平煤四矿-乙二醇降温.doc

热-电-乙二醇低温制冷矿井降温技术的研究及应用作者：卫修君 胡春胜摘 要：从技术和经济角度分析总结了已有降温模式的缺点和使用中存在的问题。利用瓦斯发电后的烟气余热作为矿井降温制冷动力，首次提出了采用热-电-乙二醇低温制冷解决井下高温问题的模式及理论。通过在平煤四矿应用，取得了国内最好的降温效果，并在运行成本、可靠性上取得重大突破。关键词：瓦斯发电余热制冷；热-电-乙二醇低温制冷；矿井降温随着煤矿开采深度的不断增加，矿井热害越来越严重。平顶山煤业集团为了解决高温热害难题，多年来投入资金数亿元进行研究探索，取得了一定的成效，为热害治理打下了一定的基础。近年来，迫于安全的压力和建设国家循环经济示范矿区的需要，平煤集团开始进行瓦斯抽采、发电、余热制冷技术综合研究与工程示范的实践。通过抽采瓦斯，保障矿井安全生产；抽出的瓦斯进行发电，变废为宝，减排减污；在热害治理方面先后进行了多种降温模式的研究，取得了一定的效果，但上述研究都是单一的、孤立的、不系统的，未能从根本上解决热害治理技术难题。该研究项目是将热-电-乙二醇低温制冷加以集成研究和工程示范，研究重点是利用瓦斯发电余热作为矿井降温制冷动力源进行集中制冷，解决井下高温热害问题，并形成完善的新型矿井降温技术理论体系。该项目为2008年河南省重大科技攻关项目，项目成果通过煤炭行业权威机构鉴定，并获得3项国家发明专利。通过在平煤四矿的应用，在可靠性、降温幅度、低运行成本、维护管理上取得重大突破，荣获2008年中国煤炭工业协会科学技术一等奖、2008年河南省安全生产科技进步一等奖、2008年河南省煤炭工业科技进步特等奖。1 已有降温模式的应用情况分析平煤集团是我国最早出现井下热害的矿区之一。为解决井下高温热害问题，平煤一矿实施了井下局部降温(1979年)、五矿己三采区实施了井下集中降温(1996-2005年)、八矿实施了冰块降温(1997年)、六矿实施了片冰降温(2005-2006年)，在这些降温方法中，最为突出的是设备可靠性、降温效果和运行成本问题。1.1 井下局部降温(1980年)据统计降温幅度基本在12。平煤一矿使用的国产设备可靠性差、降温效果差；国内峰峰矿务局梧桐庄矿、阜新矿业集团及国外波兰的高温煤矿使用德国机组的可靠性好，但降温效果差、成本高、投资大。通过总结分析，局部降温只适宜于井下局部高温的情况，对于区域性高温的矿井，该种方法的应用受到限制。1.2 井下集中降温(1996-2005年) 设备可靠性差，排热不方便，具有一定的降温幅度，一般为24；优点是投资省、运行费用低、冷量损失小。通过平煤五矿的应用，井下集中降温只适于井深小于900m、井下具备良好排热条件(含低温水、低温回风)，且设备可靠性能高的条件下使用。1.3 冰块降温(1997年) 通过平煤八矿的应用，该降温方式具有良好的降温效果，但运冰不方便，且成本高。在比较不同制冰方式的制冰成本和投资后，通过改变输冰方式，可以值得进一步研究。1.4 片冰降温(2005-2006年) 1986年在南非金矿首次开始应用冰降温，地面；设制冰站制取片冰，用水平输送器送至井筒输冰管道入口，通过自重落入设在井下的融冰池，冰融化成低温水，水泵将低温水输送到工作面进行循环，通过空冷器散冷至采掘工作面，从而达到降温的目的。目前国内制冰设备技术成熟，关键是制冰设备能效比的选择，片冰制备主流生产厂家有重庆冰人、上海格兰特、福建雪人。片冰降温的优点：可靠性较好，具有一定的降温效果。据国内统计降温幅度一般在35，如平煤六矿上马片冰降温系统后2006年6月18日实测采面上口温度由34.2降到30.1，降幅4.1。片冰降温的主要缺点是投资大、能耗高，如日产760t/d的降温系统，能够服务1面1头，其总投资预计在5000万元，系统运行功率2600kW，日运行电费为27000元/d以上(尚不包括设备折旧、人工、水耗、材耗等)。