礦井低焓乏風(fēng)余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

李建光陳峰雷蔣正君謝 嶠孔德順李竹青

（1.山西寧武榆樹(shù)坡煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036702；2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；3.北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100015；4.長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司，湖北省武漢市，430073）

礦井低焓乏風(fēng)余熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

李建光1陳峰雷1蔣正君2謝 嶠2孔德順3李竹青4

（1.山西寧武榆樹(shù)坡煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036702；2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；3.北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100015；4.長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司，湖北省武漢市，430073）

為深入研究低焓乏風(fēng)余熱利用技術(shù)，提出了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的基本原理，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)難題的解決及直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)在榆樹(shù)坡煤礦的應(yīng)用，形成了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的理論體系，即使乏風(fēng)實(shí)際參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工況設(shè)計(jì)參數(shù)，乏風(fēng)熱泵仍然能穩(wěn)定運(yùn)行，證明了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的先進(jìn)可靠性。

乏風(fēng)余熱利用 低焓乏風(fēng) 直蒸式深焓取熱 乏風(fēng)熱泵

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的推進(jìn)及煤礦環(huán)保要求的提高，煤礦低溫余熱資源回收利用引起了煤炭企業(yè)的重視，尤其是礦井乏風(fēng)，由于其風(fēng)量大，風(fēng)溫穩(wěn)定，相對(duì)濕度大，蘊(yùn)含著大量的低溫?zé)崮?，是具有極高利用價(jià)值的余熱資源，采用熱泵技術(shù)從礦井乏風(fēng)中提取熱量，可以用來(lái)解決煤礦建筑物供暖、井口防凍和洗浴用熱的問(wèn)題。目前乏風(fēng)中余熱回收利用技術(shù)主要是淋水式換熱技術(shù)，對(duì)于我國(guó)東北、西北和華北地區(qū)的大部分礦井，受氣候和地溫等因素的影響，礦井乏風(fēng)的溫度和焓值均較低，通過(guò)噴淋以后能夠回收的熱量非常有限，迫切需要新的技術(shù)來(lái)回收乏風(fēng)余熱。

1　基本理論

1.1礦井乏風(fēng)分類(lèi)

礦井乏風(fēng)溫度由于受地面空氣、井下巖溫、水溫和生產(chǎn)狀況等各種因素的綜合影響，回風(fēng)溫度及焓值各不相同。根據(jù)礦井回風(fēng)溫度的不同，礦井可分為高溫礦井（乏風(fēng)溫度≥18℃）、中溫礦井（12℃≤乏風(fēng)溫度＜18℃）和低溫礦井（乏風(fēng)溫度＜12℃）三類(lèi)礦井，其中高溫礦井的乏風(fēng)焓值通?！?0 kJ/kg，稱(chēng)之為高焓乏風(fēng)；中溫礦井的乏風(fēng)焓值為25～40 kJ/kg，稱(chēng)之為中焓乏風(fēng)；低溫礦井的乏風(fēng)焓值通?！?5 kJ/kg，稱(chēng)之為低焓乏風(fēng)。三類(lèi)乏風(fēng)在焓濕圖上的主要分布區(qū)間如圖1所示。

圖1　各類(lèi)乏風(fēng)在焓濕圖上的分布區(qū)域

1.2直蒸式深焓取熱技術(shù)

1.2.1直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理

乏風(fēng)熱泵的核心由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四大部分組成，其中壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥等組成乏風(fēng)熱泵冷凝壓縮機(jī)組。其基本工作原理和流程是乏風(fēng)熱泵冷凝壓縮機(jī)組的壓縮機(jī)將從乏風(fēng)取熱箱換熱器回收來(lái)的低壓冷媒壓縮后變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體通過(guò)冷凝器內(nèi)的銅管，加熱由熱用戶端回來(lái)的熱水，冷媒被冷卻變成液態(tài)，經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入乏風(fēng)取熱箱換熱器翅片管內(nèi)，吸收流經(jīng)翅片管外的乏風(fēng)中的熱量蒸發(fā)變成氣態(tài)，再被壓縮機(jī)吸入，從而進(jìn)入下一個(gè)熱力循環(huán)，其原理如圖2所示。

