整體式熱管換熱技術在煤礦井口防凍系統中的應用

呂向陽，翟 宇，趙 旭

(1.北京中礦賽力貝特節能科技有限公司，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京 100083)

1 項目概況

鑒于環保的嚴峻形勢，陽煤二礦南風井工業廠區原用于井口防凍的燃煤熱風爐不得不拆除，但《煤礦安全規程》規定[1]：進風井口以下溫度必須在2℃以上，以防井筒結冰。為此，必須尋求一種有效而合理的方式，解決井口防凍需求。由于風井遠離礦區，集中供熱或燃氣等無法送達，用電則面臨電力負荷不足的技術瓶頸。經過廣泛比較和深入論證，礦方最終決定采用新型工藝“整體式熱管換熱技術”，通過回收礦井回風的低溫余熱，提供井口防凍負荷，替代原有燃煤熱風爐方式。

經過調研：南風井工業廠區位于陽泉市郊，現有一進一回兩個井口，礦井回風量8372m3/min，風溫最低12℃、相對濕度85%以上；進風量6729m3/min，當地極端平均溫度為-16.7℃。許多煤礦的風井都存著排向大氣環境的礦井回風熱風流和需要進行升溫的礦井進風冷風流這種特有屬性，作為一種依靠溫差作為動力進行傳熱的新型換熱工藝，整體式熱管換熱技術在此類風井的應用具有先天的技術優勢。南風井回風熱氣流和進風冷氣流最大溫差達28℃以上，理論上完全具備應用該技術的可行性，由于該技術在煤礦井口防凍領域還未推廣，在設計計算及設備選型上可參考資料極少。為此，筆者從方案設計、設備選型、運行效果等角度，針對該風井應用整體式熱管換熱技術解決井口防凍問題進行詳細介紹。

2 方案設計

2.1 熱能計算

1)井口防凍負荷。井口防凍負荷計算見式(1)。

Q0=ρ1×V×cP×(t1-t2)

(1)

式中，Q0為井口防凍熱負荷，kW；ρ1為礦井進風冷氣流密度；V為冷氣流風量；cP為空氣定壓比熱；t1和t2分別為冷氣流和需要加熱的溫度，計算可知：井口防凍負荷為2860.8kW。

2)礦井回風余熱。礦井回風余熱見式(2)。

Qh=ρ2×V×cP×(h1-h2)

(2)

式中，Qh為礦井回風余熱，kW；ρ2為礦井回風熱氣流密度；h1、h2分別為礦井回風干球溫度12℃、3℃對應的焓值。若對礦井回風提取溫度過低，則面臨結冰風險，安全起見可按最低3℃計。計算可知：礦井回風可提取余熱2992.6kW。分析表明：礦井回風熱風流蘊含余熱量可滿足礦井進風的井口防凍負荷需求。

2.2 工藝流程

整體式熱管換熱技術是一種冷、熱流體互不接觸的表面式換熱方式，分為上部冷凝段和下部蒸發段，中間用隔板分隔稱為絕熱段，它有由許多根熱管以管束形式組成，熱管數量取決于長度和換熱量大小。該工藝通過回收礦井回風熱風流余熱，為礦井進風冷風流升溫，滿足井口防凍負荷需求。

2.2.1 工藝確定

結合陽煤二礦南風井實際現狀，確定該技術的工藝流程如圖1所示。

1—擴散塔；2—回風口；3—封閉結構；4—回風引風道；5—回風引風機；6—熱管裝置出風口；7—室外進風口；8—進風引風機；9—整體式熱管裝置；10—礦井進風道；11—電輔助熱；12—進風室；13—進風格柵；14—進風井筒；15—鋼架支撐；16—蒸發段；17—冷凝段；18—絕熱隔板圖1 礦井回風余熱利用技術流程圖

圖1中除擴散塔、進風室、進風格柵及進風井筒外，其余均為整體式熱管換熱工藝新增，其中熱管的蒸發段與礦井回風道相連，冷凝段與室外進風道相連。蒸發段中液態工質通過吸收回風中低溫熱能而迅速汽化并升至冷凝段，冷凝段的汽態工質向室外新風釋放熱量后冷凝成液態，再經吸液芯回流至蒸發段。此過程往復循環實現熱能的置換，礦井回風釋放熱量后排向室外，室外新風吸收熱量后送入井下，考慮安全裕量礦井進風可加設電輔加熱器。

該系統僅用于采暖季井口防凍，封閉結構中設有排風風閥，在非采暖季，礦井回風直接通過風閥排出室外。

2.2.2 風道確定

根據工藝流程，該系統需將擴散塔進行封閉改造，然后將礦井回風經專用風道引入換熱裝置放熱后排出，同時礦井進風經換熱裝置吸熱后再送入井下。參考相關規程[1]對井巷及風道允許最高風速的要求，為便于項目施工新設風道按矩形設計，風道材質為普通鋼板、板厚4mm，外貼巖棉保溫厚度50mm，同時0.5mm彩鋼板做外保護層。斷面平均風速按10m/s左右考慮，經計算最終確定新設回風道斷面4.5m×3m，新設進風道斷面4m×3m。

