間壁式取熱熱泵系統在某煤礦礦井乏風余熱回收中的應用

劉家雷，強天偉，徐宏錦，陳倩倩

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

0 引言

全球氣候變化是當今各國共同面臨的挑戰，深刻影響著人類的生存與發展。為應對氣候變化，中國作出莊嚴承諾：“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取于2060年前實現碳中和”[1]。煤炭號稱“工業的糧食”，是中國的主體能源。煤炭企業作為傳統耗能大戶、污染大戶，要按照綠色低碳的發展方向，對標實現“雙碳”目標，控制總量，有序減量替代，推動煤炭行業轉型升級，踐行“綠色礦山、生態礦山”的建設理念。

近年來，隨著國家節能減排政策的不斷推進及煤礦環保要求的愈發嚴格，回收利用煤礦低溫余熱資源來實現礦區的清潔取暖引起煤炭企業的廣泛關注，尤其是礦井乏風余熱利用，由于礦井乏風風量大，風溫穩定，相對濕度大，焓值較高，其蘊含著大量的優質低溫熱能，是具有極高利用價值的余熱資源[2]。利用間壁式取熱熱泵系統從乏風中提取熱量用于礦區的建筑物供暖、井筒防凍及洗浴用熱，可以取代燃煤鍋爐供熱系統，解決煤炭企業供熱系統燃煤污染、運行成本高的現實問題，具有良好的經濟效益和社會效益。

1 間壁式取熱熱泵系統原理

熱泵技術是一種高效節能的供熱技術[3]，間壁式取熱熱泵系統主要由取熱裝置、熱泵機組、輸配管路以及末端設備等組成。系統原理如圖1所示，礦道風機把乏風從井下抽排到地面，在礦井回風立井上方設置乏風取熱室，取熱裝置設置于取熱室兩面側墻內，致使乏風強制流過取熱裝置內的翅片間隙，并將乏風的熱量傳遞給取熱裝置中的取熱介質，取熱介質吸熱相變后通過循環泵把熱能輸送到熱泵機組的蒸發器端，熱泵機組中的壓縮機做功消耗一定的電能，把低品位熱能提升制取高溫熱水供給末端用戶側[4]。

1-蒸發器；2-冷凝器圖1 間壁式取熱熱泵系統原理

該系統可提取乏風中的大量顯熱、液化潛熱和固化熱，乏風取熱后的排風溫度可降至-15 ℃[5]。整個系統采用閉式循環，余熱回收熱效率高，可靠性高，同時也保證了礦井通風安全，且熱泵機房與乏風取熱室之間相對位置更加靈活，不受取熱裝置與熱泵機組間距和高差的限制。

2 工程項目介紹

2.1 項目背景

2019年3月28日，陜西省人民政府辦公廳印發《陜西省藍天保衛戰2019年工作方案》，行動方案指出全省要開展燃煤鍋爐綜合整治。全省不再新建35蒸噸以下的燃煤鍋爐，并加大燃煤、燃氣、燃油、生物質鍋爐改造力度。某煤礦自建有鍋爐房，鍋爐房共有3臺SZL7-1.0/115/70-AⅡ型燃煤熱水鍋爐，單臺供熱量7 MW(折合蒸汽10蒸噸)，鍋爐房的運行費用見表1，由表中數據可以看到煤炭消耗量巨大，且一般的燃煤鍋爐效率只有60%～65%[6]，既污染環境，又造成能源浪費。3臺燃煤熱水鍋爐屬于政策淘汰范圍，且燃煤鍋爐改造不允許“拆小建大”。因此，為落實國家政策，滿足清潔低碳、綜合利用以及綠色礦山的生產要求，該企業擬采用更加清潔高效、節能環保的供熱系統來代替燃煤鍋爐。

表1 2019年鍋爐房運行費用清單

2.2 項目設計要求

對原有燃煤鍋爐房進行拆除，礦井乏風余熱利用改造項目應遵循技術先進、經濟合理、安全可靠及節能環保等原則，不影響煤炭企業礦井的正常安全生產運行，貫徹執行國家和地方的有關標準、規范，設計中體現以人為本、安全第一的先進理念，使建成后項目能夠安全穩定運行。根據《煤礦安全規程》第137條規定，進風井口以下的空氣溫度(干球溫度)必須在2 ℃以上[7]。該地區的逐時氣象參數如圖2所示。為保證井下安全生產，根據《煤炭安全規程》要求，該井筒在冬季需要進行保溫防凍。此外，聯建樓供暖需滿足室內溫度不低于18 ℃，充分利用礦井現有的資源，設計適合本礦井的乏風余熱利用系統。