圖2　直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理圖

1.2.2乏風(fēng)取熱的狀態(tài)變化

圖3展示了乏風(fēng)由10℃取熱至-10℃在焓濕圖上的整個(gè)狀態(tài)變化過(guò)程（A～E過(guò)程），A點(diǎn)為乏風(fēng)起始狀態(tài)點(diǎn)，B點(diǎn)為空氣的露點(diǎn)溫度，C點(diǎn)為結(jié)霜點(diǎn)，D點(diǎn)為結(jié)冰點(diǎn)。從A點(diǎn)至B點(diǎn)，乏風(fēng)中水分并未析出，可提取的是乏風(fēng)中的顯熱，這個(gè)區(qū)間稱(chēng)之為干冷區(qū)；從B點(diǎn)至C點(diǎn)，空氣中水分析出，水蒸汽放出汽化潛熱，水分呈液態(tài)，可提取的是乏風(fēng)和水中的顯熱及水的汽化潛熱，這個(gè)區(qū)間稱(chēng)之為濕冷區(qū)；從C點(diǎn)至D點(diǎn)，從空氣中析出的水變成霜，釋放凝固熱，可提取的是乏風(fēng)和霜中的顯熱及水的凝固熱，這一區(qū)間稱(chēng)之為霜冷區(qū)；從D點(diǎn)至E點(diǎn)，霜進(jìn)一步變成冰，可提取的是乏風(fēng)和冰中的顯熱，這一區(qū)間稱(chēng)之為冰冷區(qū)?？梢?jiàn)，取熱過(guò)程包括不同的區(qū)間，所提取的熱量也是不同的，如圖4所示，只在干冷區(qū)取熱的過(guò)程稱(chēng)之為表焓取熱；在干冷區(qū)和濕冷區(qū)取熱的過(guò)程稱(chēng)之為淺焓取熱；干冷區(qū)、濕冷區(qū)和霜冷區(qū)或冰冷區(qū)的取熱過(guò)程稱(chēng)之為深焓取熱。

圖3　乏風(fēng)取熱狀態(tài)變化過(guò)程

圖4　乏風(fēng)取熱的不同過(guò)程

由于實(shí)際運(yùn)行中，取熱箱換熱器表面結(jié)霜或結(jié)冰以后，對(duì)換熱器的傳熱存在一定影響，故需要融霜或融冰過(guò)程。在霜冷區(qū)，制熱過(guò)程提取了凝固熱，融霜過(guò)程需要將霜從固態(tài)變成液態(tài)，消耗熱量，與凝固熱相抵消，故霜冷區(qū)實(shí)際提取的是乏風(fēng)的顯熱部分。同理，在冰冷區(qū)，乏風(fēng)熱泵提取的也是乏風(fēng)的顯熱部分。在融霜或融冰的過(guò)程中，存在一定量的熱量損失。直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的取熱量可按公式（1）進(jìn)行計(jì)算:

式中:Q——取熱量，k W；

ρ——乏風(fēng)密度，kg/m3；

L——乏風(fēng)風(fēng)量，m3/s；

hc——C點(diǎn)乏風(fēng)焓值，kJ/kg；

ha——A點(diǎn)乏風(fēng)焓值，kJ/kg；

tc——C點(diǎn)乏風(fēng)溫度，℃；

td——D點(diǎn)乏風(fēng)溫度，℃；

c——乏風(fēng)比熱容，kJ/（kg·℃）；

φ——融霜（冰）熱損失系數(shù)。

取熱箱換熱器的傳熱系數(shù)可以采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算:

式中:K——取熱箱換熱器傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

αw——翅片管外對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

R——外表面灰塵等所形成的熱阻，（m2·℃）/W；

αn——管內(nèi)制冷劑沸騰傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

τ——肋化系數(shù)。

αw與乏風(fēng)的狀態(tài)有關(guān)，冰冷區(qū)αw的計(jì)算式按式（3）進(jìn)行計(jì)算:

式中:αa——干冷區(qū)翅片管外對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

ξ——為析濕系數(shù)；

η——肋片管效率；

δb——冰層厚度，m；

λb——冰層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

2　工程應(yīng)用

2.1技術(shù)難題

（1）風(fēng)阻問(wèn)題。在回風(fēng)井口設(shè)置乏風(fēng)取熱室，風(fēng)流流過(guò)乏風(fēng)取熱箱換熱器，需要增加一定量的風(fēng)阻，同時(shí)由于礦井排風(fēng)中煤塵較大，特別是油性與粘性灰塵，運(yùn)行一段時(shí)間后，取熱箱換熱器翅片管表面粘灰嚴(yán)重，使風(fēng)阻增加，風(fēng)阻過(guò)大將影響煤礦的通風(fēng)量和通風(fēng)機(jī)的能耗，必須采取有效措施控制風(fēng)阻在合理的范圍內(nèi)。針對(duì)此問(wèn)題，采取兩方面的技術(shù)手段，一是根據(jù)風(fēng)阻大小與風(fēng)速平方成正比的原理，采用技術(shù)措施控制流過(guò)乏風(fēng)取熱箱換熱器處的風(fēng)速為2～2.5 m/s，從而有效控制乏風(fēng)取熱箱換熱器的風(fēng)阻為60～80 Pa；二是在乏風(fēng)取熱箱換熱器兩側(cè)設(shè)置壓差傳感器，在乏風(fēng)取熱箱換熱器一側(cè)設(shè)置沖洗噴頭，乏風(fēng)取熱箱換熱器兩側(cè)壓差高于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)沖洗系統(tǒng)，對(duì)乏風(fēng)取熱箱換熱器翅片管進(jìn)行沖洗，從而使乏風(fēng)取熱箱換熱器風(fēng)阻恢復(fù)至初始風(fēng)阻。

（2）反風(fēng)問(wèn)題。根據(jù) 《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，煤礦必須安裝反風(fēng)設(shè)施，并能在10 min內(nèi)改變巷道中的風(fēng)流方向，當(dāng)風(fēng)流方向改變后，主要通風(fēng)機(jī)的供給風(fēng)量不應(yīng)小于正常供風(fēng)量的40%。為滿足此要求，在乏風(fēng)取熱室一側(cè)設(shè)置自動(dòng)風(fēng)門(mén)，反風(fēng)時(shí)，自動(dòng)風(fēng)門(mén)在1 min內(nèi)自動(dòng)打開(kāi)，讓風(fēng)流從自動(dòng)風(fēng)門(mén)門(mén)洞內(nèi)通行，有效降低風(fēng)阻。

（3）除霜（冰）問(wèn)題。乏風(fēng)取熱箱換熱器表面結(jié)霜（冰）一方面增加了傳熱熱阻，另一方面增大了流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣阻力、減少了空氣流量，使得空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)減少，直接影響了換熱器的換熱性能。乏風(fēng)取熱箱換熱器表面結(jié)霜（冰）不嚴(yán)重時(shí)，為不增加乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)的復(fù)雜程度，采用蒸發(fā)溫度控制乏風(fēng)熱泵短時(shí)間停機(jī)除霜（冰）；乏風(fēng)取熱箱換熱器表面結(jié)箱（冰）嚴(yán)重時(shí)，采用無(wú)縫滾動(dòng)式除霜（冰）技術(shù)進(jìn)行連續(xù)除霜（冰）。

2.2工程案例

2.2.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

榆樹(shù)坡煤礦位于山西省寧武縣，設(shè)計(jì)能力為3 Mt/a，服務(wù)年限為43.2 a。根據(jù)礦井初步設(shè)計(jì)，榆樹(shù)坡煤礦冬季設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷為12564.6 k W，其中井口加熱負(fù)荷為6590.6 k W，洗浴熱水負(fù)荷為2014 k W，建筑物供暖負(fù)荷為3960 k W；夏季洗浴熱負(fù)荷為1197 k W。對(duì)于榆樹(shù)坡煤礦供熱系統(tǒng)，根據(jù)供熱負(fù)荷及項(xiàng)目有關(guān)環(huán)保批復(fù)，有如下兩個(gè)供熱方案可供選擇:一是2臺(tái)10 t/h燃?xì)忮仩t或3臺(tái)6 t/h燃?xì)忮仩t，二是熱泵基峰+天然氣鍋爐調(diào)峰。

