熱害礦井采暖期回風余熱循環利用實例

文_王旭 寧夏煤礦設計研究院有限責任公司

1 項目背景

隨著煤礦開采深度越來越深，礦井的熱害對安全生產的影響逐步增大，某熱害礦井生產工作面預測氣溫為32℃，已經超出了《煤礦安全規程》的規定值，急需采取措施對巷道溫度進行控制。

目前常見的降溫方法有通風、人工制冰、移動式井下局部制冷、地面集中制冷、井下集中制冷等方式。根據該礦的實際情況，目前采掘深度約800m，處于二級熱害區，通過通風、人工制冰很難將工作面溫度有效控制。又因該礦目前2個采區工作面同時開采，相對位置較遠，若采用集中式系統，管路造價高、冷損失大，還需在井筒中重新打鉆孔敷設冷凍水管路，最終從制冷效率、運行費用、保溫鉆孔設置等多方面綜合考慮，采用移動式井下局部降溫，技術可行，經濟最為合理。

另一方面，進風井采暖期的防凍熱負荷，一般是煤礦采暖期的最大熱負荷，如能利用回風余熱利用設備對進風進行加熱，可大大減少采暖期的運行費用，相比采用燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐等熱源，有著良好的節能效果和環保效益。

本文以具有熱害的某礦回風立井為例，將井下局部降溫與地面風-風換熱裝置相結合，在回風井口建設風-風換熱裝置，并利用井下降溫設備置換出的熱量，一定意義上實現了礦井采暖期回風余熱的循環利用（圖1）。

圖1 礦井采暖期回風余熱的循環利用示意圖

2 井下部分

2.1 井下氣象條件預測

該礦井田煤層厚度大，而上覆巖層主要是熱阻大的粉砂巖和泥巖類，不能為地熱的運移和散失提供良好的條件。另外，該區地下徑流較弱、排泄不暢，補給水少、循環交替較弱，地下水與圍巖熱交換已達平衡，因此，造成本區地溫較高，存在一、二級熱害區。本文以1110208（11采區，10煤2層，編號為08的工作面）工作面為對象，進行氣象條件預測。

2.1.1 井下圍巖散熱

根據最不利設計采煤工作面主要設計參數，放熱系數取6.97×10-3，巷道粗糙系數取1.65，平均風速2.40m/s，巷道斷面積16.0m2，恒溫帶溫度12.02℃，恒溫帶深度64.5m，水平地溫率32.05m/℃，測算深度820m，計算得圍巖散熱量Qw=748.06kW。

2.1.2 壓縮熱

空氣沿井筒下行時，近似絕熱壓縮過程，其壓力和溫度均會增加，按照無潛熱轉移考慮，則空氣位能變化增加的熱值為：Qy=GA(Z1-Z2)·E=21.38kW，其中風流放熱系數取0.2，高差220m，熱工當量0.00981，風流質量49.54kg/s。

2.1.3 機電設備散熱

井下采煤工作面各種設備、局扇等，在運行過程中電機產生的熱量都要釋放到巷道的風流中去，其散熱量計算式為：Qd=Σψ·Nds，工作面同時使用裝機設備功率2585kW，取折算系數0.2，則Qd=517kW。

2.1.4 氧化散熱量

在一定的條件下，煤礦中已經形成的煤巷表面、煤壁表面與風流中的空氣發生氧化反應，這也是井下熱害最重要的三個影響因素之一。Qh=q0FhWp0.8=240.47kW。

2.1.5 人體散熱

主要是在巷道從事采煤工作的管理人員及工人自身散熱量，按一個工作面21人配置，人體散熱系數按中等程度勞動0.21kW/人，重勞動強度按0.47kW/人，Qt=Rt×Nt=9.4kW。

2.1.6 礦井熱源的總散熱量預測

總散熱量為以上5項之和，即：

ΣQ=QW+Qy+Qd+Qh+Qt=1535.91kW。

2.2 井下局部降溫設備選型

2.2.1 冷負荷計算

1110208綜采工作面采暖期的氣象參數為干球溫度32.1℃，相對濕度95%，空氣密度1.22kg/m3，工作面進風量為19.33m3/s。

則Q1=M(I1-I2)×1.22=39.9×19.33×1.22=941.11kW，根據規范取1.2附加系數，設計冷負荷為1129.33kW。因氣象預測中的散熱量是不考慮通風因素的自然散熱量，除去通風帶走的熱量約600kW，本設計冷負荷與預測值基本一致。

2.2.2 主要設備選型

（1）局部降溫設備

井下局部降溫系統主要由制冷站、空冷器、冷卻站三個主要部分及配套的水泵、循環冷卻水管道等組成，其工藝流程見圖2。

圖2 局部降溫系統示意圖

該系統的循環過程分為兩個循環：一是制冷劑的循環，低溫低壓的制冷劑通過空冷器吸收工作面的熱量、降低工作面溫度后，變成氣態送至冷卻器，經壓縮、冷卻、節流后進行循環制冷；二是冷卻水的循環，冷卻站提供的30℃左右的冷卻水，吸收第一循環制冷劑放出的熱量后，溫度升至40℃，通過冷卻水泵的機械循環，返回冷卻站，再通過噴淋水泵的噴淋蒸發及回風冷卻，將冷卻水溫降至30℃繼續循環，產生的熱風經由回風大巷返回到地面回風井口排出。

