0第七章中国煤矿废热资源综合利用技术鲍1126

中国煤矿废热资源综合利用技术目录煤矿废热资源利用技术核心技术产品科技成果转化应用423背景介绍1结论5中国是世界第一产煤大国，煤炭在能源结构中居于主体地位，占一次能源消耗量的70%左右；我国煤炭资源丰富，市场需求旺盛，据预测2015，2020，2030年煤炭需求量分别为37～39、39～44、45～51亿吨，煤矿开采量逐年增加；伴随煤矿开采中的矿井回风、矿井排水、坑口电厂冷却水及煤矿洗浴废水等，蕴含着大量余热和废热资源；这些废热属于低位热能资源，不能直接利用，基本都被直接排放到外界环境中，造成了很大的能源资源浪费和环境污染；回收利用这些废热资源技术的研究具有非常重要的经济效益和社会效益。1.背景介绍充分利用矿井低位热能，需着重解决以下关键问题：（1）不同低位热能资源的提取工艺和设备研发。（2）低位热能高效转换装置研发。（3）用户末端设备和产品研发。（4）系统的优化与控制等。1.背景介绍热泵是一种高效节能的能量转换装置，可以把不能直接利用的低位热能转换为可利用的热能；基于此技术研发与不同载体的低位热能资源特点相适应、与之相匹配的低位热能提取转换工艺和设备，以及满足用户生产生活需要的末端设备产品是这些低位热能资源能够得到合理高效利用的关键；河北工程大学与北京矿大节能科技有限公司组成的项目团队，基于热泵技术对传统的煤矿废热回收技术进行了创新和改进，在核心技术研究、产品和设备研发和工程应用等方面，取得了具有创新意义和应用价值的科技成果。1.背景介绍矿井废热资源排烟坑口电厂冷却水矿井排水矿井回风煤矿洗浴废水1.背景介绍——国内外应用研究现状根据相关资料显示，目前国外对于矿井废热资源的回收利用主要在于矿井排水、矿井回风的利用，国外主要产煤国家对矿井水资源化的研究己有几十年的历史，取得了较大的成绩。20世纪70年代开始，德国的莱茵褐煤矿和希腊南部的米加罗波里褐煤矿，将排出的地下水直接通过管道输送至电厂，供其发电之用。1985年前苏联顿巴斯矿区，将矿井水源热泵系统应用于建筑物的采暖中取得了非常好的效果，使矿井水利用率超过90%，即保护了环境，又取得了很大的经济效益。日本矿井废水除部分用于洗煤外，大部分矿井废水经沉淀处理去除悬浮物后排入地表水系。1.背景介绍——国内外应用研究现状国内矿井水治理和综合利用的研究起步较晚，目前国内煤矿企业对矿井水的利用主要为两种途径：（1）不进行任何处理直接外排，（2）对矿井排水进行简单的净化处理应用于生产和生活上。充州矿业集团东滩煤矿实现了对矿井污水井下处理及处理后的净化水直接利用,取得了矿井污水处理和水资源综合利用技术的重大突破与创新,居国内领先水平,有着广泛的推广价值。从矿井回风中提取热量的研究和应用实例比较有限：国内学者朱晓彦于2006年最早提出了矿井回风热回收技术，并申报了专利“矿井回风热回收利用的方法及装置”山东新汶矿业集团邸建友等人提出并申报了“矿井乏风热能利用装置”山东科技大学的辛蒿等人研发了矿井通风余热热管回收装置山东建筑大学等单位联合设计的矿井回风余热全回收装置。1994年，国外首先提出了矿井回风源热泵系统被应用到温室加热中，随后提出了各类的矿井回风热交换器，热管、喷水室等，对矿井回风结合水源热泵系统的热回收系统的应用进行了可行性分析。1.背景介绍——国内外应用研究现状对于洗浴废水热能回收利用上国外的一些学者研究起步较早，而且已经有实际的工程应用。2003年韩国能源学院的太阳能研究中心的N.C.Baek设计并使用以桑拿和公共浴室的废水作为热源的热泵系统进行能源分析达到评估系统的效率，并使用TRNSYS（TransientSystemSimulationProgram）软件通过计算机模拟进行能源的分析欧洲第一个最大的室内游泳池—“瑞士苏黎世市室内游泳池”就已经全部利用热泵采暖，并采用热泵对空气减湿、吸取排水热量，并以河水热量作必要补充。1.背景介绍——国内外应用研究现状国内学者对洗浴废水的回收处理做过一些研究。