礦井低溫余熱綜合利用技術研究與應用

徐國強

(陜西煤業新型能源科技股份有限公司，陜西省西安市，710100)

我國煤炭企業既是能源生產企業也是高耗能企業，煤炭在生產過程中有80%的能耗是電力消耗，煤炭企業用能種類繁多、體量大、季節差異明顯。其中空壓機、提升裝備、鍋爐和排水泵等裝備是煤礦中能耗較大、節能潛力較大的高耗能裝備，且存在耗電量大、運行費用高、運行故障率高、極端天氣供熱效果難以保證等問題[1-3]。由于煤礦井下安全作業需要不間斷地通入新鮮空氣，以保證井下工作人員正常呼吸以及生產設備的正常運行，空氣流經地下巷道與巖壁發生熱濕交換，同時井下的采、掘、運輸等機械設備不間斷地運轉也釋放出較大熱量，因此礦井回風蘊藏著巨大的可利用的且風量穩定的低品位熱能[4-6]。因此，各煤炭企業均在積極地降低非生產環節的能耗，改變用能結構，對資源綜合利用等技術開展多方面的研究，以實現企業的節能減排與綠色生產[7]。近年來，隨著國家和地方環保政策要求的逐漸提高，很多煤炭企業原有的燃煤鍋爐逐步被淘汰，這就給乏風余熱利用技術的應用創造了條件。乏風余熱技術的發展減少了企業燃煤帶來的消耗成本，可助力我國節能減排事業的發展[8-9]。

一般礦井乏風余熱利用技術主要包括直接利用技術和熱泵提熱技術，直接利用技術具有熱能提取量小的特點，比較適用于中低溫余熱回收項目，投資和運行費用較低；熱泵提熱技術具有循環回路多、裝機功率大、電能消耗較大、熱能回收多的特點，但熱泵系統較為復雜，初期投資和運行管理費用相對較高，比較適用于場地較大且資金充裕的項目[10-12]?；诖耍P者以安陽煤礦為例，對安陽煤礦原有的供暖方案進行了技術改進，研究了生產礦井逆流直接換熱式回風加熱新風技術(乏風直接利用技術)和空壓機余熱回收技術的實際應用情況，目的是發揮回風余熱資源潛能最大化，解決安陽公司供暖、節能增效等問題，為相關煤礦開展節能減排降耗提供參考。

1 項目概況

近年來，我國煤炭企業均在積極探索降低非生產環節能耗的措施，而安陽煤礦在供熱系統的總裝機功率達到5 567 kW，生產能力為120萬t/a，采暖期電鍋爐采暖折算噸煤電耗約14 kW·h，存在耗電量大、運行費用高、運行故障率高、極端天氣供熱效果難以保證等問題。因此陜西澄合合陽煤炭開發有限責任公司按照地方鍋爐大氣污染物排放標準等相關文件的要求，在工業場地停用了原燃煤鍋爐改用電磁鍋爐以滿足井筒防凍和地面工業建筑采暖。

經綜合考慮后，決定在安陽煤礦實施余熱綜合利用改造項目，通過逆流直換技術和空壓機余熱技術對礦井回風和空壓機余熱資源加以利用，以實現井筒防凍和洗浴水加熱這2個目標，從而提高礦產資源的利用率。

1.1 項目實施前的井筒防凍與洗浴水加熱簡介

安陽煤礦位于陜西省合陽縣金水溝，氣候條件為冬夏季長、春秋季短。夏季氣溫較高，炎熱而干旱；冬季嚴寒，氣溫低且雪雨少。由于北方冬季干冷且井筒易結冰，安陽煤礦目前采用電磁鍋爐加熱的方式來保證室外溫度低于-7 ℃時，井筒不低于2 ℃且不出現短暫結冰現象。為防止井筒結冰進而影響安全生產，在新建鍋爐房中放置了4臺額定加熱功率為800 kW的電磁鍋爐、副井口放置了2臺空氣加熱機組，運行期間“一用一備”，主井設置了2臺空氣加熱機組，實際未運行。主井井口房依靠帶式輸頭機機頭電機散熱采暖，進風未加熱。電磁鍋爐生產蒸汽，通過蒸汽管道將蒸汽運送至副井口，經井口加熱器加熱后，由風機吹出熱風在井口房與室外空氣混合后進入井筒，以達到井筒保溫效果。

