低溫熱管技術在煤礦余熱回收方面的應用研究

張 艷

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

近年來，低溫熱管技術在回風余熱回收利用中取得了顯著成就，鮑玲玲[1]通過對傳熱傳質模型進行數值求解，提出了下噴式熱濕交換單元的設計方法，該方法適用于回風熱能回收系統，為工程實踐應用提供了理論設計依據。李注江等[2]提出利用分離式和重力式熱管技術，將礦井回風的低溫熱源轉變為高溫熱源來滿足井筒防凍等用途。佘軍[3]用ANSYS FLUENT中的耦合模型對礦井回風換熱器夏季工況熱濕傳遞進行了數值模擬，提出了一種流場較優的結構設計方案，為優化設計礦井回風換熱器模型提供了理論依據。李亞楠[4]建立了熱管的三維實體簡化模型，利用FLUENT軟件對換熱器空氣流場的換熱效果進行模擬，驗證了低溫熱管換熱器模型設計的合理性，內部壓力損失較低，熱管換熱器換熱性能良好，能夠滿足熱能回收利用的要求。

由此可見，許多學者做了大量有關低溫熱管換熱器的數值模擬，驗證了將低溫熱管技術應用在礦井回風余熱回收利用的合理性，但其相關的工程應用實例還很少。本文以陽煤集團五礦花荷峪風井回風源余熱回收利用項目為例，對低溫熱管技術應用在煤礦余熱回收方面進行技術與經濟比較，充分利用礦井的綠色可再生能源，符合國家建設綠色生態礦區的要求。

2 低溫熱管技術的基本原理

低溫熱管裝置類似于空氣—空氣換熱器，通過回收礦井回風低溫余熱加熱進風，通過該技術將室外新風加熱至2 ℃以上，滿足井口防凍熱負荷需求。低溫熱管技術需回收礦井回風熱量，在擴散塔出風口處安裝屋頂式封閉結構，將回風通過風道引入低溫熱管裝置中，通過低溫熱管換熱器加熱室外新風，送入進風井。

由于低溫熱管換熱技術新增了礦井回風風道、室外新風風道、熱管換熱裝置等，原有系統通風阻力將不同程度地加大(在原有基礎上增加風阻5%左右)，故對于原有礦井改造項目需在回風及新風兩側、換熱裝置處設置不同數量的軸流風機，用于平衡新增阻力。

本項目在回風口封閉結構兩側設置了2個16 m2自由開啟活動門。系統啟動時，通過監控系統及并聯風機群測定換熱裝置處實際風量，并以此來調節活動門的開啟寬度(見圖1，圖2)。

3 項目概況

花荷峪風井場地位于山西省平定縣境內冶西鎮花荷峪村，距離五礦工業場地約10 km。

風井場地進風井進風量8 883 m3/min；回風井回風量16 935 m3/min，溫度12 ℃，相對濕度80%，回風瓦斯濃度0.2%。進風井與回風井相距100多米。

井筒保溫熱負荷約3 490.8 kW，考慮1.1熱損失系數后熱負荷約3 840 kW?；ê捎L井場現有燃煤熱風爐1座，安裝有4臺ZRL-3.5/w燃煤熱風爐，擔負井筒保溫，總供熱量為14 MW?？諝饨洘犸L爐加熱后通過熱風道將熱風送入進風井筒，與其余冷風在井筒混合后達到2 ℃。

風井場地采暖建筑物有主扇值班室、熱風爐房、維護組值班室、辦公室，采暖面積合計為55 m2，采暖耗熱量按采暖體積耗熱量指標估算，采暖熱負荷約為6.6 kW。風井場地無洗浴設施，考慮管網熱損系數后熱負荷總計8.25 kW。

4 經濟技術分析

4.1 熱平衡分析

1)井口防凍熱負荷。

風井工業場地進風井進風量約8 883 m3/min，井筒保溫熱負荷約3 490.5 kW，考慮1.1熱損失系數后熱負荷約3 840 kW。

井筒保溫耗熱量按下式計算：

Q=a·ρ·G·Cp·(2-tw)。

其中，Q為入井風耗熱量，kW；a為富裕系數，取1.1；ρ為2 ℃時空氣的容重，ρ=1.284 kg/m3；G為入井進風量，m3/s；Cp為空氣的比熱容，取1.009 kJ/(kg·℃)；tw為空氣加熱前的室外計算溫度，取-16.2 ℃。

耗熱量：Q=1.284×148.05×1.009×(2+16.2)=3 490.8 kW。

考慮熱損失1.1，風井場地的供熱負荷為:

1.1×3 490.8=3 840 kW。

2)回風井余熱。

該風井現有回風量16 935 m3/min，礦井回風溫度按12 ℃、相對濕度按80%考慮。采用低溫熱管技術回收礦井回風余熱過程中必須要求回風溫度大于0 ℃，如果回風溫度低于0 ℃，可能會出現冷凝水結霜甚至結冰的現象。為安全起見，低溫熱管系統設計一般可按3 ℃～4 ℃進行分析。