2.2.2乏風(fēng)余熱量計(jì)算

由于榆樹(shù)坡礦井屬于新建礦井，乏風(fēng)的熱力參數(shù)無(wú)法確定，而這一參數(shù)直接影響到熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行工況，通過(guò)實(shí)測(cè)調(diào)研、模擬計(jì)算和專(zhuān)家論證最后確定乏風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)為:溫度≥12℃，相對(duì)濕度≥85%，風(fēng)量≥200 m3/s，按取熱后不結(jié)霜工況設(shè)計(jì)，取熱后溫度3℃，相對(duì)濕度95%，可以提取的乏風(fēng)余熱量為3828 k W。

根據(jù)乏風(fēng)溫度和相對(duì)濕度，查焓濕圖，可得熱前乏風(fēng)焓值為30.96 kJ/kg·℃，取熱后乏風(fēng)溫度按結(jié)霜點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，取熱后溫度為3.5℃，相對(duì)濕度為95%，查得熱后乏風(fēng)焓值為15.21 kJ/kg·℃，查得乏風(fēng)密度為1.23 kg/m3，由于取熱至結(jié)霜點(diǎn)，故tc=td，代入公式（1）可得取熱量為3874 k W。

上述乏風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)為礦井生產(chǎn)穩(wěn)定后的乏風(fēng)參數(shù)，前期礦井生產(chǎn)不正常的情況，預(yù)計(jì)乏風(fēng)溫度為7℃，保證供熱量的情況下，取熱后乏風(fēng)溫度將低至0℃以下，機(jī)組存在結(jié)霜（冰）的問(wèn)題，考慮經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，采用乏風(fēng)熱泵間歇停機(jī)除霜（冰）的方式進(jìn)行除霜。

2.2.3工藝流程及機(jī)組配置

項(xiàng)目利用礦井乏風(fēng)和排水余熱，采用熱泵為基峰+天然氣鍋爐為調(diào)峰的供熱方式，以取代燃煤鍋爐，設(shè)計(jì)工況下乏風(fēng)熱泵與1臺(tái)涌水熱泵共同承擔(dān)冬季采暖及井口加熱基峰負(fù)荷，天然氣鍋爐承擔(dān)調(diào)峰負(fù)荷。

通過(guò)壓縮機(jī)的特性可知，該工況下，乏風(fēng)熱泵的綜合COP值為3.7，則乏風(fēng)熱泵輸入軸功率為1435 k W，乏風(fēng)熱泵總供熱能力為5309 k W。結(jié)合熱泵機(jī)組型號(hào)，選配6臺(tái)制熱量為775 k W的乏風(fēng)熱泵機(jī)組。每臺(tái)熱泵機(jī)組配4臺(tái)乏風(fēng)取熱箱換熱器，取熱量為150 k W/臺(tái)。

圖5　系統(tǒng)工藝流程圖

2.2.4乏風(fēng)熱泵運(yùn)行效果

從圖6可以看出，實(shí)際運(yùn)行中，乏風(fēng)溫度在7℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)選定的設(shè)計(jì)溫度12℃，這是因?yàn)榫律a(chǎn)不正常，通風(fēng)路徑短且機(jī)電設(shè)備沒(méi)有全部正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致實(shí)際乏風(fēng)熱泵的運(yùn)行有以下5個(gè)表現(xiàn):

圖6　乏風(fēng)溫度與乏風(fēng)熱泵供水溫度變化曲線

（1）乏風(fēng)中實(shí)際可取熱量減少，取熱后乏風(fēng)溫度低于設(shè)計(jì)值3.5℃，實(shí)際取熱后乏風(fēng)溫度約為1℃，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出實(shí)際取熱量約為1907 k W，乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)實(shí)際供熱能力約為2700 k W。