礦區內原洗浴熱水加熱由新加裝的20臺額定制熱量為38 kW的空氣源熱泵提供?？諝庠礋岜冒凑漳婵ㄖZ原理工作，即在空氣中獲得超低溫熱源，吸收空氣中的熱量經系統高效轉化后變成高溫熱源用來加熱水溫，但在極寒天氣中空氣源熱泵效果較差、運行費用高、冷凝器易結垢。

1.2 安陽煤礦余熱資源分析

1.2.1 可利用的余熱資源分析

(1)礦井乏風余熱計算。礦井乏風的溫度和濕度不受室外氣溫影響并且全年比較恒定，風量為6 400 m3/min(106.70 m3/s)，乏風溫度為18 ℃，相對濕度為90%。礦井乏風可提取余熱測算見式(1)：

Q1=ρ×v×(h2-h1)

(1)

式中：Q1——可從乏風中提取的熱量，kW；

ρ——空氣密度，kg/m3；

v——乏風量，m3/s；

h2——溫度為18 ℃，相應濕度為90%時空氣的焓，kJ/kg；

h1——溫度為2 ℃，相應濕度為95%時空氣的焓，kJ/kg。

安陽煤礦礦井中的空氣密度為1.23 kg/m3、乏風量為106.7 m3/s、溫度為18 ℃且相應濕度為90%時空氣的焓取47.54 kJ/kg、溫度為2 ℃且相應濕度為95%時空氣的焓取12.39 kJ/kg來計算，礦井乏風可提取熱量為4 613.10 kW。

(2)空氣壓縮機余熱計算。本礦井主場地目前已經建設4臺40 m3/min螺桿式空壓機，單臺功率為250 kW，空氣壓縮機負荷率和空氣壓縮機余熱回收效率均為85%，按照正常開啟1臺計算，可從空氣壓縮機中提取的余熱測算見式(2)：

Q2=N×η1×η2

(2)

式中：Q2——可從空氣壓縮機中提取的熱量，kW；

N——空氣壓縮機軸功率，kW；

η1——空氣壓縮機負荷率， %；

η2——空氣壓縮機余熱回收效率， %。

按照式(2)計算，可從空氣壓縮機中提取的熱量為180.63 kW。

1.2.2 熱需求分析

(1)井筒防凍所需熱負荷計算。根據礦方提供的數據，副井風井的進風量為4 300 m3/min，根據《煤炭工業礦井設計規范》(GB50215-2015)要求，井筒防凍熱負荷計算溫度是按照冬季極端最低溫度的平均值-13 ℃進行計算，井筒防凍所需熱負荷測算見式(3)：

Q3=G×ρ×Cp×(Th-Tw)

(3)

式中：Q3——井筒防凍所需熱負荷，kW；

G——礦井進風量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Cp——空氣定壓比熱容；

Th——冷、熱空氣混合后的溫度， ℃；

Tw——冬季極端最低溫度， ℃。

安陽煤礦礦井進風量為71.70 m3/s、空氣密度為1.28 kg/m3、空氣定壓比熱容為1.01 kJ/(kg·℃)、冷、熱空氣混合后的溫度2 ℃以及冬季極端最低溫度為-13 ℃來計算，井筒防凍所需熱負荷為1 390.40 kW。

(2)洗浴所需熱負荷計算。根據礦方提供的數據，按照1 000人次/d的洗浴人數統計，本次方案按照每人用水量100 L且平均用熱水量100 t/d計算，洗浴熱水所需熱負荷測算見式(4)：

Q4=cm(T2-T1)

(4)