根據計算冷負荷，1110208工作面需配套4套移動式局部制冷設備（包括制冷主機、空冷器、冷卻器、水泵等），3用1備。

（2）局扇選型

空冷器及風管總壓損約為1150Pa，制冷側局扇選型主要參數為：Q=800m3/min，P=1265Pa，功率為N=2×37kW，防爆型。冷卻站及風管總壓損1000Pa，冷卻側局扇選型主要參數為：Q=860m3/min，P=1100Pa，功率為N=2×45kW，防爆型。經校核，設計工況點處于風機特性曲線高效區內。

2.2.3 主要水泵選型

（1）循環水泵及配套管道選型

冷卻站與制冷站的最大高差為174.49m，循環水管道總長度為9790m(D219×7管路共計3360m，D273×8管路共計6430m)。根據礦井涌水水質和煤礦安全要求，選用礦用防爆耐磨水泵，3臺，2用1備，冷卻水泵主要參數Q=80～125m3/h，H=324～300mH2O，P=132kW, 1140/660V。

（2）噴淋水泵選型

根據計算，系統所需冷卻噴淋水流量為50m3/h，揚程50m，選取防爆型噴淋水泵主要參數為：Q=30～55m3/h，H=68～55mH2O，P=15kW、1140V，3臺，2用1備。

3 地面部分

3.1 井筒防凍熱負荷核算

副立井井筒防凍采用風-風換熱系統。間壁式換熱器先吸取部分新風，通過從回風中提取的熱量，將其加熱至10℃左右，再通過新建的風管送入井口房，與井口房新風混合，混和后空氣的設計溫度為2℃，從而達到井筒防凍的目的。井筒防凍室外計算溫度：tr=-25.4℃，空氣加熱溫度：tr=10℃，冷熱風混合溫度：tn=2℃，考慮到各風井的風量要滿足初期及后期的整體要求，本設計按進風副立井困難時期最大進風量204.4m3/s進行計算：

副立井井筒防凍耗熱量為Q=aGγCp（2-W）=6948.48kW。

3.2 回風余熱提取量計算

回風余熱提取前空氣參數：干球溫度：18℃；相對濕度：85%；焓：50.70kJ/kg；密度：1.03kg/m3；預測回風余熱提取后空氣參數：干球溫度：5℃；相對濕度：100%；焓：20.60kJ/kg；密度：1.102kg/m3。

理論提熱量采用焓差法進行計算：Q1=M1(I1×1.03-I2×1.102)=9163.91kW。

風-風換熱器的效率為90%，實際提取熱量9163.9×0.9=8247.42kW，可以滿足該礦副立井井筒防凍的需要，并對未來礦井擴大生產、進風量增加時留有一定余量。

3.3 井筒防凍熱設備選型

3.3.1 設備選型

根據回風與熱量計算，本設計風-風換熱裝置的總換熱量為9200kW，采用2套換熱器并聯布置，單套換熱能力為3600kW。自動控制采用PLC控制系統，在回風井、進風井、風道內布置遠傳溫度計，并通過調聯動節風機運行臺數和運行頻率來適應外部氣溫變化，達到穩定、經濟的運行效果。

換熱器本體采用間壁式換熱器，采用0.8mm厚SS304材質，ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)=13.06℃，每個模塊傳熱面積為1455m2，考慮到運行過程中回風中的雜質附著于換熱器表面造成換熱效率降低，取富裕系數1.10，取1600m2。每套設備由8個模塊組成，換熱面積為12800m2。

3.3.2 風機及風道設計

綜合考慮風道阻力、流速和事故保證率，新風-風道采用6根圓形風管并聯，將熱風由換熱器送至進風井的井口房內，與室外空氣混合后送入井口。每個風道設置1套軸流風機，單套主要技術參數為：風量Q=2000m3/min，風壓P=1200Pa，電機功率N=55kW。風機采用防爆變頻電機，由PLC系統根據環境溫度反饋，控制井口房熱風進風量。

新風風道材料采用1.2mm厚鍍鋅鋼板，敷設方式為低支架架空敷設。在風管外部包裹橡塑材料保溫，保溫層采用0.5mm鍍鋅白鐵皮包裹作為外護殼。保溫層厚度50mm，密度不小于45kg/m3。

回風風道因氣流濕度較大，考慮一定的防腐厚度，采用內外防腐的4mm厚Q235B鋼板，低支架架空敷設，保溫層設置同新風風管。經核算，根據現有回風井主扇的風機性能曲線，風道增加的阻力為127Pa，工況點位于原設計范圍內，不會對礦井的通風安全產生影響。

4 運行效果分析

該系統自2019年1月投入運行以來，1110208工作面切眼到溫度由原來的32℃降至26℃，冷卻站排出的熱量，使得回風大巷回風溫升2.6℃，回風溫度平均升至12.4℃。這樣風-風換熱系統提熱量增加，進一步保證了系統的穩定供熱。

風-風換熱系統在室外溫度變化，最低達到-13.5℃時，礦井回風溫度基本穩定，井口房室內實測平均溫度6.2℃，最低2.5℃，可以穩定滿足煤炭工業礦井規范對井口房混風溫度≥2℃的要求。運行效果見圖3。

圖3 某礦采暖期最冷月運行曲線圖

5 結語

煤礦進風井在采暖期時井口防凍的熱負荷一般是礦井最大的熱負荷，而在熱害礦井中，采用風-風換熱系統對礦井回風進行熱量提取，加上井下局部降溫機組冷卻站散到回風中的散熱量，足以滿足礦井新風加熱的熱負荷，并留有未來擴大生產的余量，達到了很好的節能環保的效果。該項目的順利實施，可以為其他熱害礦井采暖期的設計提供一個良好的參考。