楊 征，楊光耀，謝永利，王忠強，李孝龍，趙廷江

（1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 神木 719300；2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京 100102）

我國煤礦資源豐富，燃煤鍋爐的大量使用，使得粉塵、PM10 及PM2.5 可吸入物、重金屬物質(zhì)大量排放，嚴重威脅著我們賴以的生存的水土和大氣環(huán)境，成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸；除要付出較大的環(huán)境代價外，運行操作人員的工作環(huán)境差，工作勞動強度高，工人的身心健康也受到了嚴重影響。隨著節(jié)能環(huán)保力度的加大和節(jié)能減排觀念的深入，傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供熱系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足煤礦的綠色低碳發(fā)展，尋找清潔能源代替燃煤鍋爐迫在眉睫。礦井乏風(fēng)余熱資源豐富，是熱泵取熱理想的低溫?zé)嵩?。礦井乏風(fēng)余熱回收利用技術(shù)是近幾年國內(nèi)新興的一項新技術(shù)，經(jīng)歷了噴淋式換熱技術(shù)、熱管式換熱技術(shù)、直蒸式熱泵技術(shù)及直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)4 代技術(shù)的更新迭代。陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司認真落實國家節(jié)能減排環(huán)保政策，提出2#風(fēng)井場地采用清潔能源供熱，代替煤粉鍋爐供熱，解決場地內(nèi)的建筑采暖和井口防凍。

1 目前礦井乏風(fēng)余熱利用現(xiàn)狀

目前，熱泵系統(tǒng)作為一項節(jié)能技術(shù)在礦井乏風(fēng)余熱利用領(lǐng)域已得到了一定程度的推廣，常見的乏風(fēng)熱泵換熱技術(shù)有：乏風(fēng)噴淋式換熱技術(shù)、礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)、礦井乏風(fēng)直蒸式熱泵技術(shù)和直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)。

1.1 乏風(fēng)噴淋式換熱技術(shù)

部分礦井采用循環(huán)噴淋式熱泵技術(shù)回收礦井回風(fēng)低溫余熱[1-6]。循環(huán)噴淋，是在回風(fēng)井口布置淋水換熱器，向上運動的低溫回風(fēng)與噴淋而下的水滴逆向流動換熱，逆向流動過程中回風(fēng)的熱量首先傳遞至水中，換熱后的水儲存于地面設(shè)置的蓄水池，通過蓄水池中的潛水泵供至水源熱泵機組的蒸發(fā)器吸收熱量，通過壓縮機做功，在冷凝器中放熱，加熱介質(zhì)水用于建筑末端和井口防凍供熱。乏風(fēng)噴淋式換熱原理如圖1。

圖1 乏風(fēng)噴淋式換熱原理Fig.1 Principle of exhaust air spray heat exchange

1.2 礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)

礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)原理[7-10]：熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成，管內(nèi)充有工作介質(zhì)；管的一端為加熱段，另一端為冷卻段，中間布置有絕熱段。將熱管的加熱端放在礦井，在礦井的回風(fēng)井和進風(fēng)井之間建乏風(fēng)換熱室，礦井乏風(fēng)通過換熱室后排放，新風(fēng)通過換熱室加熱后進入進風(fēng)機，換熱室內(nèi)熱管的加熱端放在乏風(fēng)熱源側(cè)，冷卻端放在新風(fēng)側(cè)，熱管內(nèi)液體介質(zhì)會在吸熱后蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量并凝結(jié)成液體；如此反復(fù)循環(huán)，乏風(fēng)中的熱量就由熱管的一端傳至另一端的新風(fēng)中。

1.3 礦井乏風(fēng)直蒸式熱泵技術(shù)

直蒸式熱泵技術(shù)原理[11-12]：乏風(fēng)熱泵的核心由乏風(fēng)取熱箱和乏風(fēng)熱泵冷凝壓縮機組2 部分組成。其中乏風(fēng)取熱箱即乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，乏風(fēng)熱泵冷凝壓縮機組由壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成。其基本工作原理和流程是：乏風(fēng)取熱箱安裝在礦井回風(fēng)井上方的取熱平臺，乏風(fēng)經(jīng)過乏風(fēng)取熱箱取熱后排放，乏風(fēng)熱泵機組的液態(tài)冷媒在乏風(fēng)取熱箱中蒸發(fā)吸熱，經(jīng)壓縮機做功后變成高溫高壓的氣體，再經(jīng)過冷凝器放熱后變成液態(tài)，同時制備高溫?zé)崴簯B(tài)冷媒經(jīng)膨脹閥后進入乏風(fēng)取熱箱，進入下一個熱力循環(huán)。乏風(fēng)直蒸式換熱原理如圖2。