式中：Q4——洗浴水所需熱負荷，kW；

c——水的比熱容，J/(kg·℃)；

m——水的流量，kg/s；

T2——加熱至洗浴水溫度， ℃；

T1——進水溫度， ℃。

按照水的比熱容為4 200 J/(kg·℃)、冬季進水溫度15 ℃、制取45 ℃熱水、加熱時間20 h不間斷加熱計算，洗浴水所需熱負荷為174.4 kW。

1.2.3 余熱利用結論

通過分析計算，礦井乏風及空壓機可提供的余熱總量為4 793.73 kW，實際需要的熱負荷為1 564.80 kW，完全可以滿足用熱需求。礦井乏風的熱量穩定，可以采用逆流直接換熱技術以滿足井筒保溫防凍需求；空壓機的余熱品質較高，可以采用空壓機余熱回收技術滿足洗浴熱水加熱需求。熱負荷需求量與礦井余熱量見表1。

表1 熱負荷需求量與礦井余熱量

2 技術原理

2.1 逆流直接換熱技術

井筒防凍技術方案主要是利用逆流直接換熱技術，礦井乏風通過風道進入布置有高效導熱納米金屬合金材料的熱量直接換熱器，與逆流進入換熱器的新風進行高效熱交換，以實現用礦井余熱加熱新風的目標。加熱后的新風被風道導入至井口處，實現井口防凍的效果，逆流間壁式換熱技術原理如圖1所示。

圖1 逆流間壁式換熱技術原理

逆流直接換熱技術帶有的納米涂層高效熱傳導材料通過合理的逆流結構設計實現高效熱傳導，換熱單元結構示意如圖2所示。

圖2 換熱單元結構示意

逆流直接換熱技術按照工作過程可劃分為3個部分，即回風對流換熱、帶納米涂層的合金內部導熱和新風對流換熱。逆流直接換熱技術的特點是通過高效熱傳導實現熱量轉移，礦井乏風進入逆流直接換熱器，回風熱量直接傳給新風，新風進入換熱器接觸到金屬側壁面受熱后直接送入井口，由于進風井和回風井距離受限，因此送風溫度不高于回風溫度。另外還需定期(每年)清洗回風側換熱器附著物，效率衰減控制在5%以內。逆流直接換熱系統擁有結構簡單、運行成本低、維護便捷、使用壽命較長的特點。

2.2 空壓機余熱回收技術

洗浴熱水加熱是利用空壓機余熱技術，將礦井中空氣壓縮機油站的熱量通過熱回收裝置與循環水進行熱交換以達到加熱洗浴水的目的?？諌簷C余熱高效熱能回收裝置中的換熱器材質為不銹鋼板，換熱管為彈簧盤管式，水流的沖刷作用使換熱管自由伸縮脹縮，不易結水垢。在長期使用過程中，通過換熱管的膨脹可自動脫垢，換熱效率不變。空壓機余熱換熱技術原理如圖3所示。

圖3 空壓機余熱換熱技術原理

空壓機余熱技術換熱方式為壓縮機油-中間循環水-洗浴熱水，通過中間循環水與85 ℃的壓縮機油換熱，吸收壓縮機油的熱量后進入熱水箱下部的加熱器，制取45～50 ℃熱水用于洗浴熱水加熱。中間循環水水質的控制對系統內換熱效果有直接影響，控制好循環水水質，定期清理水箱下部換熱器，效率無衰減?？諌簷C熱回收技術優點是運行成本極低，熱水溫度保證較高，加熱無運轉部件，使用壽命長。

3 項目運行效果分析

安陽煤礦余熱綜合利用項目自2022年1月正式投入運行以來換熱效果顯著，該項目可以穩定滿足井口房混風溫度不低于2 ℃的要求，還可以滿足廠區職工的洗浴需求。筆者選取了2022年2-3月30 d的井下乏風和新風每日12時和24時入口-出口的溫度數據，乏風入口-出口溫度曲線如圖4所示，新風入口-出口溫度曲線如圖5所示，井口溫度曲線如圖6所示，洗浴水溫度曲線如圖7所示。

圖4 乏風入口-出口溫度曲線

由圖4和圖5可以看出，隨著冬季白天氣溫回升，乏風出入口溫度、新風出入口溫度隨之升高，且午時溫度均高于凌晨溫度。井下乏風在通過風道進入換熱器后，將熱能通過換熱器交換給了同樣到達換熱器的新風，使新風溫度升高，送向井口實現井口保溫防凍效果。乏風通過換熱器后，溫度平均降低了5 ℃；新風通過逆流直換技術被加熱，寒冷天氣升溫效果顯著，可達20 ℃。