Q=(h1d-h2d)×ρ×v=5 548.5 kW。

其中，h1d為冬季回風溫度為12 ℃，相對濕度為80%時的焓；h2d為冬季回風溫度為 3 ℃，相對濕度為95%時的焓；ρ為回風平均空氣密度，為1.24 kg/m3；v為回風量，16 935 m3/min。

計算可知，花荷峪風井可回收的礦井回風余熱資源：5 548.5 kW。

3)熱平衡分析。

采用低溫熱管技術回收礦井回風低溫余熱資源，提供進風井井口防凍，針對該項目從熱平衡角度而言是完全可行的。進一步分析表明：由于礦井回風量大于進風，而且余熱資源也大于進風負荷，僅考慮80%的風量即可滿足3 840 kW的負荷需求。

4.2 主要設備選型

該技術的核心設備是新型熱管換熱裝置，根據本項目的供熱負荷需求，配置了11套ZKJN-400型單元模塊。熱管換熱模塊在設計工況下額定換熱量400 kW，但本項目對應回風溫度偏低，在對應換熱工況下單臺模塊換熱量約300 kW，熱管換熱模塊在本項目技術參數條件下的額定換熱供熱量共計3 300 kW，考慮系統的穩定性需要配置電輔熱。考慮風井場地海拔較高，本方案最終配置800 kW電輔助設備，如此可完全滿足井口防凍熱負荷需求。

4.3 運行費用分析

4.3.1現有燃煤鍋爐運行成本

花荷峪風井場現有燃煤熱風爐1座，安裝有4臺ZRL-3.5/w燃煤熱風爐，實際運行臺數1臺～2臺，運行時段：11月1日～3月31日。燃煤鍋爐房運行成本：

1)燃煤費用。年耗煤量為1.25×2×120×16=4 800 t，煤價暫按460元/t，燃煤費為460×4 800÷10 000=220.8萬元。

2)電費。年耗電量約為5.45×105kWh，電價按0.5元/kWh，電費為5.45×105×0.5÷10 000=27.25萬元。

3)除塵脫硫費。計232萬元。

4)維修費：10萬元。

5)人工工資及其他計30萬元。

年運行成本合計為220.8+27.25+232+10+30=520.05萬元。

4.3.2低溫熱管系統運行費用計算

1)電費。

為平衡風阻需要，在回風側、進風側各加裝11臺軸流風機，所有風機全部開啟最大耗功242 kW。風機實際運行狀態依監控系統自行調整。實際上，根據運行經驗，回風側風機全部可不予開啟，本方案按回風側最大開啟功率、進風側開啟5臺分析。電輔熱設備為極端應急補充，本方案按照整個供暖期開啟30 d、每天開啟12 h考慮。

風機年耗電量約為242×120×24=69.696×104kWh；電輔熱年耗電量約為800×30×12=28.8×104kWh；電價按0.5元/kWh，電費為98.50×104×0.5/10 000=49.25萬元。

2)系統運行維護費。

低溫熱管系統除風機外沒有運轉類部件，可做到真正意義上的無人值守，無需配備值班人員，僅需(兼職即可)定期對低溫熱管換熱器翅片灰塵進行清洗(最多考慮3萬元即可)。

故年運行成本合計為49.25+3=52.25萬元。

4.3.3燃煤鍋爐與低溫熱管系統運行費用比較

經過計算可知，同樣的供熱負荷，選用燃煤鍋爐年運行費520.05萬元，選用低溫熱管系統年運行費僅52.25萬元，年運行費用比燃煤鍋爐節省467.8萬元，節省了89.95%。

5 結論

1)五礦花荷峪風井采用低溫熱管技術替代燃煤鍋爐房供熱，每年可節省標煤5 040 t，年減排顆粒物約1.02 t，NOx約6.90 t，SO2約6.90 t。區域環境空氣污染物大大減少。本項目運行時無廢渣、廢液、廢氣產生。污染物零排放。無需新建任何污染物處理設施。2)燃煤鍋爐房對周邊環境的污染將被徹底根治，空氣質量將會得到明顯改善，本廠職工和周邊群眾的健康程度都會得到明顯提高。3)本改造工程的實施將使五礦花荷峪風井實現冬季井筒保溫的目標，使設備和職工的工作環境得到保障。4)本改造工程的實施比現有鍋爐房每年節省運行成本467.8萬元，具有良好的經濟效益。

綜上所述，低溫熱管技術方案是風井燃煤鍋爐房清潔能源改造的可行方案，是一項具有良好經濟效益、環境效益和社會效益的環保工程，建議在有條件的礦區推廣使用。