南华大学的寇广孝、王汉青等对电热泵用于浴室生产热水的理论热力循环分析和研究,其热泵系统是将电热泵用于公共浴室回收洗澡废热水余热并直接为公共浴室生产热水。南华大学的黄坤荣等针对热泵在高校的浴室废热回收上的应用作了研究国内大部分的洗浴中心不包含游泳池，所以对洗浴废水热泵系统的研究就比较少，至于专门针对煤矿洗浴废水热能回收利用的研究就更加缺乏。1.背景介绍——国内外应用研究现状针对这一利用现状，北京矿大节能科技有限公司在现有的热回收技术基础上做了大量的研究工作，取得了非常不错的成果，尤其是基于热泵系统原理对传统的矿井废热回收技术进行了较大的创新和改进，取得了非常不错的效果。公司自主研发的矿井排水、回风、坑口电厂冷却水、煤矿洗浴废水等热能提取综合利用技术已经达到国内、国际领先水平。1.背景介绍——国内企业目录矿井低位废热资源利用技术核心技术产品科技成果转化应用423背景介绍12.矿井低位废热资源利用技术①矿井排水热能利用技术②坑口电厂冷却水热能利用技术③洗浴废水热能利用技术④矿井洗浴废水热能利用技术⑥矿井废热资源综合利用技术矿井废热资源利用技术⑤矿井回风热能利用技术矿井排水水温一年四季变化不大，一般在18～20℃左右，其中蕴含大量的低温热能，因此对于这部分能量的利用具有十分重要的意义。①矿井排水热能利用技术传统矿井水热能提取方法是提取处理后的矿井水中热能，但处理后的矿井水受环境温度影响较大，造成热量损失，据此北京矿大节能科技有限公司提出了矿井水热能在线提取技术。矿井排水热能利用技术原理我国是一个以煤炭为主要能源的国家，在大多数煤矿都有坑口电厂冷却水，储量巨大。其采用凝汽式机汽轮机组，凝汽器冷却循环水温度一般在20～40℃，通过冷却塔冷却，热量直接散失到大气中去，造成大量能源的浪费。②坑口电厂冷却水热能利用技术坑口电厂冷却水热能回收技术，直接回收其热量，用于冬季采暖、职工洗浴、井筒防冻。坑口电厂冷却水热能利用技术原理煤矿洗浴用水量大，传统做法是燃煤锅炉产生蒸汽用于加热洗浴热水，为此每年耗费大量燃煤，造成环境污染加重，能量利用率低，另一方面煤矿洗浴废水排水温度在30℃左右，排水量大，可利用废热量多。③煤矿洗浴废水热能提取技术基于回收低位热源热能的热泵系统提出了煤矿洗浴废水热能提取技术，专门研发了煤矿洗浴废水毛发过滤专用设备。煤矿洗浴废水热能提取技术原理板式换热器采暖、制冷集水坑热泵机组洗浴热水洗浴废水集水池④排烟热能回收利用技术排烟热能回收利用技术采用两级取热技术，第一级提取高温热能直接用于建筑采暖，第二级采用低温烟气换热技术将10℃以上的烟气中的热能利用热泵技术转换成高温热能用于建筑采暖。排烟热能回收利用技术原理矿井回风中含有大量的余热资源以井下开采为主。矿井回风流温湿度常年基本恒定，温度一般在14～30℃，相对湿度在90%以上，风量约50～500m3/s。⑤矿井回风热能利用技术矿井回风热能回收技术原理存在的主要问题热湿交换性能评价问题；结构设计及优化问题；最优热湿传递途径问题；行业约束规范的问题。矿井回风热能利用技术主要内容12现场试验测试3热湿交换单元数学模型的建立与分析热湿交换单元结构的模拟与完善研究工程应用现场测试——测点布置温度测点布置出口风速测点布置扩散塔喷淋换热器排风管道，内设矿井通风机两台地下集水池排风温湿度及风速测点测试现场照片上水温度测点地下集水池测量出水温度测试结果分析——夏季工况矿井排风的干湿球温度及风量河南：27.8℃、27.6℃（风机后的干、湿球温度）。风量95m3/s。山西：19.6℃、19.3℃（风机后的干、湿球温度）。风量123.7m3/s。