圖6 井口溫度曲線

由圖6可以看出，被加熱后的新風通過風道送至井口，井口保溫防凍效果顯著，項目運行1個月中，當地處于冬季天氣寒冷，井口溫度始終不低于9 ℃，防凍保溫效果非常顯著，使得礦井可以穩定滿足井口房混風溫度不低于2 ℃的要求。

圖7 洗浴水溫度曲線

由圖7可以看出，礦區職工洗浴水箱通過空壓機油站油溫余熱加熱，水箱溫度維持在45 ℃左右，說明通過此項目的實施，廠區職工洗浴需求得以滿足，且每日午時洗浴水箱溫度略大于凌晨。

4 效益分析

煤炭企業的經濟效益與煤質和開采條件直接相關，安陽煤礦的煤質和煤炭賦存條件相對較差，企業經營壓力較大。安陽煤礦余熱綜合利用項目改造實施后，井筒保溫采暖和洗浴熱水加熱這2項的噸煤能耗顯著下降，成功地解決了安陽煤礦供暖和企業節能降耗的問題，取得了良好的社會效益和經濟效益。

4.1 社會效益

安陽煤礦余熱綜合利用項目通過對安陽煤礦原有的供熱方案進行改進，利用逆流直接換熱技術及空壓機余熱技術代替傳統燃煤鍋爐和空氣源熱泵以減少能耗，成功解決了井筒防凍和洗浴熱水問題。項目的改造和實施，使得企業的電耗和煤耗大大降低，還極大改善了礦區的環境狀況，減少了乏風氣體排放給工人帶來的危害，取得了良好的社會效益。

4.2 經濟效益

礦井回風熱回收系統的初期投資主要包括設備購置費和建設費用。根據已知熱負荷和洗浴負荷選定設備并確定初期投資，設備主要包括熱交換器、風機、空壓機余熱回收機組以及其他附屬設備等；建設費用主要包括機房土建、安裝建設等費用；運行費用主要是指熱泵機組和水泵等電費、人工費及維護費，按照使用季節共分為3部分，即冬季采暖電耗、夏季供冷電耗和洗浴電耗。

項目改造前使用“電磁鍋爐加熱+空氣源熱泵”的初期投資費用1 800萬元，運行費用305萬元，總投資費用2 105萬元，存在費用較高、運行故障率高、極端天氣供熱效果不佳的問題。改造后，安陽煤礦余熱綜合利用項目使用“逆流直換技術+空壓機余熱技術”的初期投資費用1 222.5萬元，運行費用39.75萬元，總投資費用1 262.25萬元。項目改造后節約運行電費260萬元/a，減少耗電量280萬kW·h，減少煤耗約為900 t標準煤，減排二氧化碳2 500 t。該改造項目充分利用了礦井回風、空氣壓縮機低溫余熱熱源，加快推進了礦井余熱資源化利用進程，降低了能耗，極大地節約了機房占地面積以及設備的安裝和運行成本。

5 結論

(1)筆者以安陽煤礦為工程背景，結合礦區實際情況，綜合分析了該煤礦的低品位熱能，對安陽煤礦原有供暖方案進行了技術改進。

(2)經實際運營分析，采用的逆流直接換熱技術能有效防止井筒凍結，換熱結構得到了精簡且造價相對較低，中間不經過二次換熱，減少了中間換熱環節，可以有效降低系統能耗提高換熱效率；采用的空壓機余熱技術能保證礦區內所有工作人員洗浴熱水的持續供應，且水溫長期保持在45 ℃左右。

(3)本項目改造后可替代原有電磁鍋爐、燃煤鍋爐加熱，降低了能耗，減少了污染物的排放，具有良好的社會效益和經濟效益，對西北嚴寒地區煤礦企業在礦區余熱利用的推廣應用方面起到一定的理論支持和良好的示范作用。