圖2 乏風(fēng)直蒸式換熱原理Fig.2 Principle of exhaust air direct steam heat transfer

1.4 直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)

直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)，包括乏風(fēng)取熱箱、直冷式乏風(fēng)熱泵機組和供熱管路。乏風(fēng)取熱箱安裝在礦井回風(fēng)井上方的乏風(fēng)取熱平臺上，通過防凍液管路與直冷式乏風(fēng)熱泵機組的蒸發(fā)器連接，防凍液流經(jīng)乏風(fēng)取熱箱時吸收乏風(fēng)中的熱量，經(jīng)循環(huán)泵將防凍液輸送給直冷式乏風(fēng)熱泵機組的蒸發(fā)器，通過直冷式乏風(fēng)熱泵機組的壓縮機做功，制冷劑在直冷式乏風(fēng)熱泵機組的蒸發(fā)器與冷凝器之間進行熱量的傳遞，制取高溫?zé)崴?。直冷式熱泵換熱原理如圖3。

圖3 直冷式熱泵換熱原理Fig.3 Heat transfer principle of direct cooling heat pump

1.5 4 種乏風(fēng)余熱利用技術(shù)特點對比

1）乏風(fēng)噴淋式換熱技術(shù)可解決井口防凍、建筑采暖和洗浴熱水用熱需求。但存在以下問題：回風(fēng)低于12 ℃時無法取熱或取熱量很少；回風(fēng)與淋水之間的熱濕交換效率低與補水損失過大；水體中煤石固體物質(zhì)與腐蝕性物質(zhì)循環(huán)堆積；對熱泵換熱器的使用壽命與熱泵機組可靠性有影響；對淋水換熱器關(guān)鍵部件“噴嘴”的堵塞與腐蝕；淋水換熱器影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)。

2）乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)僅可解決井口防凍用熱需求。但存在以下問題：管道間壁煤塵臟堵，清洗困難，供熱能力??；結(jié)霜、煤塵及瓦斯聚集，增加風(fēng)阻；須應(yīng)用于中央并列式通風(fēng)井等。

3）礦井乏風(fēng)直蒸式和直冷式熱泵技術(shù)可解決井口防凍、建筑采暖和洗浴熱水用熱需求。2 種技術(shù)均克服了原生態(tài)回風(fēng)中的煤石固體物質(zhì)對乏風(fēng)換熱器金屬表面沖刷及腐蝕問題；解決了回風(fēng)中的油黏性物質(zhì)及其附生菌類物質(zhì)在乏風(fēng)換熱器表面念聚與滋生問題；提供了換熱效率，同時保證了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全。但直蒸式熱泵技術(shù)取熱后的溫度不能降至霜點以下，而直冷式熱泵技術(shù)不受該溫度影響，最低可取至-15 ℃。直冷式熱泵技術(shù)應(yīng)用面更廣。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 礦井概況

陜西陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司位于陜西省榆林市神木縣大保當(dāng)鎮(zhèn)，小保當(dāng)2#礦井設(shè)計規(guī)模13.00 Mt/a。冬季極端最低溫度平均值-23.9 ℃，最低溫度達-29 ℃。

改造范圍內(nèi)供熱需求主要有風(fēng)井場地井口防凍和建筑采暖用熱。場地范圍內(nèi)有礦井乏風(fēng)余熱資源，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟性比選，確定采用直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)，替代原有燃煤鍋爐供熱。

2.2 供熱負荷計算

小保當(dāng)2#風(fēng)井場地進風(fēng)立井進風(fēng)量為18 000 m3/min。根據(jù)GB 50215—2015《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》的要求，進風(fēng)井冬季要求防凍，其進風(fēng)混合溫度要求大于2 ℃，室外溫度按歷年極端最低平均溫度計算，煤礦進風(fēng)井加熱負荷按下式[13-14]計算：

式中：Q 為井筒防凍負荷，kW；G 為礦井進風(fēng)量，m3/s；ρ 為空氣密度，kg/m3，取1.10 kg/m3（當(dāng)?shù)卮髿鈮合隆? ℃）；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/（kg·K），取1.01 kJ/（kg·K）；△Th為冷、熱空氣混合后的溫度，℃，取2 ℃；△Tw為極端最低溫度平均值，℃，取-23.9 ℃；K 為富余系數(shù)，取1.1。

