劉家雷，強(qiáng)天偉，徐宏錦，陳倩倩

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引言

全球氣候變化是當(dāng)今各國共同面臨的挑戰(zhàn)，深刻影響著人類的生存與發(fā)展。為應(yīng)對氣候變化，中國作出莊嚴(yán)承諾：“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]。煤炭號稱“工業(yè)的糧食”，是中國的主體能源。煤炭企業(yè)作為傳統(tǒng)耗能大戶、污染大戶，要按照綠色低碳的發(fā)展方向，對標(biāo)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，控制總量，有序減量替代，推動煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，踐行“綠色礦山、生態(tài)礦山”的建設(shè)理念。

近年來，隨著國家節(jié)能減排政策的不斷推進(jìn)及煤礦環(huán)保要求的愈發(fā)嚴(yán)格，回收利用煤礦低溫余熱資源來實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的清潔取暖引起煤炭企業(yè)的廣泛關(guān)注，尤其是礦井乏風(fēng)余熱利用，由于礦井乏風(fēng)風(fēng)量大，風(fēng)溫穩(wěn)定，相對濕度大，焓值較高，其蘊(yùn)含著大量的優(yōu)質(zhì)低溫?zé)崮?，是具有極高利用價(jià)值的余熱資源[2]。利用間壁式取熱熱泵系統(tǒng)從乏風(fēng)中提取熱量用于礦區(qū)的建筑物供暖、井筒防凍及洗浴用熱，可以取代燃煤鍋爐供熱系統(tǒng)，解決煤炭企業(yè)供熱系統(tǒng)燃煤污染、運(yùn)行成本高的現(xiàn)實(shí)問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 間壁式取熱熱泵系統(tǒng)原理

熱泵技術(shù)是一種高效節(jié)能的供熱技術(shù)[3]，間壁式取熱熱泵系統(tǒng)主要由取熱裝置、熱泵機(jī)組、輸配管路以及末端設(shè)備等組成。系統(tǒng)原理如圖1所示，礦道風(fēng)機(jī)把乏風(fēng)從井下抽排到地面，在礦井回風(fēng)立井上方設(shè)置乏風(fēng)取熱室，取熱裝置設(shè)置于取熱室兩面?zhèn)葔?nèi)，致使乏風(fēng)強(qiáng)制流過取熱裝置內(nèi)的翅片間隙，并將乏風(fēng)的熱量傳遞給取熱裝置中的取熱介質(zhì)，取熱介質(zhì)吸熱相變后通過循環(huán)泵把熱能輸送到熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器端，熱泵機(jī)組中的壓縮機(jī)做功消耗一定的電能，把低品位熱能提升制取高溫?zé)崴┙o末端用戶側(cè)[4]。

1-蒸發(fā)器；2-冷凝器圖1 間壁式取熱熱泵系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)可提取乏風(fēng)中的大量顯熱、液化潛熱和固化熱，乏風(fēng)取熱后的排風(fēng)溫度可降至-15 ℃[5]。整個(gè)系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，余熱回收熱效率高，可靠性高，同時(shí)也保證了礦井通風(fēng)安全，且熱泵機(jī)房與乏風(fēng)取熱室之間相對位置更加靈活，不受取熱裝置與熱泵機(jī)組間距和高差的限制。

2 工程項(xiàng)目介紹

2.1 項(xiàng)目背景

2019年3月28日，陜西省人民政府辦公廳印發(fā)《陜西省藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)2019年工作方案》，行動方案指出全省要開展燃煤鍋爐綜合整治。全省不再新建35蒸噸以下的燃煤鍋爐，并加大燃煤、燃?xì)?、燃油、生物質(zhì)鍋爐改造力度。某煤礦自建有鍋爐房，鍋爐房共有3臺SZL7-1.0/115/70-AⅡ型燃煤熱水鍋爐，單臺供熱量7 MW(折合蒸汽10蒸噸)，鍋爐房的運(yùn)行費(fèi)用見表1，由表中數(shù)據(jù)可以看到煤炭消耗量巨大，且一般的燃煤鍋爐效率只有60%～65%[6]，既污染環(huán)境，又造成能源浪費(fèi)。3臺燃煤熱水鍋爐屬于政策淘汰范圍，且燃煤鍋爐改造不允許“拆小建大”。因此，為落實(shí)國家政策，滿足清潔低碳、綜合利用以及綠色礦山的生產(chǎn)要求，該企業(yè)擬采用更加清潔高效、節(jié)能環(huán)保的供熱系統(tǒng)來代替燃煤鍋爐。