圖2 逐時氣象參數

2.3 熱需求分析

熱負荷主要包括副平硐井筒防凍負荷及聯建樓供暖負荷。查閱榆林市的氣象數據，該礦區的室外設計參數見表2。

表2 榆林市室外計算參數

2.3.1 井筒保溫防凍負荷

該礦副平硐進風量為6 200 m3/min，采暖季副平硐井筒防凍加熱所需熱負荷按下式計算

Q=KCp(Th-Tw)ρL

(1)

式中，Q為井筒防凍加熱熱負荷，kW；K為富裕系數，取1.1；Cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)，取1.01 kJ/(kg·K)；Th為冷、熱空氣混合后的溫度，℃，按規范規定取2 ℃；Tw為室外最低平均溫度值，℃，取-25.8 ℃；ρ為空氣密度，kg/m3，取1.137 kg/m3；L為礦井進風量，103.33 m3/s。

2.3.2 聯建樓供暖負荷

根據礦方提供的數據，聯建樓熱負荷總計856.3 kW，考慮10%的富裕后，聯建樓熱負荷總計為941.9 kW。副平硐井筒防凍負荷及聯建樓供暖負荷統計匯總見表3。

表3 熱負荷統計

2.4 乏風供熱能力分析

該礦提供礦井乏風的相關數據參數，乏風量為9 500 m3/min，乏風溫度在12～14 ℃之間，相對濕度70%以上。取乏風溫度12 ℃，相對濕度80%進行設計計算。

礦井乏風余熱量計算

QY=(h1-h2)ρL

(2)

式中，QY為冬季礦井乏風可提取熱量，kW；h1為冬季礦井乏風比焓，kJ/kg，查表取32.12；h2為礦井回風提取熱量后比焓，kJ/kg，查表取12.51；ρ為礦井回風平均空氣密度，kg/m3，取1.2；L為回風量，m3/s，取158.33。

由(2)式計算得：QY=3 725.8 kW。

低溫熱源提供的熱量經熱泵提升溫度后，輸出熱量按下式計算

(3)

式中，QG為熱源提供熱量QY情況下熱泵的供熱能力，kW；Q0為熱源可提取的熱量，kW；COP為熱泵制熱機組能效比，一般取4～5。

設熱泵機組COP取4.2，Q0=QY，則中可從礦井回風中提取的余熱供熱能力為QG=4 890.1 kW，根據余熱量與供熱負荷需求可知，礦井乏風余熱回收完全可以滿足礦井副平硐井筒防凍及聯建樓取暖的熱需求。

3 方案設計及主要設備選型

3.1 乏風取熱室

單臺取熱裝置的取熱量為200 kW，數量20臺，取熱介質為乙二醇防凍液，溶液濃度為28%，流量為300 m3/h，乏風取熱室設備及管道布置如圖3所示。

圖3 乏風取熱室設備及管道布置

3.2 熱泵機房

采用4臺渦旋式水源熱泵機組HE-1200B，單臺制熱量1 193 kW，制熱耗電功率259.8 kW，工質為R410A。同時配置1臺700 kW的電輔助設備能夠在極端天氣作為備用取暖系統，用于熱源補充。熱泵機房實景如圖4所示。

圖4 熱泵機房實景

3.3 空氣加熱室

副平硐入口旁的空氣加熱室內設置空氣加熱機組，水源熱泵機組制取的50 ℃熱水通過循環泵輸送到空氣加熱機組，再通過風機把熱風吹進副平硐井口與室外新風混合后送入井筒內。使用計算程序可通過約束邊界條件，輸入已知參數求取未知量，從而對空氣加熱機組進行選型。通過設計計算，空氣加熱機組數量為6臺，單臺設備的技術參數見表4，空氣加熱機組內的單支熱管技術參數見表5。