（2）乏風(fēng)熱泵機(jī)組能效下降，COP值約為3.4，低于設(shè)計(jì)值3.7。

（3）乏風(fēng)熱泵不能滿負(fù)載運(yùn)行，乏風(fēng)熱泵機(jī)組實(shí)際制熱能力約675 k W，負(fù)載率約為87%。

（4）乏風(fēng)熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)減少，實(shí)際只能運(yùn)行4臺(tái)乏風(fēng)熱泵機(jī)組。

（5）機(jī)組有除霜要求，每小時(shí)需停機(jī)除霜一次，時(shí)間約為9 min。

雖然實(shí)際運(yùn)行有以上5個(gè)表現(xiàn)，但乏風(fēng)熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，從圖6可以看出乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)供水溫度除礦井檢查停機(jī)期間外，均為45℃左右，通過(guò)獲得數(shù)據(jù)計(jì)算，供水溫度平均值為45.4℃。

3　結(jié)論

（1）根據(jù)礦井乏風(fēng)溫度的不同將礦井分為高溫礦井、中溫礦井和低溫礦井，同時(shí)根據(jù)礦井乏風(fēng)焓值的不同，將礦井乏風(fēng)分為高焓乏風(fēng)、中焓乏風(fēng)和低焓乏風(fēng)，奠定了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

（2）提出了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的基本原理，分析了乏風(fēng)在不同取熱焓差情況下，乏風(fēng)的狀態(tài)變化過(guò)程，給出了乏風(fēng)取熱量和乏風(fēng)取熱箱換熱器傳熱系數(shù)的計(jì)算式，形成了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的理論體系。

（3）介紹了直蒸式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)在榆樹(shù)坡煤礦的應(yīng)用，在井下生產(chǎn)不穩(wěn)定，乏風(fēng)的實(shí)際參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)選取參數(shù)的情況下，乏風(fēng)熱泵仍然能穩(wěn)定運(yùn)行，出水溫度基本維持在45℃以上，證明了該技術(shù)的先進(jìn)可行性，所采用的熱泵機(jī)組高效可靠，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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［2］ 茅靳豐，陳飛，耿世彬.礦井回風(fēng)資源利用方式探討［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2015（2）

［3］ 楊如輝，鄒聲華，張帝.礦井次生熱能資源的利用方式研究［J］.礦業(yè)工程研究，2010（4）

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（責(zé)任編輯 孫英浩）

Research and application on low enthalpy ventilation air methane waste-heat utilization technology of mine

Li Jianguang1，Chen Fenglei1，Jiang Zhengjun2，Xie Qiao2，Kong Deshun3，Li Zhuqing4
（1.Shanxi Ningwu Yushupo Coal Co.，Ltd.，Xinzhou，Shanxi 036702，China；2.Sino Mining Brilliant Energy Effciency Technologies Co.，Ltd.，Haidian，Beijing 100083，China；3.Beijing YZH Coal Engineering Design Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100015，China；4.Yangtze Optical Fibre and Cable Company Ltd.，Wuhan，Hubei 430073，China）

The authors provided fundamentals of direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane heat pump technology in order to study low enthalpy ventilation air methane waste-heat utilization technology.According to solve key technic problems and apply on direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology in Yushupo Coal Mine，the theoretical system of direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology was established.In the system，although actual parameter of ventilation air methane was lower than design parameter of working condition，ventilation air methane heat pump was still working，which proving that direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology was advanced reliability.

ventilation air methane waste-heat utilization，low enthalpy ventilation air methane，direct steaming deep enthalpy heat removal，ventilation air methane heat pump

TD72

A

李建光（1974-），男，山西河曲人，工程師，總經(jīng)理，學(xué)士，現(xiàn)主要從事煤礦開(kāi)采及礦井傷勢(shì)利用方面的研究。