材质的合理使用提高了设备使用年限，解决了清洗维护方面的问题。

中介水系统6循环水使用软化水，通过两台水泵(一用一备)来实现中介水在机组蒸发器和污水源板式换热器之间的循环。软化水系统，包括软化水箱、树脂罐。高温水循环系统补水采用现有的膨胀罐，中介循环水补水另外增加两台小功率的补水泵，定压补水。

该系统首先利用井下排于地面沉淀池1中的矿井水所含的热量，通过净化过滤系统14进入污水源板式换热器5，将矿井水所含的热量传递给中介水系统6，中介水经过软化除垢及补水系统进入水源热泵机组7，利用水源热泵的“泵升”原理通过压缩机做功制取45℃高温空调水，通过循环水泵将高温空调水带至井口，在井口房的加热室内安装新风机组8，加热室外墙上设置进风百叶窗，利用新风机组8的风机吸入新风并通过井口表面式空气换热器9，最后送到井口内加热冷风，而通过污水源板式换热器5的矿井水再排回沉淀池1，不增加原有系统的排水费用。煤矸石砖厂焙烧窑降温段2的高温烟气管道上安装有一台160m²销钉管换热器11，通过热交换的形式，产生一定数量和温度的热水，送到井口翅片换热器10内加热冷风。空压机3废热管道上安装有引风机12，将空压机4废热进行收集，引到井口加热冷风。矿井水清水池4中的矿井水经过水泵13后进入翅片换热器10中加热冷风。综合上述各方面的热量，将进入井口的冷风加热到5℃以上后输送到井口房内，再与部分渗透冷空气混合后以不低于2℃送入井口内，达到冬季井口防冻要求，满足了井口安全生产的需要。

如图2所示，本发明采用数字化中央模块控制系统及集成电控系统，部件少，控制灵活，运行简单、稳定，自动化控制程度高，维护费用低，使用寿命长达20年以上，实现了系统远程监控和运行故障在线显示，便于工作人员实时进行系统维护、数据分析、历史查询，控制灵活，提高了运行效率。   假设某煤矿矿井的情况如下，下面对于本系统的重要热工参数进行计算：

矿井空压机房现有空压机4台，功率分别为132kW两台，250kW两台。井口最大新风量为8000m³/min，即133.3m³/s，冬季室外计算最低温度为-15℃，相对湿度60％(含湿量0.61g/kg)，进风温度5℃，含湿量保持不变，则井口热负荷：

Q＝ρv(h₁-h₂)＝133.3×1.29×(6.56-(-12.66))＝3298kW

副井工作区域的供暖面积总面积为2178m²，则：

热负荷：Q＝2178m²×0.1kW/m²＝217.8kW

总的热负荷为3298+217.8＝3515.8kW

1、砖厂余热计算：

(1)砖厂焙烧窑热工计算依据

a、烟气侧数据：

烟气量：30000m³/h；

烟气初始温度：460℃；

(因考虑到换热器入口为烟气母管，温度取值为350℃)

烟气比热：0.280kcal/kg.℃；

烟气密度：0.484kg/m³。

b、被加热水侧数据：

流量：100m³/h；

被加热水初始温度：30℃。

c、回收热量计算

一般情况下，煤制气或煤燃烧所产生烟气温度降到150℃以下时，就可能产生烟气低温结露，会对换热管造成低温腐蚀，计算时取150℃为宜；

因为高温烟气管线输送和换热器表面热量散失，换热器热效率一般取90％；

回收热量为：

0.280kcal/kg.℃×(350-150)℃×30000m³/h×0.484kg/m³×90％

＝731808kcal/h

＝851.2kW

因砖厂冬季运行受产量制约而使得所回收的余热量不稳定，取回收量为800kW。

2、空压机的冷却废热计算：

(1)矿井空压机房现有空压机4台，功率分别为132kW两台，250kW两台。

(2)空压机冷却废热

冬季冷却风机风量温度在60℃以上(潘西空压机排气温度在85℃)，取55％计算空压机冷却废热，空压机约50％输入电功率转换为热，因此冷却废热产生的热量：(132*2+250*2)*50％＝382kW

因空压机为三开一备，故可回收热量为200Kw。

3、翅片换热器换热能力：

水处理厂净化后的矿井水通过潜水泵直接进入井口的翅片管换热器，进口温度27℃，出口温度为20℃。副井的环境温度为-13℃，换热器出口气温10℃。

根据现有的翅片换热器的尺寸，单个换热器的长2.1米，高1.5米，共有12组换热器。

热水进口温度Ti＝27℃

热水出口温度To＝20℃

空气进口温度ti＝-15℃

空气出口温度to＝10℃

对数温差Δt＝((Ti-to)-(To-ti))/ln((Ti-to)/(To-ti))＝25℃

总的换热面积为175*12＝2100m²

翅片换热器的换热量：

传热系数k：30w/m².k

Q＝k*S*Δt＝30*2100*25＝1575kW

从水处理厂抽取的矿井水直接进入井口翅片换热器，水量200m³/h，进出口温度差5℃，提取的热量为：

Q＝200×1.167×5＝1167kW

通过以上计算，砖厂余热为800kW，空压机余热为200kW，翅片换热器所提取的热量为1167kW，以上三者总的供热量为2167kW，剩余机组需提供的供热量即为1348.8kW。

根据以上热负荷、热量的计算及实际情况，选用两台型号为WSHP-1067G的水源热泵机组，即可满足井口的防冻要求，并有一定的富裕量。

Claims (4)

1.一种节能型煤矿井口防冻系统，其特征在于，采用数字化中央模块控制系统及集成电控系统，包含有沉淀池(1)、煤矸石砖厂焙烧窑降温段(2)、空压机(3)、矿井水清水池(4)、板式换热器(5)、中介水系统(6)、水源热泵机组(7)、新风机组(8)、井口空气换热器(9)、翅片换热器(10)、销钉换热器(11)、引风机(12)和水泵(13)，沉淀池(1)、板式换热器(5)、中介水系统(6)、水源热泵机组(7)、新风机组(8)、井口空气换热器(9)顺次连接，空压机(3)废热管道上安装有引风机(12)，空压机(3)产生的废热通过引风机(12)送入井口加热冷风，煤矸石砖厂焙烧窑降温段(2)通过销钉换热器(11)与翅片换热器(10)连接，矿井水清水池(4)通过水泵(13)与翅片换热器(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种节能型煤矿井口防冻系统，其特征在于，所述沉淀池(1)与板式换热器(5)之间设置有净化过滤系统(14)。

3.根据权利要求1所述的一种节能型煤矿井口防冻系统，其特征在于，所述中介水系统(6)包含有软化除垢及补水系统。

4.根据权利要求1所述的一种节能型煤矿井口防冻系统，其特征在于，所述的板式换热器(5)采用污水源板式换热器。

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