煤礦回風余熱資源利用技術現狀與展望

向艷蕾，楊 允，閆文瑞，殷衛峰

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300450)

0 引 言

煤礦企業是重點能耗企業，用能需求種類多、體量大、季節差異明顯。煤礦長年有電力、洗浴熱水加熱、衣物烘干、吊籃除濕等需求，夏季還有井下降溫和建筑供冷需求，冬季還有井筒防凍和建筑采暖需求。

目前，煤礦制熱和制冷系統大多相互獨立。熱需求主要通過燃煤鍋爐或燃氣鍋爐滿足，前者存在能耗高、熱效率低、污染嚴重等問題[1]，后者存在燃料供應不穩定、運行費用高和氮氧化物排放高等問題[2]。冷需求大多通過分體空調滿足，存在運行和維護費用高的問題。因此，煤礦亟需尋求既符合節能減排要求，又經濟可行的供能方式。

煤礦井下安全作業需要不間斷地通入新鮮空氣，空氣流經地下巷道時與巖壁發生熱濕交換，同時井下設備源源不斷地將熱量釋放到空氣中，使得回風中蘊含大量可利用的熱能[3-4]。礦井回風溫度約為17 ℃～22 ℃，相對濕度約90%，且全年風量穩定，是1種優質的低品位熱源。近年來，隨著社會對環保要求的日益提高，礦井回風余熱利用技術在我國發展迅速，多家煤礦企業都已開始利用礦井回風余熱滿足井筒防凍、建筑采暖等用熱需求，以減少一次能源消耗和污染物排放。

礦井回風余熱利用技術可分為直接利用技術和熱泵提熱技術2種，2種技術的應用場合、解決的問題、技術難點各不相同。鑒于此，系統梳理了礦井回風余熱資源的利用技術、存在的問題及發展前景，旨在為合理選取回風余熱利用方式指明方向，以最大化地發揮回風余熱資源的潛能。

1 直接利用技術

直接利用技術可分為間壁換熱技術和熱管換熱技術2種，回收的熱能一般用于冬季井筒防凍。

在間壁式換熱技術中，換熱器通常采用管翅式，管內為新風，管外為回風，回風通過金屬壁面與新風進行熱濕交換，當新風溫度低于礦井回風的露點溫度時，回風中的水蒸氣凝結釋放出大量潛熱[5]，新風吸收回風釋放的熱量后溫度升高至2 ℃以上。倪少軍等[5]將間壁式換熱技術用于麥垛山煤礦井筒防凍系統，入井新風溫度最低為2.7 ℃，滿足規范要求，降低了井筒防凍系統的能耗和運行費用。礦井回風直接利用系統如圖1所示。間壁式換熱技術是目前使用最廣泛的回風直接利用技術，但該技術所需的換熱面積較大，導致換熱器體積大，僅適用于設備安裝空間不受限制的寬闊場所。

圖1 礦井回風直接換熱系統[5]Fig.1 Direct heat exchange system of return air[5]

在熱管換熱技術中，以熱管作為換熱元件。熱管以相變換熱作為主要傳熱方式，具有等溫性好、導熱性高、換熱效率高、換熱面積可調等優點[6]，在中低溫余廢熱回收方面具有明顯的優勢[7-8]。當進風井與回風井相距在200 m以內時，采用重力式熱管換熱器[4]；當進風井與回風井相距超過200 m時，采用分離式熱管換熱器[8]，冷凝段和蒸發段采用管道連接，換熱工質通過在管道內流動實現熱量的轉移。然而，礦井回風通常含有粉塵及腐蝕性成分，容易影響熱管的換熱效率及系統運行可靠性。為此，孟國營等[9]發明了1種礦井回風余熱回收專用熱管，蒸發段、絕熱段和冷凝段的管殼和翅片采用不同的材質，以上些材質均具有較高的導熱系數，提高了熱管的換熱效率和系統運行的可靠性。熱管換熱技術適用于對換熱效率要求較高、設備安裝空間較小的場所。

山西省平定縣花荷峪風井場地采用低溫熱管技術進行井筒防凍，結果表明在同樣的供熱負荷下，選用燃煤鍋爐供暖年運行費用為520.05萬元，而采用低溫熱管技術年運行費用僅52.25萬元，經濟效益顯著[10]。

