間壁式換熱器礦井乏風廢熱利用技術與工程實例研究

倪少軍

摘要：礦井乏風中蘊含著大量的低溫余熱可以用于寒冷地區和夏熱冬冷地區冬季井口防凍。本文在對麥垛山煤礦的余熱資源進行調研和方案分析的基礎上，采用了乏風廢熱直接換熱解決井筒防凍問題的方案。

Abstract： Mine exhaust wind contains a large amount of low-temperature waste heat that can be used to prevent freezing at the wellhead in winter in cold areas and hot-summer cold-winter areas. Based on the investigation and analysis of the waste heat resources of Maidoushan Coal Mine， this paper adopts a scheme for direct heat exchange of waste air waste heat to solve the problem of antifreeze in the wellbore.

關鍵詞：煤礦;防凍;余熱;利用

0? 引言

井口防凍是礦井冬季安全生產的一個重要保證，井口結冰一方面會導致有效通風面積減少、礦井通風量不足，另一方面井口結冰后掉落的冰渣可能導致井下人員的傷亡，嚴重時會造成卡罐、礦井停產等重大事故[1，2]。目前，礦井乏風余熱利用主要手段包括熱管技術、熱泵技術和間壁式直接換熱技術。

1? 工作原理

礦井乏風間壁式換熱技術為全熱交換式間壁換熱技術，乏風從管外通過，新風從管內通過，乏風通過金屬壁與新風進行熱濕交換，即由于新風溫度低于礦井乏風的露點溫度，礦井乏風中的水蒸氣會凝結，從而釋放出大量的潛熱，新風從管內流過時會吸收管外的熱量，溫度不斷升高，從而達到加熱新風的目的。新風通過間壁式換熱器加熱至10℃以上通過保溫風道送入進風井井口，與部分未加熱的冷空氣混合后進入井筒內，進入井筒的空氣溫度不低于2℃。

2? 工程概況

麥垛山井田位于寧夏回族自治區中東部地區，采用2臺20噸鍋爐和1臺10噸燃煤蒸汽鍋爐進行采暖及供熱。麥垛山煤礦回風井18600m3/min，濕度85%，新風最低溫度-25.4℃。

3? 余熱資源利用方案分析

麥垛山煤礦擁有礦井水余熱、礦井回風余熱、電廠余熱、現有鍋爐供熱、井下降溫系統冷凝熱等熱源。

3.1 礦井水余熱

麥垛山煤礦礦井水目前正常涌水量994.0m3/h、最大涌水量1193.0m3/h，溫度20℃。若礦井水余熱進行回收利用，按照提取后的溫度為5℃計算，最大可提取的熱量為7291kW，礦井水余熱無法滿足礦區供熱需要。且目前礦井水從井下水倉提升后，直接排至紅柳礦井水處理站統一處理，若為提取礦井水余熱新建水池、泵房等設施代價過高。

3.2 礦井回風余熱

麥垛山煤礦回風斜井最大回風量為310m3/s，最小回風溫度18℃，濕度85%，利用風源熱泵將回風余熱提取后的回風溫度為5℃，濕度100%。

最大可提取熱量用焓差法計算可知：?Qmax=M×（i2-i1）=9132kW? ? ? ?（1）式中，M—風量，m3/s;i1—降溫前焓值，kJ/kg;i2—降溫后焓值，kJ/kg。

提取的回風余熱雖然不足以對整個礦區進行供熱，但足以解決冬季井口防凍的問題。

3.3 電廠余熱

矸石電廠位于麥垛山東側7.7km處，一期每臺機組四段抽汽提供廠用汽能力為60t/h，五段抽汽廠用汽能力為40t/h。經過咨詢汽機廠，此兩級抽汽同時抽汽時，通過提高汽機進汽量，機組能發出銘牌功率330MW。二期工程每臺汽輪機100%負荷時四段抽汽具有對外最大40t/h（蒸汽參數：0.8MPa（a），220℃）的供廠用汽（用于對外供熱）的能力，可以滿足麥垛山煤礦副立井的供熱需要。但若采用電廠余熱，電廠蒸汽凝結回水水質要求很高，滿足凝結回水水質要求代價太大，在經濟上不可行。

3.4 現有鍋爐脫硫除塵改造

根據麥垛山煤礦鍋爐煙塵監測報告，煙塵排放濃度為166mg/m3，SO2排放濃度為401mg/m3，NOx排放濃度為264mg/m3。依據《鍋爐大氣污染物排放標準》中大氣污染物特別排放標準的規定，該鍋爐房煙塵、SO2、NOx排放均超標。按照現行環保政策《寧夏大氣污染防治行動計劃》，20噸鍋爐經過脫硫除塵改造，煙氣排放達標以后，允許繼續使用。通過對20噸鍋爐的改造，可以解決地面建筑物采暖的問題，且該方案對原有系統改動量最小，初期投資和運行費用均為最少，較為理想。但由于供熱能力有限，僅能解決地面建筑物采暖的問題。