表1 2019年鍋爐房運(yùn)行費(fèi)用清單

2.2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求

對原有燃煤鍋爐房進(jìn)行拆除，礦井乏風(fēng)余熱利用改造項(xiàng)目應(yīng)遵循技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠及節(jié)能環(huán)保等原則，不影響煤炭企業(yè)礦井的正常安全生產(chǎn)運(yùn)行，貫徹執(zhí)行國家和地方的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，設(shè)計(jì)中體現(xiàn)以人為本、安全第一的先進(jìn)理念，使建成后項(xiàng)目能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第137條規(guī)定，進(jìn)風(fēng)井口以下的空氣溫度(干球溫度)必須在2 ℃以上[7]。該地區(qū)的逐時(shí)氣象參數(shù)如圖2所示。為保證井下安全生產(chǎn)，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》要求，該井筒在冬季需要進(jìn)行保溫防凍。此外，聯(lián)建樓供暖需滿足室內(nèi)溫度不低于18 ℃，充分利用礦井現(xiàn)有的資源，設(shè)計(jì)適合本礦井的乏風(fēng)余熱利用系統(tǒng)。

圖2 逐時(shí)氣象參數(shù)

2.3 熱需求分析

熱負(fù)荷主要包括副平硐井筒防凍負(fù)荷及聯(lián)建樓供暖負(fù)荷。查閱榆林市的氣象數(shù)據(jù)，該礦區(qū)的室外設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 榆林市室外計(jì)算參數(shù)

2.3.1 井筒保溫防凍負(fù)荷

該礦副平硐進(jìn)風(fēng)量為6 200 m3/min，采暖季副平硐井筒防凍加熱所需熱負(fù)荷按下式計(jì)算

Q=KCp(Th-Tw)ρL

(1)

式中，Q為井筒防凍加熱熱負(fù)荷，kW；K為富裕系數(shù)，取1.1；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，℃，按規(guī)范規(guī)定取2 ℃；Tw為室外最低平均溫度值，℃，取-25.8 ℃；ρ為空氣密度，kg/m3，取1.137 kg/m3；L為礦井進(jìn)風(fēng)量，103.33 m3/s。

2.3.2 聯(lián)建樓供暖負(fù)荷

根據(jù)礦方提供的數(shù)據(jù)，聯(lián)建樓熱負(fù)荷總計(jì)856.3 kW，考慮10%的富裕后，聯(lián)建樓熱負(fù)荷總計(jì)為941.9 kW。副平硐井筒防凍負(fù)荷及聯(lián)建樓供暖負(fù)荷統(tǒng)計(jì)匯總見表3。

表3 熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

2.4 乏風(fēng)供熱能力分析

該礦提供礦井乏風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，乏風(fēng)量為9 500 m3/min，乏風(fēng)溫度在12～14 ℃之間，相對濕度70%以上。取乏風(fēng)溫度12 ℃，相對濕度80%進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

礦井乏風(fēng)余熱量計(jì)算

QY=(h1-h2)ρL

(2)

式中，QY為冬季礦井乏風(fēng)可提取熱量，kW；h1為冬季礦井乏風(fēng)比焓，kJ/kg，查表取32.12；h2為礦井回風(fēng)提取熱量后比焓，kJ/kg，查表取12.51；ρ為礦井回風(fēng)平均空氣密度，kg/m3，取1.2；L為回風(fēng)量，m3/s，取158.33。