表4 空氣加熱機組熱管參數

表5 單支熱管參數

3.4 聯建樓

由于原有供熱管網及末端與本系統不配套，故需拆除原有散熱器片，將末端設備更換為風機盤管。根據聯建樓各房間使用功能、室內設計溫度和建筑面積的不同，分別設置型號為TC200D/300D/400D的風機盤管。

4 系統運行效果分析

該熱泵系統自2020年11月初投入使用后，系統運行安全可靠、穩定高效、節能環保。2021年1月15日至17日進入現場進行測試。圖5為府谷縣2021年1月份室外氣溫。15日至17日，該地氣溫均低于0 ℃。圖6為取熱室實測溫度，前室乏風平均溫度為13.5 ℃，相對濕度77%，換熱后排出的乏風平均溫度為10.2 ℃，相對濕度88.6%，最大換熱溫差為3.6 ℃，平均換熱溫差為3.3 ℃。圖7為熱泵機組溫度參數，熱泵機組蒸發器進口母管乙二醇溶液平均溫度為6.2 ℃，出口平均溫度為2.9 ℃，乙二醇溶液進出熱泵機組平均溫差為3.3 ℃；供向末端用戶側的熱水平均供水溫度為50.3 ℃，平均回水溫度為46.1 ℃，平均供回水溫差為4.2 ℃，供熱能力穩定。圖8為副平硐井筒進風溫度與室外溫度變化曲線，在副平硐井筒內30 m處設置測點1，50 m處設置測點2，井筒進風溫度最低值出現在17日12時，測點1為2.1 ℃，測點2為2.3 ℃。在室外溫度為-15 ℃時，無需開啟輔助加熱設備，井筒進風溫度均滿足《煤礦安全規程》要求，系統運行可靠，滿足項目設計要求。

圖5 府谷縣2021年1月份室外氣溫

圖6 乏風取熱室實測溫度

圖7 熱泵機組溫度參數

圖8 副平硐井筒進風溫度與室外溫度

16日10時至17日14時，使用Testo 174H型溫濕度儀記錄該礦區聯建樓內某辦公室的室內溫度，16日室外氣溫為-14～-4 ℃，西北風三級，17日室外氣溫為-13～-3 ℃，西北風三級，室內溫濕度數據如圖9所示，末端設備采用風機盤管進行送風制熱，室內溫度基本保持在20～22 ℃之間，熱舒適性良好，該套系統效果滿足規范要求。

圖9 聯建樓某辦公室室內溫濕度

5 系統效益分析

5.1 經濟效益

采暖季聯建樓供暖、副平硐井筒防凍按148 d計，熱泵系統開啟時間按24 h，在采暖期內本系統耗電量及運行費用如圖10所示。該系統投入運行后第1個采暖季，共消耗電量202.3萬kWh，電費單價按0.43元/kWh，則總電費為86.98萬元，人工費按180元/人·d，人數按3人計算，則采暖季該系統運行費用為98.38萬元，遠遠低于燃煤鍋爐房的運行費用。

圖10 礦井乏風余熱利用項目運行費用

5.2 社會效益

熱泵系統耗電量202.3萬kWh，按照原煤平均低位發熱量為20 908 kJ(5 000 kJ)/kg，折標準煤系數0.714 3 kg標準煤/kg計算，折合標煤305.5 t。采用燃煤鍋爐供熱，熱效率按65%計算，采暖季消耗標煤約為1 701.5 t，該系統可減少標煤1 396 t，節能減排率為82%，污染物減排量見表6。

表6 污染物減排量

從表6可得出，該礦井回風余熱回收系統投入使用一個采暖季后，可以減排各類污染物共計約0.39萬t，環境效益良好。

6 結語

通過介紹間壁式取熱熱泵系統在某煤礦的工程應用實例，從系統原理分析，工程項目介紹，方案設計選型，運行情況分析，以及運行費用同燃煤鍋爐對比分析，發現該系統具有安全高效，環保節能的優越性。該煤礦利用間壁式取熱熱泵系統代替傳統的燃煤鍋爐系統，實現聯建樓供暖及副平硐井筒防凍。該系統采暖季運行費用為98.38萬元，節約標煤1 396 t，減排各類污染物0.39萬t，該礦企響應國家節能減排、發展環境友好型經濟政策，踐行了綠色低碳的礦企發展理念，為該系統在其他煤礦的推廣提供一定的參考。