相对湿度98%相对湿度97%换热效率测试结果分析——夏季工况河南煤矿山西煤矿测试结果分析——夏季工况45678910111290010001100120013001400150016001700180019002000风水进口温差/℃换热量/kW河南风量为95m3/s，进风干湿球温度分别为27.8℃、27.6℃1778.4kWtw1=37.8℃957.6kWtw1=32.6℃风量为123.7m3/s，进风干湿球温度分别为19.6℃,19.3℃在测试工况下，当进水温度提高到23.1℃时（风水进口温差约3.5℃），换热量为782.1kW。假定传热效率X一定，当喷淋水进口温度为35℃，其他条件不变的条件下，换热量可达到4467kW，完全可以满足矿区冷负荷的需求。山西煤矿换热量测试结果分析——夏季工况出口速度高，河南煤矿热湿交换单元速度分布均匀度较差。两个煤矿单元出口均出现不同程度的漂水现象。河南山西出口风速矿井回风热能利用技术主要内容12现场试验测试3热湿交换单元数学模型的建立与分析热湿交换单元结构的模拟与完善研究模型的建立下喷式热湿交换单元气-水滴传热传质模型已知水滴直径D、气流速度v、水滴初速度u(0)、进口空气干球温度t1和含湿量d1、进口水温tw1、气流量G、水流量W、热湿交换单元高度H，通过对tw2的迭代计算，联合四阶龙格-库塔法可对上述微分方程组进行数值求解，可得到t、d、tw、u、𝑄𝑠、𝑄𝑡在热湿交换单元高度H上的分布。测试结果分析——山西煤矿冬季工况风水参数冬季矿井排风温湿度低于夏季，约为14.93℃，96%。风量高于夏季，约为149.29m3/s。出风干湿球温度13.21℃；进出水温分别为11.5℃、13.17℃。热湿交换效率换热量在测试工况下，换热能力仅为681kW，COP按4计算，用户端供热量为908kW。全热交换效率97.5%，加热效率52.7%，传热效率48.1%。计算结果分析——传热传质过程夏季工况01234562526272829303132塔高/m(a)z=0时，t1=25tw1=28.5d1=0.01802z=H时，t2=30.0605tw2=31.9989d2=0.021844温度/℃ttw01234560.0180.0190.020.0210.0220.0230.024塔高/m(b)含湿量d/g/kg气流含湿量d水温下的饱和空气含湿量dw已知：t1=25℃、相对湿度为90%（d1=0.01802g/kg）、tw1=32℃、u(0)=6m/s、v=3.5m/s、D=1.5mm、H=6m、W=G=10kg/s0123456-35-30-25-20-15-10-50塔高/m换热量/kW显热Qs全热Qt•显热、潜热均由水传递给空气；•塔底部显热交换推动力大于顶部；•整个过程中潜热交换量所占比例较大•显热和潜热量随着塔高的增高逐渐减少冬季工况已知：t1=20℃、相对湿度为90%（d1=0.0132g/kg）、tw1=10℃、u(0)=6m/s、v=3.5m/s、D=1.5mm、H=6m、W=G=10kg/s•显热、潜热均由空气传递给水；•塔底部显热、潜热交换推动力均大于顶部；•整个过程中潜热交换量所占比例较大•显热和潜热量随着塔高的增高逐渐减少计算结果分析——传热传质过程01234560.0060.0070.0080.0090.010.0110.0120.0130.014塔高/m(b)含湿量/g/kgddw01234568101214161820塔高/m(a)z=0时，t1=20tw1=14.7d1=0.0132z=H时，t2=12.3817tw2=9.9271d2=0.0082704温度/℃ttw01234560102030405060塔高/m换热量/kWQsQt矿井回风热能利用技术主要内容12现场试验测试3热湿交换单元数学模型的建立与分析热湿交换单元结构的模拟与完善研究喷水条件下“完善模型”流场模拟以夏季工况为例，利用Fluent软件的离散相模型，对喷水条件下“完善模型”（喷水高度H=9m，外轮廓线半径R=5m，断面扩大系数n=1.5）内空气和水的流场进行模拟分析。根据研究结论设计数值模拟的初始条件：水滴初速度u0=6；水滴直径初始直径：D(0)=0.0015m；水滴初始温度：Tw(0)=3