經(jīng)計算，井口防凍負荷為11 366 kW，2#風(fēng)井場地建筑采暖負荷為1 038 kW，場地總負荷為12 404 kW，考慮5%的管網(wǎng)損失，總供熱負荷為13 024 kW。

2.3 熱源分析

經(jīng)過調(diào)研，小保當(dāng)2#風(fēng)井場地回風(fēng)立井回風(fēng)量24 000 m3/min，回風(fēng)溫度12 ℃，回風(fēng)相對濕度70%；乏風(fēng)余熱資源豐富，乏風(fēng)取熱后溫度降至-1 ℃，相對濕度95%排放，可利用余熱量按下式計算：

式中：Q′為乏風(fēng)余熱量，kW；G′為礦井回風(fēng)量，m3/s；ρ′為乏風(fēng)密度，kg/m3，取1.047 kg/m3；h1為乏風(fēng)取熱后焓值，kJ/kg，取30.05 kJ/kg；h2為乏風(fēng)取熱前焓值，kJ/kg，取8.854 kJ/kg。

經(jīng)計算，乏風(fēng)余熱量為8 878.56 kW，經(jīng)直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵機組后，供熱能力可達13 557.57 kW?？梢詽M足2#風(fēng)井場地13 024 kW 的用熱需求。

2.4 技術(shù)路線

根據(jù)礦井乏風(fēng)余熱技術(shù)路線分析以及風(fēng)井場地用戶用熱特點，采用直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)制備高溫?zé)崴糜诰诜纼龊徒ㄖ膳x用6 臺單機制熱量為2 400 kW 的井口乏風(fēng)熱泵機組和1臺單機制熱量為1 200 kW 的采暖乏風(fēng)熱泵機組，總供熱能力為15 600 kW。

采暖季時運行6 臺單機供熱量2 400 kW 的井口乏風(fēng)熱泵機組，供熱能力為14 400 kW，滿足井口保溫防凍11 934 kW 的供熱需求；運行1 臺單機供熱量1 200 kW 的采暖乏風(fēng)熱泵機組，滿足建筑采暖1 090 kW 的供熱需求。

2.5 經(jīng)濟性分析

1）井口防凍負荷。井口防凍負荷隨室外環(huán)境溫度變化，榆林地區(qū)冬季通風(fēng)計算設(shè)計溫度為-10 ℃，當(dāng)室外溫度為-10 ℃時，井口防凍負荷為4 620 kW。井口防凍供熱全年平均負荷系數(shù)取38.7%。井口負荷變化表見表1。

表1 井口負荷變化表Table 1 Variation of wellhead load

2）建筑采暖負荷。建筑采暖負荷1 090 kW，該地區(qū)平均溫度≤+5 ℃期間內(nèi)的平均溫度為-3.9 ℃；建筑采暖供熱全年平均負荷系數(shù)取55.3%。則建筑采暖平均供熱負荷為603 kW。

3）全年平均總供熱負荷。全年平均總供熱負荷為5 223 kW。

4）乏風(fēng)余熱變化分析。隨乏風(fēng)取熱后溫度的不同，能效比COP 值不同，乏風(fēng)余熱供熱量也隨之變化，乏風(fēng)取熱后溫度達到5.4 ℃時，乏風(fēng)供熱量為5 273.79 kW，滿足室外環(huán)境平均環(huán)境下的井口防凍負荷和建筑采暖負荷5 223 kW 的用熱需求。

5）運行費用計算。通過上述風(fēng)井場地的供熱負荷分析，建筑采暖負荷為1 090 kW，乏風(fēng)熱泵機組的平均能效取3.59，則平均耗電量為303.6 kW；井口負荷負荷為11 934 kW，乏風(fēng)熱泵機組平均能效取3.59，則平均耗電量為3 324 kW。項目每年運行費用為采暖季能耗費用、非采暖季能耗費用及其他費用之和，共計339.26 萬元。

3 結(jié) 語

直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)用于煤礦場地的建筑采暖和井口防凍供熱符合國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策導(dǎo)向，技術(shù)的實施有利于推動清潔能源利用制造產(chǎn)業(yè)調(diào)整和行業(yè)振興。直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)有力改善職工的工作環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。