3.5 井下降溫系統冷凝熱

麥垛山煤礦利用井下制冷降溫的冷凝熱進行井口空氣加熱，能夠達到投資效益的最大化。但副立井能利用井下降溫的熱量僅有1680kW，不滿足采暖需要。若采用該余熱需要增加熱泵系統，使采暖系統更加復雜，故障點增加。經多方面比較，麥垛山煤礦最終采用脫硫除塵改造解決地面建筑物采暖，再采用乏風廢熱直接換熱供暖解決井筒防凍問題。

4? 間壁式換熱器設計

4.1 換熱器選型

按照設計工況，單臺間壁式換熱器換量為3500kW，共總換熱量為7000kW。機組采用工業級PLC，全中文微電腦控制器，可編程序控制器的用戶運行程序可以方便地調整，可以根據不同的天氣變化和井口溫度自動調節運行滿足用戶的多種要求，機組配換熱器進風過濾裝置，換熱器計算參數見表1。

4.2 換熱器換熱面積確定

由于礦井回風換熱側的換熱屬于濕工況下換熱，在濕工況下，由于壁面凝水的生成，使得其換熱工況變得較為復雜。考慮到凝結水對對流換熱系數的影響，對上式（2）進行修正，修正后的換熱器總傳熱系數

相當于礦井回風側對流傳熱系數增大了ξ倍。取hf=50W/m2·K，hx=60W/m2·K，ξ取1.2。

礦井回風用間壁式換熱器材質為0.8mm厚不銹鋼304，導熱系數為17.4W/m·K，則總傳熱系數K=30W/（m2·K）。

傳熱溫差取對數平均溫差：考慮到富裕系數取單臺換熱器換熱面積1800m2，FFH3500型換熱器由7個模塊組成，總換熱面積12600m2。

4.3 風道設計

4.3.1 新風風道

新風風道設計采用鍍鋅鋼板，厚度選用1.2mm厚，架空敷設。保溫采用采用高壓聚乙烯高倍發泡體橡塑材料保溫，保溫層厚度50mm，保溫外側采用0.5mm厚鋼板作為保護層。

根據風量，麥垛山煤礦副立井新風風道取直徑1.5m圓型風道6趟，單個風管風速為15.8m/s，風道系統阻力173Pa。

4.3.2 回風風道

回風水汽較大，具有腐蝕性，因此回風風道采用4mm厚Q235鋼板，架空敷設，采用高壓聚乙烯高倍發泡體橡塑材料保溫，保溫外側采用0.5mm厚鋼板作為保護層，保溫層厚度50mm。回風風道阻力位30Pa，換熱器阻力為100Pa。總回風側系統阻力為130Pa。根據現有風機性能曲線，增加130Pa阻力，風機工況點仍在設計效率范圍內，回風側無需增加風機。

4.4 通風風機

回風側風機：由于新增回風側換熱系統阻力不影響通風機運行，不再新增風機。

新風側風機：選用6臺YTHL-12C型風機，單臺風機流量120000m3/h，風壓1200Pa，功率55kW。風機采用變頻控制，根據室外溫度進行調節，以調整加熱后的新風進風量。

4.5 冷凝水系統

系統溫度最低時，最大冷凝水析出量約5t/h，日冷凝水析出總量120t/d，冷凝水直接外排。

4.6 非供熱季節反風通風系統轉換系統

系統安裝在回風塔頂部的風道密封門，冬季關閉，礦井回風經引風風道提取熱量后，排入大氣中。在春、夏、秋非采暖季節，密封門處于開啟狀態，不影響風機正常運行。

5? 運行效果

麥垛山煤礦間壁式換熱系統自2018年11月1日投入運行，實測數據見圖2。

由圖2可以看出，礦井乏風溫度基本穩定，在15.9 ～ 19.9℃之間變化;室外溫度有較大變化，最低值達到了-18℃;井口溫度受氣溫的影響有一定波動，最低溫度為2.7℃，滿足了井口溫度高于2℃的規范要求。

6? 結語

間壁式礦井乏風利用技術已在國家能源集團寧夏煤業公司的麥垛山煤礦等5家煤礦6對礦井井口防凍改造服務項目投入運行，取得較好的效果，在較低能耗及運行費用的情況下確保了井口防凍系統在極端低溫下安全可靠的運行。

礦井乏風廢熱用于井口防凍，對于乏風風量充足的寒冷地區或夏熱冬冷地區具有極為廣泛的推廣前景，必將為礦山企業減排節能事業做出巨大貢獻。

參考文獻：

[1]蘇偉，焦春玲.副立井井口防凍技術的改造[J].煤炭工程，2017，49（6）：6-8，12.

[2]田志梅，郭彥飛.副立井井口防凍技術的改造[J].煤，2013，22（04）：70-76.

[3]GB50215—2015，煤炭工業礦井設計規范[S].