兩類礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)分析

文/趙和凡

煤礦礦井回風(fēng)是煤礦生產(chǎn)中的主要低溫?zé)嵩?，寒冷地區(qū)的礦井回風(fēng)溫度多在20℃左右，相對濕度90%左右。此外，礦井回風(fēng)受井下圍巖及煤壁換熱影響為主，熱參數(shù)受季節(jié)性影響較小，最冷月與最熱月的礦井回風(fēng)的平均溫度差大約3℃左右，濕度基本不變，因此礦井回風(fēng)的焓值相對較高且潛熱較大。目前，國內(nèi)礦井回風(fēng)余熱提取主要利用噴淋式直接換熱與表冷器間壁式換熱兩種方式。本文以冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦為例，從多方面對比分析兩類礦井回風(fēng)余熱提取利用方式的優(yōu)劣，從而確定更為合理高效的礦井回風(fēng)利用系統(tǒng)。

一、礦井回風(fēng)余熱提取利用方式

1.礦井回風(fēng)參數(shù)

梧桐莊礦礦井回風(fēng)風(fēng)量400m3/s，最冷月2月份擴(kuò)散塔出口測試干球溫度16.0℃，相對濕度90%；12月份干球溫度18.5℃，相對濕度 88%；1月份干球溫度17.5℃，相對濕度88%。煤礦用熱負(fù)荷主要包含井口防凍、建筑供暖、洗浴熱水，礦井回風(fēng)余熱主要用于井口防凍及建筑供暖。

2.礦井回風(fēng)余熱利用的系統(tǒng)形式

礦井回風(fēng)余熱提取技術(shù)主要有兩種：其一，采用表面式換熱器與礦井回風(fēng)換熱，采用間壁換熱使得管內(nèi)制冷劑與管外濕空氣換熱，提取回風(fēng)余熱；其二，采用噴淋式換熱器，噴淋水與濕空氣直接接觸換熱提取回風(fēng)余熱；然后利用熱泵技術(shù)吸收提取的回風(fēng)余熱提升熱能品位供應(yīng)熱水，滿足供熱的需求。

二、兩種礦井回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)的技術(shù)對比分析

1.礦井回風(fēng)換熱器提取余熱能力對比

（1）噴淋換熱。礦井回風(fēng)取熱量設(shè)計(jì)時(shí)按照最不利礦井回風(fēng)溫度最低值計(jì)算。礦井回風(fēng)最低溫度16℃，相對濕度90%，目前實(shí)際工程的噴淋換熱技術(shù)提取能力的回風(fēng)溫差可達(dá)到8～10℃，設(shè)計(jì)時(shí)出風(fēng)溫度7℃，相對濕度100%，換熱水的進(jìn)出水溫5℃/12℃。

礦井回風(fēng)中可以提取的熱量：

h1：回風(fēng)換熱前的空氣焓，kJ/kg；

h2：回風(fēng)換熱后的空氣焓，kJ/kg；

G：回風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s。

（2）表面換熱。通過查閱廠家資料，空氣源熱泵空氣側(cè)換熱器（表冷器）換熱溫差最大約8℃，處理后空氣相對濕度95%。此時(shí)，礦井回風(fēng)可以提取的熱量Q=(h1-h2)×G=(41.93-23.95)×400 ×1.212=8716.7kW。

從計(jì)算結(jié)果對比分析可知，正常設(shè)計(jì)工況下噴淋換熱提取的余熱比表面換熱最大提取能力高7%，且噴淋換熱的提取余熱的能力還有較大空間可以挖掘，而表面換熱能力提高已接近最大。噴淋換熱在余熱提取能力方面優(yōu)于表面換熱。

2.礦井回風(fēng)換熱系統(tǒng)對比

（1）噴淋換熱系統(tǒng)。噴淋換熱器主要管材為不銹鋼管，單個(gè)換熱塔噴淋換熱設(shè)備重量約4t，噴頭約3000個(gè)，L×W×H=11000mm×11000mm ×2000mm。 換 熱 能 力10000kW，噴水量約1100m3/h，噴淋循環(huán)水泵選擇4臺(tái)3用1備，功率30kW。換熱水循環(huán)水泵4臺(tái)3用1備，功率55kW。高精度水過濾器2臺(tái)。單個(gè)換熱間12m×12m的金屬風(fēng)管長度約30m，擴(kuò)散口尺寸約12m×12m×5m?；仫L(fēng)換熱循環(huán)水池，地下保溫水池，有效容積450m3，風(fēng)阻為80Pa。

（2）表面換熱系統(tǒng)。表面換熱器主要由銅管與纏繞鋁翅片組成，采用8排管，翅片間距10mm，加噴淋除污系統(tǒng)，400kW換熱量的表冷器 規(guī) 格 3300mm×3000mm×360mm，22組，單組重量約0.5噸。噴淋除污循環(huán)水泵選擇2臺(tái)1用1備，功率15kW。換熱間尺寸約L×W ×H=40m×30m×15m， 風(fēng) 阻 為190.4Pa。因該系統(tǒng)風(fēng)阻較大，無法直接使用，必須加配同等風(fēng)量規(guī)模，余壓240Pa的多臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)總功率200kW。