采用直接換熱技術回收礦井回風熱能時，系統較為簡單，初投資和運行費用較低，但回收的熱能僅能用于井筒防凍，無法解決礦區建筑采暖和洗浴水加熱等熱需求。

2 熱泵提熱技術

為最大程度上滿足煤礦熱、冷需求，熱泵技術被引入礦井回風余熱利用領域。熱泵以電能為驅動能源，既可制熱又可制冷，制熱時以礦井回風為低溫熱源，制冷時以礦井回風為熱匯。按低溫熱源傳熱介質的不同，熱泵提熱技術分為空氣源熱泵提熱技術和水源熱泵提熱技術2種[11]。

2.1 空氣源熱泵提熱技術

根據礦井回風是否直接引入熱泵，空氣源熱泵提熱技術又可分為直蒸式取熱技術和間蒸式取熱技術2種。

2.1.1直蒸式取熱技術

直蒸式取熱技術在回風機排風口處建設回風換熱室，在換熱室側面布置換熱器，在此換熱器中直接完成低溫低壓制冷劑液體的蒸發吸熱過程，提取回風中的熱量，制冷劑吸熱氣化后進入壓縮機，被壓縮至高溫高壓狀態后進入冷凝器將熱量傳遞給循環水，循環水吸熱升溫后向用戶供熱，系統如圖2所示[12]。

圖2 直蒸式取熱熱泵系統[12]Fig.2 Direct evaporation heat pump system[12]

此技術下，制冷劑直接與回風換熱，不需要采用水或其他載冷劑進行二次換熱，可有效降低能量損失，且顯著增加余熱提取量，換熱后回風溫度最低可降至0 ℃。

由于礦井回風中含有大量粉塵等雜質，換熱器中強化換熱的翅片容易積灰，導致換熱效率降低，風阻增大，如若改為光管則會大大增加換熱器的尺寸，增加初投資和占地面積[13]。為解決此問題，王建學等[14]發明了1種帶噴淋除塵的直蒸式礦井回風源熱泵系統，先用水噴淋對回風進行洗滌，經洗滌后的回風再進入換熱器與制冷劑換熱，此技術可有效維持換熱器表面的清潔，提高換熱器的換熱能力。

實際應用中，礦井回風量通常較大，為充分換熱需要較大的換熱面積，受礦區場地的制約，往往難以安裝與回風量相匹配的換熱器。即使有足夠的場地，換熱器數量的增多和換熱面積的增加會增大回風阻力，對礦井通風機的運行造成不利影響[15]。因此，直蒸式取熱技術應用較少。

2.1.2間蒸式取熱技術

為解決上述問題，間蒸式取熱技術被提出，在此種技術中礦井回風不直接進入熱泵。袁曉麗等[16]發明了1種礦井回風余熱回收利用系統，新風與回風在間壁式換熱器中換熱，升溫后的新風一部分直接送入井下，一部分作低溫熱源送入空氣源熱泵的蒸發器，空氣源熱泵制得的熱水可在極端低溫條件下保障井筒防凍熱量的供應，該系統高效穩定且經濟性好。

2.2 水源熱泵提熱技術

水源熱泵提熱技術采用循環水置換礦井回風中的熱量或冷量，以換熱后的循環水為低溫熱源或熱匯，利用水源熱泵實現供熱或供冷。該技術的關鍵在于礦井回風余熱的高效、穩定提取，按提取方式的不同分為表面式換熱技術和噴淋式換熱技術2種。

2.2.1表面式換熱技術

在表面式換熱技術中，礦井回風不與熱泵循環水直接接觸。楊海鵬等[17]發明了1種礦井回風余熱梯級利用系統，將循環水通入表面式換熱器回收回風中的熱能，循環水溫度升高后先進入井口空氣換熱器預熱井筒進風，后進入水源熱泵作為其低溫熱源而制得熱水，進一步加熱井筒進風至2 ℃以上。仲繼亮[18]發明了1種充分利用礦井回風余熱的裝置，將直管表面式換熱器設置在位于回風井頂部的導風筒內，管內為循環水，管外為回風，循環水與回風換熱后溫度升高，水源熱泵再以此循環水為低溫熱源制取熱水，可供井筒防凍、建筑采暖和洗浴水加熱使用。礦井回風表面式換熱-熱泵系統如圖3所示。

圖3 礦井回風表面式換熱-熱泵系統[18]Fig. 3 Heat pump system with surface heat exchange of return air[18]

