熊楚超，羅景輝，魏 瑩，劉 歡，侯立泉，張昌建，2

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

在煤礦生產(chǎn)的過(guò)程中，井口防凍是保證礦井安全生產(chǎn)的必要措施，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，礦井進(jìn)風(fēng)井口空氣溫度應(yīng)保證在2℃以上[1]。因此在室外氣溫低于2℃時(shí)，需要對(duì)礦井進(jìn)風(fēng)井口處的空氣加熱后送入。傳統(tǒng)的加熱方式是采用燃煤、燃?xì)饧訜釤崴蛘咧苯硬捎秒姛犸L(fēng)爐加熱礦井進(jìn)風(fēng)井口處的空氣。隨著能源供應(yīng)和環(huán)境污染矛盾突出，逐漸意識(shí)到回收利用礦井排風(fēng)低溫?zé)崮艿闹匾訹2-4]，出現(xiàn)了直接噴淋式礦井排風(fēng)余熱提取技術(shù)結(jié)合水源熱泵制取熱水用于井口防凍。但由于礦井排風(fēng)中含有粉塵、酸性物質(zhì)，容易造成管道、熱泵蒸發(fā)器堵塞、腐蝕；后來(lái)又提出采用間壁式換熱器直接提取礦井排風(fēng)的余熱[5，6]，這種方式解決了管道、熱泵蒸發(fā)器的堵塞、腐蝕問(wèn)題，但是隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，灰塵會(huì)在換熱器上堆積，造成整套通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)阻加大也降低了換熱效率。近幾年出現(xiàn)采用整體式熱管利用礦井排風(fēng)余熱加熱礦井送風(fēng)的技術(shù)[7，8]，這類(lèi)技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)利用礦井排風(fēng)加熱礦井送風(fēng)的問(wèn)題，但是進(jìn)風(fēng)井與排風(fēng)井距離不能太遠(yuǎn)，且風(fēng)道和占地面積較大，土建投資費(fèi)用高。針對(duì)整體式熱管回收存在的問(wèn)題，本文在總結(jié)原有技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)距離遠(yuǎn)、場(chǎng)地小、礦井排風(fēng)在高處的風(fēng)井，提出分體式礦井排風(fēng)余熱回收井口防凍供熱系統(tǒng)。

1 分體式余熱回收系統(tǒng)原理

分體式礦井排風(fēng)余熱回收系統(tǒng)是通過(guò)利用熱管移熱原理來(lái)實(shí)現(xiàn)將熱量從礦井回風(fēng)向礦井送風(fēng)轉(zhuǎn)移的過(guò)程。熱管主要包括蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段，利用相變傳熱原理來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移過(guò)程。熱管可以分為整體式熱管和分體式熱管。在熱管安裝位置受限時(shí)，可將熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分開(kāi)，從而形成分體式熱管結(jié)構(gòu)。分體式余熱回收系統(tǒng)在礦井排風(fēng)側(cè)設(shè)置蒸發(fā)器，礦井進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置冷凝器，蒸發(fā)器和冷凝器之間介質(zhì)循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，由介質(zhì)循環(huán)泵提供動(dòng)力。循環(huán)介質(zhì)采用乙二醇溶液，濃度為40%～50%之間時(shí)，冰點(diǎn)溫度低于-25℃，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并且停止運(yùn)行時(shí)介質(zhì)不結(jié)冰[9-11]。

2 礦井排風(fēng)余熱回收井口防凍系統(tǒng)