由(2)式計(jì)算得：QY=3 725.8 kW。

低溫?zé)嵩刺峁┑臒崃拷?jīng)熱泵提升溫度后，輸出熱量按下式計(jì)算

(3)

式中，QG為熱源提供熱量QY情況下熱泵的供熱能力，kW；Q0為熱源可提取的熱量，kW；COP為熱泵制熱機(jī)組能效比，一般取4～5。

設(shè)熱泵機(jī)組COP取4.2，Q0=QY，則中可從礦井回風(fēng)中提取的余熱供熱能力為QG=4 890.1 kW，根據(jù)余熱量與供熱負(fù)荷需求可知，礦井乏風(fēng)余熱回收完全可以滿足礦井副平硐井筒防凍及聯(lián)建樓取暖的熱需求。

3 方案設(shè)計(jì)及主要設(shè)備選型

3.1 乏風(fēng)取熱室

單臺取熱裝置的取熱量為200 kW，數(shù)量20臺，取熱介質(zhì)為乙二醇防凍液，溶液濃度為28%，流量為300 m3/h，乏風(fēng)取熱室設(shè)備及管道布置如圖3所示。

圖3 乏風(fēng)取熱室設(shè)備及管道布置

3.2 熱泵機(jī)房

采用4臺渦旋式水源熱泵機(jī)組HE-1200B，單臺制熱量1 193 kW，制熱耗電功率259.8 kW，工質(zhì)為R410A。同時(shí)配置1臺700 kW的電輔助設(shè)備能夠在極端天氣作為備用取暖系統(tǒng)，用于熱源補(bǔ)充。熱泵機(jī)房實(shí)景如圖4所示。

圖4 熱泵機(jī)房實(shí)景

3.3 空氣加熱室

副平硐入口旁的空氣加熱室內(nèi)設(shè)置空氣加熱機(jī)組，水源熱泵機(jī)組制取的50 ℃熱水通過循環(huán)泵輸送到空氣加熱機(jī)組，再通過風(fēng)機(jī)把熱風(fēng)吹進(jìn)副平硐井口與室外新風(fēng)混合后送入井筒內(nèi)。使用計(jì)算程序可通過約束邊界條件，輸入已知參數(shù)求取未知量，從而對空氣加熱機(jī)組進(jìn)行選型。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，空氣加熱機(jī)組數(shù)量為6臺，單臺設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表4，空氣加熱機(jī)組內(nèi)的單支熱管技術(shù)參數(shù)見表5。

表4 空氣加熱機(jī)組熱管參數(shù)

表5 單支熱管參數(shù)

3.4 聯(lián)建樓

由于原有供熱管網(wǎng)及末端與本系統(tǒng)不配套，故需拆除原有散熱器片，將末端設(shè)備更換為風(fēng)機(jī)盤管。根據(jù)聯(lián)建樓各房間使用功能、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和建筑面積的不同，分別設(shè)置型號為TC200D/300D/400D的風(fēng)機(jī)盤管。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

該熱泵系統(tǒng)自2020年11月初投入使用后，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定高效、節(jié)能環(huán)保。2021年1月15日至17日進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行測試。圖5為府谷縣2021年1月份室外氣溫。15日至17日，該地氣溫均低于0 ℃。圖6為取熱室實(shí)測溫度，前室乏風(fēng)平均溫度為13.5 ℃，相對濕度77%，換熱后排出的乏風(fēng)平均溫度為10.2 ℃，相對濕度88.6%，最大換熱溫差為3.6 ℃，平均換熱溫差為3.3 ℃。圖7為熱泵機(jī)組溫度參數(shù)，熱泵機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)口母管乙二醇溶液平均溫度為6.2 ℃，出口平均溫度為2.9 ℃，乙二醇溶液進(jìn)出熱泵機(jī)組平均溫差為3.3 ℃；供向末端用戶側(cè)的熱水平均供水溫度為50.3 ℃，平均回水溫度為46.1 ℃，平均供回水溫差為4.2 ℃，供熱能力穩(wěn)定。圖8為副平硐井筒進(jìn)風(fēng)溫度與室外溫度變化曲線，在副平硐井筒內(nèi)30 m處設(shè)置測點(diǎn)1，50 m處設(shè)置測點(diǎn)2，井筒進(jìn)風(fēng)溫度最低值出現(xiàn)在17日12時(shí)，測點(diǎn)1為2.1 ℃，測點(diǎn)2為2.3 ℃。在室外溫度為-15 ℃時(shí)，無需開啟輔助加熱設(shè)備，井筒進(jìn)風(fēng)溫度均滿足《煤礦安全規(guī)程》要求，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