2.3 換熱面積及熱管數量

2.3.1 熱管工藝參數確定

該工藝核心構件為上千根以管束形式組成的環形翅片熱管，翅片管工藝參數包括管長、管徑、壁厚、翅片高度和厚度、翅片間距、翅片管縱向和橫向間距、翅化比及翅片效率。單純考慮強化傳熱，翅片高度越大，換熱表面積越大，但翅片平均溫度下降，翅片效率降低；翅片間距越小，翅化比越大，則外表面積越大[2]。礦井回風具有粉塵高、濕度大及腐蝕性等特點，換熱過程伴隨著大量積灰和冷凝水析出現象，翅片間距不宜過小、高度不宜過大且應向下螺旋，以便于清灰和排水，同時熱管材質選用不銹鋼外套防腐鋁翅片。

1)熱管長度和迎風面積。熱管換熱裝置迎風面的風速一般為3m/s左右，風速過高動力消耗增加、過低傳熱能力難以發揮[3]。大型工業風量較大，同時為防積灰風速易選取高一些，該系統風速暫取4m/s，則迎風面積為：

A=V/u

(3)

式中，A為迎風面積；V為回風或進風量，分別為139.5m3/s和112.2m3/s；u為風速，取4m/s。計算可知，回風側迎風面積34.88m2，進風側迎風面積28.05m2。為保證氣流均勻迎風面可按矩形設置，考慮熱管加工尺寸取有效長度為4m，最后確定回風側迎風面為16m×2.2m，進風側迎風面為16m×1.8m，兩側迎風面實際風速為3.96m/s和3.89m/s。

2)熱管結構參數。熱管的管徑和壁厚根據常用規格和行業經驗確定，由經驗公式[2]并考慮回風特點確定翅高、翅厚和間距，進而可確定翅化比(翅片管外表面積和裸露基管表面積之比)。熱管排列方式采用正三角形叉排，并依據經驗公式[2]確定縱向和橫向間距；查詢兩側流體的熱物性參數(溫度、比熱、密度、導熱系數、粘度系數、普朗特數等)，由確定的翅片管結構參數求得兩側最小流通面積NFAh與NFAc和質量流速Gh與Gc、兩側雷諾數Rh與Rc、兩側換熱系數hh與hc。由于翅片效率η是df/d0和lf(2h/(λδf))(1/2)的函數，可最終求得翅片效率η。以上計算過程[4]限于篇幅，不再詳述。翅片管的結構參數見表1。

表1 翅片管的工藝參數

2.3.2 換熱裝置面積及熱管數量

熱管換熱裝置從礦井回風向礦井進風的熱能傳遞過程包括蒸發段、冷凝段以及兩側管壁的傳熱。在熱管工藝參數確定的情況下，考慮蒸發側析濕因素和污垢熱阻、并根據傳熱學相關計算理論[3，4]，可確定熱管換熱裝置總熱阻為0.00273(m2·K)/W，相應總的傳熱系數為366.5W /(m2·K)。本系統兩側按照逆向流動，回風側從12℃降至3℃，進風側從-16.7℃升至2℃，對數平均溫差如下：

ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

(4)

式中，ΔTm為對數平均溫差；ΔT1為兩側較大溫差，取19.7℃，ΔT2為兩側較小溫差，取10℃；計算可知對數平均溫差為14.3℃。以蒸發側為基準的光管傳熱面積為：

Fh=Q0/(ΔTm×Uh)

(5)

式中，Fh為蒸發側光管面積，m2；Q0為井口防凍負荷，2860.8kW；ΔTm為對數平均溫差，取14.3℃；Uh為傳熱系數，取366.5W /(m2·K)。計算可知，蒸發側光管面積為545.89m2。

熱管總數量確定如下：

n=Fh/(π×do×L1)

(6)

式中，n為熱管數量，根；Fh為蒸發側光管面積，545.89m2；do為熱管外徑，取0.025m；L1蒸發側長度，取2.2m。計算可知，熱管數量取整為3160根；根據前文確定的橫向間距和迎風面寬度，換熱裝置每排為228或229根，取整后共計14排。

2.4 主要設備配置

2.4.1 熱管換熱裝置

熱管換熱裝置迎風面寬度16m，有效換熱長度4m(蒸發段2.2m、冷凝段1.8m)，考慮絕熱段及兩端固定，熱管總長度定為4.2m。為方便加工、運輸及安裝，本系統按8個模塊配置。換熱裝置共計14排，考慮清洗維護可按5排—4排—5排三組布置，中間預留兩個0.5m清洗通道，每一組0.5m、換熱裝置總長2.5m。單個模塊每排28根或29根、共14排，三角形交叉布置，橫向和縱向間距分別為70mm和60.5mm。綜上，換熱裝置工藝參數見表2。