礦井井口防凍主要通過(guò)應(yīng)用分體式余熱回收技術(shù)利用礦井排風(fēng)熱量來(lái)加熱礦井送風(fēng)。系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。礦井排風(fēng)口設(shè)置兩級(jí)屋頂式蒸發(fā)器，礦井送風(fēng)口設(shè)置兩級(jí)冷凝器[12]。一級(jí)蒸發(fā)器與二級(jí)冷凝器連接，二級(jí)蒸發(fā)器與一級(jí)冷凝器連接，分別由介質(zhì)循環(huán)泵提供動(dòng)力。在蒸發(fā)器和冷凝器實(shí)現(xiàn)介質(zhì)與礦井排風(fēng)和送風(fēng)的換熱過(guò)程，在兩路介質(zhì)循環(huán)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱量從蒸發(fā)器向冷凝器的轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)根據(jù)礦井排風(fēng)和送風(fēng)溫度的匹配情況設(shè)置兩套管路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。并且當(dāng)介質(zhì)輸送過(guò)程中存在的泄露問(wèn)題時(shí)，可以互為備用。礦井排風(fēng)首先與一級(jí)蒸發(fā)器中的介質(zhì)換熱，經(jīng)過(guò)一級(jí)蒸發(fā)器后的排風(fēng)與二級(jí)蒸發(fā)器中的介質(zhì)換熱后排放到大氣中去。介質(zhì)在蒸發(fā)器吸收熱量后通過(guò)介質(zhì)循環(huán)泵的作用傳輸?shù)降V井進(jìn)風(fēng)加熱器即冷凝器用于加熱新風(fēng)，為減少熱量散失，冷凝器的布置可避開(kāi)冬季主導(dǎo)風(fēng)向進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)冷凝器加熱室外的空氣達(dá)到2℃后送入井下。考慮在極端天氣和礦井排風(fēng)熱量不足等特殊情況下，為確保井口不凍，保證礦井安全生產(chǎn)，系統(tǒng)設(shè)置電加熱裝置。另外在礦井排風(fēng)口設(shè)置的蒸發(fā)器為帶噴淋的蒸發(fā)器，在設(shè)備維護(hù)期間對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行沖洗，可有效解決礦井排風(fēng)對(duì)設(shè)備的腐蝕、堵塞等問(wèn)題[13，14]。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為太原市西銘冀家溝煤礦礦井排風(fēng)余熱利用項(xiàng)目，該礦進(jìn)風(fēng)井是一個(gè)單獨(dú)礦井，進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量約為117m3/s，進(jìn)風(fēng)井距離排風(fēng)井約130 m，排風(fēng)井回風(fēng)量為167m3/s，冬季出風(fēng)溫度約為10～12℃，當(dāng)?shù)氐臉O限最低氣溫平均值為-21.9℃。在進(jìn)風(fēng)井場(chǎng)地建設(shè)了由2臺(tái)4t/h燃煤熱風(fēng)爐組成的供暖設(shè)施，用于進(jìn)風(fēng)井防凍。依據(jù)相關(guān)規(guī)定“井筒保溫供熱不應(yīng)使用熱風(fēng)爐”，以及燃煤熱風(fēng)爐屬于鍋爐范疇，在國(guó)家和地方要求改造的范圍內(nèi)。該項(xiàng)目依據(jù)因地制宜、能級(jí)匹配原則，采用分體式余熱回收系統(tǒng)，對(duì)礦井排風(fēng)中蘊(yùn)含的余熱資源進(jìn)行提取利用[15]。

3.2 熱平衡計(jì)算

3.2.1 井口防凍熱負(fù)荷

空氣計(jì)算參數(shù)，采暖季極端最低溫度平均值：-21.9℃；冷熱空氣在井筒內(nèi)混合后的空氣溫度2℃(規(guī)范規(guī)定不小于2℃)。熱負(fù)荷計(jì)算公式如下：

Qv=Cpρa(bǔ)Vm(tn-tm)

(1)

式中，Qv井筒防凍熱負(fù)荷，kW；Cp干空氣的定壓比熱容，1.01kJ/(kg·K)；ρa(bǔ)室外溫度下的空氣密度，1.283kg/m3；Vm為井筒進(jìn)風(fēng)量，117m3/s；tn、tm井筒內(nèi)外供暖計(jì)算溫度，分別取2℃、-21.9℃。井筒防凍的熱負(fù)荷為3623kW。

3.2.2 礦井排風(fēng)可回收的熱量

冬季礦井排風(fēng)的溫度在12℃左右，相對(duì)濕度在90%左右，取熱后礦井排風(fēng)的溫度3℃、相對(duì)濕度在100%，按照下式進(jìn)行計(jì)算礦井排風(fēng)可回收熱量。

Q=ρV(h2-h1)

(2)

式中，Q表示礦井排風(fēng)中可以提取的有效利用熱量，kW；ρ為空氣密度，1.2 kg/m3；V為排風(fēng)量，167m3/s；h2表示取熱前礦井排風(fēng)的焓值，kJ/kg，溫度12℃、相對(duì)濕度在90%的焓值為32.13kJ/kg；h1表示取熱后礦井排風(fēng)的焓值，kJ/kg，溫度3℃、相對(duì)濕度在100%的焓值為14.90kJ/kg；代入數(shù)據(jù)得礦井排風(fēng)中可以提取的熱量為3453kW?？紤]到余熱利用率為90%，熱量在傳輸?shù)倪^(guò)程中熱損失約為5%，實(shí)際轉(zhuǎn)移到冷凝側(cè)的熱量約為2952kW。

3.2.3 熱平衡分析

按采暖季極端最低溫度平均值-21.9℃計(jì)算所需的熱負(fù)荷為3623kW，礦井排風(fēng)余熱實(shí)際轉(zhuǎn)移到冷凝側(cè)的熱量約為2952kW，不能滿足極端天氣條件下的用熱需求，經(jīng)計(jì)算，2952kW的熱量能夠滿足將-15℃以上的室外空氣的溫度加熱至2℃以上，能夠滿足絕大部分時(shí)間的使用?？紤]到極端天氣，為了保證供熱的可靠性，增加1000kW電加熱作為補(bǔ)充熱源，總的供熱能力滿足將室外-21.9℃空氣加熱至2℃以上的需求。另外，井筒附近另有約300kW的瓦斯發(fā)電余熱可以利用，將其作為備用熱源，可進(jìn)一步保證系統(tǒng)供熱的可靠性。