圖5 府谷縣2021年1月份室外氣溫

圖6 乏風(fēng)取熱室實(shí)測溫度

圖7 熱泵機(jī)組溫度參數(shù)

圖8 副平硐井筒進(jìn)風(fēng)溫度與室外溫度

16日10時(shí)至17日14時(shí)，使用Testo 174H型溫濕度儀記錄該礦區(qū)聯(lián)建樓內(nèi)某辦公室的室內(nèi)溫度，16日室外氣溫為-14～-4 ℃，西北風(fēng)三級，17日室外氣溫為-13～-3 ℃，西北風(fēng)三級，室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)如圖9所示，末端設(shè)備采用風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行送風(fēng)制熱，室內(nèi)溫度基本保持在20～22 ℃之間，熱舒適性良好，該套系統(tǒng)效果滿足規(guī)范要求。

圖9 聯(lián)建樓某辦公室室內(nèi)溫濕度

5 系統(tǒng)效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

采暖季聯(lián)建樓供暖、副平硐井筒防凍按148 d計(jì)，熱泵系統(tǒng)開啟時(shí)間按24 h，在采暖期內(nèi)本系統(tǒng)耗電量及運(yùn)行費(fèi)用如圖10所示。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后第1個(gè)采暖季，共消耗電量202.3萬kWh，電費(fèi)單價(jià)按0.43元/kWh，則總電費(fèi)為86.98萬元，人工費(fèi)按180元/人·d，人數(shù)按3人計(jì)算，則采暖季該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為98.38萬元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐房的運(yùn)行費(fèi)用。

圖10 礦井乏風(fēng)余熱利用項(xiàng)目運(yùn)行費(fèi)用

5.2 社會效益

熱泵系統(tǒng)耗電量202.3萬kWh，按照原煤平均低位發(fā)熱量為20 908 kJ(5 000 kJ)/kg，折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)0.714 3 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kg計(jì)算，折合標(biāo)煤305.5 t。采用燃煤鍋爐供熱，熱效率按65%計(jì)算，采暖季消耗標(biāo)煤約為1 701.5 t，該系統(tǒng)可減少標(biāo)煤1 396 t，節(jié)能減排率為82%，污染物減排量見表6。

表6 污染物減排量

從表6可得出，該礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)投入使用一個(gè)采暖季后，可以減排各類污染物共計(jì)約0.39萬t，環(huán)境效益良好。

6 結(jié)語

通過介紹間壁式取熱熱泵系統(tǒng)在某煤礦的工程應(yīng)用實(shí)例，從系統(tǒng)原理分析，工程項(xiàng)目介紹，方案設(shè)計(jì)選型，運(yùn)行情況分析，以及運(yùn)行費(fèi)用同燃煤鍋爐對比分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有安全高效，環(huán)保節(jié)能的優(yōu)越性。該煤礦利用間壁式取熱熱泵系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃煤鍋爐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)建樓供暖及副平硐井筒防凍。該系統(tǒng)采暖季運(yùn)行費(fèi)用為98.38萬元，節(jié)約標(biāo)煤1 396 t，減排各類污染物0.39萬t，該礦企響應(yīng)國家節(jié)能減排、發(fā)展環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)政策，踐行了綠色低碳的礦企發(fā)展理念，為該系統(tǒng)在其他煤礦的推廣提供一定的參考。