表面式換熱一般只能回收礦井回風的顯熱，提取的熱量有限，為克服此缺點，深焓取熱技術被提出，該技術通常以防凍液為取熱介質[19]。防凍液在換熱器中吸收礦井回風熱量，升溫后進入熱泵蒸發器作低溫熱源，回風溫度則降至0 ℃以下。徐廣才等[20]發明了1種礦井回風余熱梯級利用供暖裝置，能夠深度提取礦井回風熱能，先采用間壁換熱技術回收回風余熱用于井筒防凍，然后采用深焓取熱技術進一步回收回風熱量，制取的熱水用于建筑采暖。李孜軍等[21]利用高壓CO2在0 ℃以下不易結凍的特性，發明了1種適用于高寒地區礦井回風余熱利用的裝置，該裝置以高壓CO2為中間換熱介質，可深度回收礦井回風余熱。深焓取熱技術適用于冬季室外環境溫度低的場所。

在表面式換熱技術中，熱泵循環水不與回風直接接觸，水質清潔，可延長熱泵使用壽命。但表面式換熱器也面臨翅片積灰、換熱面積大導致的各種問題，解決上述問題是下一步研究的重點。

2.2.2噴淋式換熱技術

噴淋式換熱技術中循環水通過噴淋裝置與回風直接接觸，回風抽出后進入擴散塔內，變為低速、均勻、穩定的氣流，與噴淋裝置噴淋出的高密度霧化水充分接觸，完成氣水之間的熱濕交換，升溫后的噴淋水進入回水槽，經處理后作為低溫熱源送至熱泵機組，回風通過擋水板后排至大氣[22-26]。噴淋式換熱技術是目前研究最多、應用最廣的回風余熱利用技術。

礦井回風噴淋式換熱-熱泵系統如圖4所示。

圖4 礦井回風噴淋式換熱-熱泵系統[23]Fig. 4 Heat pump system with spray heat exchanger of return air[23]

噴淋式換熱系統風阻小，不會影響礦井正常通風，對通風機的運行具有明顯的降噪作用，降噪量約為30 dB[12]，且噴淋水可以對回風進行除塵，除塵效率可高達95%，大幅減少了回風對大氣的污染。

然而，采用噴淋式換熱技術，當回風溫度低于12 ℃時取熱效果差，在嚴寒地區設備穩定性也較差[27]，為解決此問題，王建學等[28]開發了1種低風溫工況礦井回風源熱泵系統，通過在循環水中添加防凍液，并采用溶液濃縮設備控制溶液濃度，實現了高寒地區低風溫工況下礦井回風熱能的穩定回收。王理金等[29]開發了1種大溫差礦井回風熱能回收系統，對礦井回風采用噴淋式換熱和表面式換熱兩級取熱，再通過水源熱泵將提取的低品位熱能轉化為高品位熱能，該系統既可實現較高的熱能回收率，也可避免熱能回收過程中出現的低溫結霜和換熱效率低的問題。

晉煤集團成莊礦4號風井采用回風噴淋式熱泵技術供熱，年運行費用115.82萬元。與原燃煤鍋爐供熱技術相比，年運行費用可節省301.73萬元，CO2減排量達10 064 t[23]。

目前，噴淋式換熱技術還存在一些問題未徹底解決，包括：系統平均能效比低，一般只有3左右[17]；回風中的粉塵進入循環水中造成水質污染，導致熱泵機組、過濾器、水泵等設備磨損嚴重，使用壽命減少[18]；噴淋過程會發生水分的蒸發和散失，補水量大，導致換熱效率降低等，以上問題是下一步的研究重點。

3 技術比較

礦井回風利用技術多樣[30-38]，不同利用技術的優缺點見表1。

表1 礦井回風余熱利用技術總結Table 1 Summary of the waste heat utilization technology of return air in coal mines

4 結 論

隨著我國“碳達峰、碳中和”目標的提出，煤礦企業作為高能耗企業，節能減排勢在必行，礦井回風余熱利用技術也將迎來新的發展機遇。筆者通過對比分析回風余熱直接利用技術和熱泵提熱技術，從利用技術、存在的問題、發展前景等3個方面系統梳理了礦井回風余熱資源，并探討其發展前景,結果表明：

(1)礦井回風余熱利用技術有直接利用和熱泵提熱2種，其中：礦井回風直接利用技術系統簡單，但回收的熱能僅能用于井筒防凍；熱泵提熱技術可顯著提高熱能的品味，但存在因回風雜質產生的積灰、堵塞、腐蝕、磨損等問題。

(2)現有技術還存在設備體積較大、安裝受限及易導致積灰、堵塞、腐蝕、磨損等問題，有待進一步研究和完善。未來相關研究需從換熱設備的材料、工藝方面著手，一方面提升換熱效率，減少換熱面積，使設備布置更加靈活；另一方面降低對回風潔凈度的要求，解決積灰、堵塞、腐蝕、磨損等問題。