3.3 主要設(shè)備選型

1)換熱器選型。分體式余熱回收裝置主要包括屋頂式蒸發(fā)器、冷凝器?？紤]到低溫?fù)Q熱器的換熱效率較低，在對(duì)蒸發(fā)器、冷凝器選型時(shí)考慮了較大的富余量。屋頂式蒸發(fā)器選型，根據(jù)礦井排風(fēng)側(cè)可提取熱量3453kW進(jìn)行選型，選用40臺(tái)帶噴淋的屋頂式蒸發(fā)器，單臺(tái)換熱量100kW。冷凝器選型，根據(jù)礦井進(jìn)風(fēng)側(cè)所需熱負(fù)荷為3623kW，從礦井排風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移到礦井進(jìn)風(fēng)側(cè)的熱量為2952kW，選用48臺(tái)冷凝器，單臺(tái)換熱量80kW。

2)水泵選型。該系統(tǒng)水泵主要包括介質(zhì)循環(huán)泵和噴淋水泵。依據(jù)系統(tǒng)循環(huán)水量和管路阻力確定水泵流量和揚(yáng)程。水泵選型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水泵選型參數(shù)

3)其他設(shè)備。主要包括電加熱裝置2套共1000kW，介質(zhì)水箱和噴淋水箱各一臺(tái)，定壓補(bǔ)水設(shè)備和低壓控制柜各一套。管道保溫，減少換熱介質(zhì)的長(zhǎng)距離的輸送過(guò)程中的熱量散失。風(fēng)阻平衡風(fēng)機(jī)，其作用為平衡風(fēng)系統(tǒng)阻力，根據(jù)對(duì)回風(fēng)井和進(jìn)風(fēng)井進(jìn)出口風(fēng)壓的檢測(cè)和監(jiān)控，自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益分析

4.1 投資費(fèi)用

項(xiàng)目投資費(fèi)用主要包括設(shè)備投資費(fèi)用、管網(wǎng)投資費(fèi)用以及土建、安裝費(fèi)用。設(shè)備購(gòu)置及安裝采用詢價(jià)方式進(jìn)行計(jì)算，土建工程按同類(lèi)工程實(shí)際發(fā)生價(jià)格計(jì)算。項(xiàng)目總投資預(yù)計(jì)約為749.82萬(wàn)元。

4.2 運(yùn)行費(fèi)用

整套系統(tǒng)主要運(yùn)行費(fèi)用主要為水泵、風(fēng)機(jī)運(yùn)行費(fèi)用。山西地區(qū)采暖季為5個(gè)月，共150d，電費(fèi)按0.6元/(kW·h)。變頻水泵運(yùn)行功率150kW，日運(yùn)行時(shí)間24h，負(fù)荷系數(shù)60%，運(yùn)行費(fèi)用19.4萬(wàn)元。風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率8kW/臺(tái)，按12臺(tái)計(jì)算，日運(yùn)行時(shí)間24h，負(fù)荷系數(shù)100%，運(yùn)行費(fèi)用20.7萬(wàn)元。綜合考慮極端天氣影響因素，1000kW電加熱系統(tǒng)運(yùn)行，按30d計(jì)算，所需費(fèi)用43.2萬(wàn)元。冬季運(yùn)行費(fèi)用為83.3萬(wàn)元。

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

該礦井口防凍在未改造前，采用燃煤熱風(fēng)爐加熱井口。若改為電熱風(fēng)爐，其耗電量為3623kW，平均負(fù)荷按總負(fù)荷的60%，按上述給定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，熱風(fēng)爐運(yùn)行費(fèi)用為469.54萬(wàn)元，與熱風(fēng)爐相比整個(gè)供暖期節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用386.24萬(wàn)元。若采用乏風(fēng)源熱泵機(jī)組，系統(tǒng)能效按3.0估算，熱泵主機(jī)用電負(fù)荷至少為1208kW，考慮水泵、風(fēng)機(jī)等附屬設(shè)備，全部系統(tǒng)用電功率至少1500kW。其運(yùn)行費(fèi)用為156萬(wàn)元，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用72.7萬(wàn)元，并且熱泵系統(tǒng)初投資和后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。

4.4 環(huán)保效益分析

通過(guò)礦井排風(fēng)余熱回收利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)余熱資源的回收利用，減少了污染物排放。余熱資源的利用可提取熱量相當(dāng)于年可替代標(biāo)準(zhǔn)煤3048t，可實(shí)現(xiàn)年減少CO2排放7601t、SO2排放49t。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)上述實(shí)際案例分析，提取利用礦井排風(fēng)余熱進(jìn)行井口防凍，并通過(guò)配置電加熱和調(diào)峰熱源，進(jìn)一步確保在極端天氣和礦井排風(fēng)余熱不足情況下的能源供需平衡，使得井口防凍系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。并且避免了投資費(fèi)用較高、占地面積較大等問(wèn)題。該技術(shù)為解決礦井井口防凍問(wèn)題，提供了一種可供參考的解決方法。

2)該項(xiàng)目總投資749.82萬(wàn)元、年運(yùn)行費(fèi)用83.3萬(wàn)元。與熱風(fēng)爐相比，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用386.24萬(wàn)元，與乏風(fēng)源熱泵相比，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用72.7萬(wàn)元，且初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益較好。且有效利用余熱資源，減少了污染物的排放，環(huán)境效益良好。