导致吨煤成本居高不下。由于制取片冰需要的蒸发温度为-25以下，且制取片冰过程中由水变成冰，再由冰变成水，能量浪费大、效率低，发达国家已经淘汰片冰机，取而代之的是冰浆机。冰浆机的蒸发温度大多为-5，制冰效率高，国内主要厂家有天津飞太壳、广州科能。从技术和经济角度，南非、波兰、美国的矿井降温规范规定：“高温矿井的采深大于3000m或采面岩石温度超过60时可采用冰降温”，而我国煤矿现阶段，甚至将来很长一段时间，采深和岩石温度难以达到此水平，因此片冰降温不符合目前我国煤矿经济降温使用。根据国内几大矿区的矿井降温情况分析，总体降温模式上与平煤集团相似，因此可以说，我国目前缺乏可靠性高、降温效果好、运行费用低、投资省的矿井降温技术。2 热-电-乙二醇低温制冷理论乙二醇溶液作为载冷剂，不同于水，其黏度、密度、热导率等随温度变化而变化，沿程阻力损失和冷量损失将很难确定，无法通过传统的阻力计算方式和温升方式来确定沿程阻力和冷量损失，故组织了国内权威的研究机构对此进行研究，通过实际应用，表明研究结果客观、有效。根据质量守恒方程、动量守恒定律、能量守恒方程，对相关理论进行离散分析，通过数值计算与拟合，在对上述数学模型简化的基础上，应用数学工具onrigin6.0软件对乙二醇溶液的密度、比热容、动力黏度进行拟合，得到相关的数学表达式。不同浓度时乙二醇溶液的动力黏度、密度、比热容的拟合曲线见图1-3。图1 不同浓度时乙二醇溶液动力黏度拟合曲线图2 不同浓度时乙二醇溶液密度拟合曲线图3 不同浓度时乙二醇溶液的比热容拟合曲线3 应用及技术经济分析在模拟分析热-电-乙二醇低温制冷系统热力学基础上，根据考察国内降温实例及平煤集团以前的降温经验，并结合平煤四矿生产条件及四矿瓦斯发电厂余热可以充分利用的有利条件，经充分研究论证确定采用“热-电-乙二醇低温制冷降温模式”。3.1 降温范围及降温标准根据四矿生产条件和热害现状，实施2面2头降温，即己16-23070综采面、已15-23140机巷掘进面、三水平专回下山、己16-23060综采工作面。综采面平均每面风量为1600m3/min，温度按36计算；掘进面每面风量按500m3/min，温度按36计算。根据井下风流热力参数分析计算，可以确定矿井总的冷负荷为5000kW。矿井降温标准：根据国家有关规定，将采掘工作面气温降到28以下。3.2 工艺流程利用电厂蒸汽余热，通过溴化锂吸收式制冷机一级制冷制出5.2的低温水，再由压缩式制冷机二级制冷使冷媒温度进一步降低到-3.4，然后由主斜井送到-320m水平的换冷硐室内的高低压换热器的高压侧进行冷热交换，乙二醇水溶液放出冷量后返回地面循环使用。高低压换热器的低压侧循环水吸收冷量后，由冷水泵将3左右的低温水输送到安装在综采工作面机巷的空冷器进行冷热交换(见图4)，使工作面进风流温度降低，达到治理热害的目的。图4 四矿利用电厂余热制冷降温系统示意图3.3 降温效果根据采掘工作面实际冷负荷及工作需要及具体条件，该降温系统可实现以下6种运行模式。模式M1：只开1台溴化锂机组；模式M2：开1台溴化锂机组和1台乙二醇机组；模式M3：开1台溴化锂机组和2台乙二醇机组；模式M4：开1台溴化锂机组和3台乙二醇机组；模式M5：只开3台乙二醇机组；模式M6：纯水作冷媒的运转模式(含方式1至6，但设计冷冻水出水温度为24)。可任选一种模式解决矿井高温问题，适用范围广，如果有余热可利用，采用M1-M4或M6，如果没有余热可利用可采用M5或M6的不含溴化锂机组部分，任何热害类型的矿井均可借鉴。M4可以确保采掘工作面温度降幅超过或达到910，但也是最耗电的模式，经过近2个月的运转，经济合理的运行模式是：按热害时段，选择运行模式。