表2 熱管換熱裝置的工藝參數

2.4.2 阻力平衡風機

1)換熱裝置風阻計算。該系統分為8個模塊，每個模塊流量見表2。由熱管工藝參數，可求得蒸發側NFAh和冷凝側NFAc的流通面積分別2.68m2和2.13m2。由模塊設計流量，可求得兩側質量流速Gh和Gc分別為8.06kg/(m2·s)和8.87kg/(m2·s)。蒸發側和冷凝側的壓降根據下式計算：

f=18.93(d0G/μ)-0.316(S1/d0)-0.927(S1/S2)0.515

(7)

ΔP=f(NG2)/(ρg)

(8)

式中，所有符號意義參見上文。經計算蒸發側阻力30.65mm水柱，冷凝側阻力32.62mm水柱；經單位換算后蒸發側壓降300.4Pa，冷凝側壓降319.7Pa。

2)平衡風機選型。該系統基于原有通風系統進行改造，通風系統的主通風機(主扇)的風壓均在數千帕以上，出口富裕度較大，而新增系統的阻力主要集中在換熱裝置上。為保證換熱時風流的均勻性，風機配置按照和換熱模塊一一對應的原則，即蒸發側和冷凝側配置風機各8臺。

根據上文設計風量和計算風阻，平衡風機參數見表3。

表3 平衡風機的選型參數

2.4.3 其他設備選型

該系統為新型工藝，為安全起見系統另配置電輔熱設備，電功率按照400kW計，故選用2臺200kW風道型電輔熱設備，每臺又分為4組、共8組(每組50kW)。輔熱設備外形根據風道尺寸確定，外形尺寸為420mm×2400mm×2400mm，兩臺交錯布置。

該系統用電設備包括16臺風機和2臺200kW電輔熱，總計功率576kW，選用型號KYN-28A-12高壓柜1臺、SCB-10-630kVA干式變壓器1臺及配套電容柜及饋電柜。

3 系統運行效果

該系統于2018年12月底基本完工，由于鍋爐已拆除且正處于冬季嚴寒時期，系統尚未驗收即投入運行，當年系統正常、運行平穩。待3月份供暖結束后，配套監控和收尾工程安裝完畢，根據監控數據對2019—2020年供暖期的運行數據進行分析。

3.1 風量分析

通風系統對煤礦的安全生產至關重要，該工藝改變了通風系統的風流流向并新增了部分阻力，所以必須確定是否對原通風系統造成影響，可從兩個角度進行分析。

1)該系統引入礦井回風后，通過通風機房主扇監控平臺發現：電壓及風壓等參數無波動，電流增加了2A，該系統對原通風系統基本未造成影響。

2)通過監控數據，回風和進風風速在監測時刻為9.8m/s和7.6m/s左右。計算可知：回風量和進風量分別為7938m3/min和5472m3/min，這和設計相比兩側風量均有所減少。

通過分析：回風量降低幅度僅有5%，原因在于擴散塔封閉結構存在漏風現象。進風量減少幅度達18.7%，原因在于所配風機通常不予開啟，同時受新增風道阻力影響，兩者造成進風量減少。

3.2 換熱效果分析

該監控系統可記錄并保存至少一個采暖季的運行參數，通過歷史記錄隨機查詢了2019年12月30日至2020年1月14日每天7：00的溫度數據，并繪制曲線如圖2所示。

圖2 整體式熱管換熱技術溫度監測曲線圖

通過分析：經隨機取樣數據，室外進風在-0.5℃至-15℃之間，通過換熱后進風溫度均在2℃以上，尤其當最低-15℃接近設計最低值時，進風溫度2.2℃也達到預期目標。礦井回風溫度變化不大、基本不超過12℃，回風溫差隨著進風溫差的增大而增大，呈現良好的正相關性。由取樣數據可知，進風平均溫差9.6℃，回風平均溫差4.7℃，一方面在于回風量大于進風量外，另一方面在于該工藝運行過程中能夠充分回收回風中的大量潛熱。

4 結 論

1)系統投運以來，通過數據監測實際運行風量和預期設計風量有所減少；但主通風機除電流增加2A外，其他監測參數未有變化，該工藝對原通風系統基本不造成影響。

2)從供暖效果來看，在室外氣溫最低-15℃且電輔熱不開啟時，進風風溫能夠達到2℃以上。受人為因素干預，電輔熱時常部分開啟，故進風風溫經常遠遠超2℃。

3)從節能效果來看，進風側風機88kW(11kW×8臺)受人為控制一般情況下不予開啟，回風側88kW(11kW×8臺)常年運行，故系統實際運行功率除電輔熱外為88kW。這與燃煤熱風爐每年至少消耗2800t原煤相比，該系統既節能又環保，同時基本免于維護。

4)盡管系統基本達到了預期目標，但還有待進一步完善，主要有：針對系統增加風阻導致的風量減少，應進行更為詳盡測試并從定量上分析研究，確保進風量和投運之前基本一致；針對換熱效果，室外溫度尚未達到設計最低-16.7℃，極端天氣換熱效果有待進一步論證。

5)由于該系統配置了電輔熱設備，即使極端更低氣溫無法保證，但仍可預期該系統可以安全穩定運行，故為安全起見類似項目建議增設一定容量的電輔熱設備。