4月底-6月底：选择M1；7-8月：选择M3或M2；9-11月：选择M1。平煤四矿自2007年8月8日开始运行了4种降温模式，9月的实测数据见表1。通过平煤四矿实施降温后的结果与降温前比较，并根据项目查新和专家鉴定：项目整体达国际先进水平，其中制冷模式和冷量配送技术达国内领先水平。表1 工作面降温后实际测量参数及降幅(2007年) 3.4 技术经济分析整个系统的运行成本主要体现在：人工费、电费、热力费、水费、设备折旧费等费用。计算分析表明，3个月运行期间降温系统成本为193.5万元。根据四矿生产统计报表，2007年5-7月为降温前，8月以后为降温期，降温后，降温工作面共增产原煤132360t。影响矿井产量的因素较多，根据国外统计，就降温角度而言，气温增加1，矿井生产效率降低6%8%，反之，采用降温措施后，气温每降1，矿井生产效率提高6%8%，实际降温幅度按8考虑，则提高的劳动生产效率为48%以上，因此由于降温而提高的产量如下：13236048%=63532.8t。吨煤售价420元，扣除吨煤生产可变成本210元，则直接创造经济效益：63532(420210)-193.5=1140.7万元，每月可产生纯利润：1140.73=380.2万元。4 结论与建议该研究项目通过在平煤四矿的应用，取得了传统降温方法无法达到的降温效果，系统可靠、运行成本低廉，充分利用了瓦斯发电厂的烟气余热，实现了变废为宝、发展循环经济的思想，符合国家产业政策。该项目的降温模式，在有余热可利用的情况下，可以利用热-乙二醇模式和热-电-乙二醇模式；没有余热利用的情况下，可直接采用电-乙二醇模式，均能可靠、低运行成本解决井下高温热害难题。可适应任何类型高温矿井。该项目的6种运行模式，每一模式可解决任何煤矿的高温热害问题，可为我国矿井降温工作提供多方面的科技成果和实践经验。平煤四矿主斜井降温工程创科技新高受矿工好评本网讯 近日，河南平煤集团公司四矿主斜井降温工程在该矿热电厂附近落成并投入运行。四矿位于平顶山市擂鼓台山下，是平煤集团大型骨干矿井之一。平煤四矿是一个有着50余年发展史的老矿，近年来，随着深部开采，地质条件复杂，劳动强度增大，特别是采掘一线职工，还要经受路途远、温度高的考验，为了全矿的安全生产和稳定发展，采掘一线职工常年坚守采掘工作面，默默奉献。于是该矿想矿工之所想，依靠职工，关爱职工，从职工利益和企业长远发展出发，决心投资建设降温工程以改善一线矿工们的劳动条件。 因四矿地质构造相对复杂，所属矿井的热害类型是深热型，每个矿井所拥有的基础条件不一样，采用适合各矿具体条件的降温方案也就不一样。因此，中煤国际工程集团武汉设计研究院及武汉星田热环境控制技术有限公司根据四矿具体情况，经过严格考察调研，结合四矿生产实际提出采用热-电-乙二醇-溴化锂低温制冷降温技术方案，该技术借助电厂余热蒸汽利用国内成熟的溴化锂吸收式冷水机组和国际上成熟的螺杆乙二醇低温机组技术来实现降温，开辟了国际能源利用技术和矿井降温技术的新途径。 据悉，该降温工程系统总装机制冷量12260kw，采掘工作面设计降温幅度5-7。其中一期工程总装机制冷量7055kw，有功功率1466kw，供冷范围能满足“二面两头”降温需要，二期工程完工后，供冷范围将延伸至更多工作地点。整个乙二醇低温循环系统管道直径DN250mm，流量达284m3，长度4100m，高差530m，乙二醇溶液浓度25-30%，为国内最大的乙二醇低温循环系统。该系统能同时向井下一面三头和热电厂办公楼供冷，为国内第一座井下降温和办公楼中央空调相结合的系统，可实现地面公共建筑集中供冷。经河南省科技厅组织有关专家鉴定，该项目在国内外属于领先水平，其采用的热动力学理论和实践，蕴藏着深刻的内涵。其采用的综合矿井降温技术，经在国家信息中心查询，国内外未见相关文献记录，由