通過對比分析可知，噴淋換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，風(fēng)阻較小，且噴淋可去除煤礦乏風(fēng)中的固體顆粒物，凈化空氣；而表面換熱系統(tǒng)體積較大，風(fēng)阻較大，加強(qiáng)換熱的纏繞翅片易積灰使得風(fēng)阻增大，改為光管換熱勢必增大換熱器尺寸、增加數(shù)倍風(fēng)阻、增耗銅管數(shù)量。因此，噴淋換熱系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、風(fēng)阻、耗材等方面優(yōu)勢顯著。

3.熱泵供熱系統(tǒng)對比

（1）噴淋換熱回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)?；仫L(fēng)可提取熱量9342kW,工況水源側(cè)進(jìn)出水溫度12/5℃,用戶側(cè)供回水溫度 45/40℃,選擇 4臺(tái)SGHP3100M型熱泵機(jī)組，制熱量3139kW,壓縮機(jī)輸入功率658kW。機(jī)組水源側(cè)工況進(jìn)出水溫度15/5℃,與回風(fēng)換熱系統(tǒng)基本匹配。用戶側(cè)水泵5臺(tái)水泵，流量520m3/h，水泵揚(yáng)程42m，功率75kW。熱泵供熱系數(shù)約4.25。機(jī)組不要求防爆，其供熱量為12216.5kW。

（2）表面換熱回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)。回風(fēng)可提取熱量8716.7kW,用戶側(cè)供回水溫度45/40℃,沒有成品機(jī)組可用，必須研究定制。焓差室試驗(yàn)3.5P樣機(jī)，制熱系數(shù)4.2，壓縮機(jī)輸入功率3.2kW。依據(jù)試驗(yàn)樣品機(jī)試驗(yàn)參數(shù)，表面換熱回風(fēng)源供熱量為11440kW，壓縮機(jī)電輸入功率約2740kW。用戶側(cè)水泵5臺(tái)，流量520m3/h，水泵揚(yáng)程42m，功率75kW，效率77%。

經(jīng)過數(shù)據(jù)對比可知，噴淋換熱的熱泵系統(tǒng)的供熱系數(shù)略高，循環(huán)水泵耗電功率相同，而噴淋換熱回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)的供熱量高出約7%。

三、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益對比分析

1.初投資。根據(jù)回風(fēng)換熱系統(tǒng)的構(gòu)成、廠家咨詢、國家預(yù)算定額及已有工程案例等，分別估算兩類系統(tǒng)的初投資。經(jīng)過計(jì)算表明，表面換熱的投資高出噴淋換熱764萬元，其中換熱器與熱泵投資占高出費(fèi)用的90%，噴淋換熱方式僅在循環(huán)水泵投資投資方面高于表面換熱方式。

2.耗能對比。礦井井口防凍、建筑采暖總負(fù)荷約17000kW,采暖天數(shù)150天，并有洗浴熱水負(fù)荷，水源熱泵負(fù)荷遠(yuǎn)小于井口防凍與建筑采暖的總負(fù)荷。因此，采暖季礦井回風(fēng)換熱系統(tǒng)需要全負(fù)荷運(yùn)行才能滿足需求。參考礦井所在地區(qū)的綜合電價(jià)0.61元/kWh，計(jì)算出兩種方式的能耗結(jié)果，在供熱能力相同的情況下，表面換熱方式其全年能耗比噴淋換熱方式多消耗50噸標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，噴淋換熱在能耗對比上具有較小優(yōu)勢。

3.運(yùn)行費(fèi)用對比。兩種方式運(yùn)行中，熱泵設(shè)備維護(hù)與管路維修費(fèi)用相同，換熱水除污與表面換熱器除灰系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也基本相同，兩類熱泵系統(tǒng)運(yùn)行均需3人即可，主要費(fèi)用差別在于能耗費(fèi)用，工業(yè)用電參考礦井所在地區(qū)的綜合電價(jià) 0.61元/kWh。

噴淋換熱礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)采暖季運(yùn)行費(fèi)用：1231.92×0.61=751.47萬元。

表面換熱礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)采暖季運(yùn)行費(fèi)用：1272.60×0.61=776.29萬元。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，噴淋換熱礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)采暖季節(jié)省費(fèi)用24.82萬元。

四、結(jié)語

通過分析礦井噴淋換熱與表面換熱礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)的提取熱量、熱泵效能、熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果等技術(shù)因素與投資、能耗、經(jīng)濟(jì)效益等因素，噴淋換熱礦井回風(fēng)源在技術(shù)層面與能耗經(jīng)濟(jì)層面具有全方位的優(yōu)勢，因而具有大范圍推廣使用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與良好的社會(huì)效益?，F(xiàn)有的工程實(shí)施中，在淮北、徐州、山東、河南、河北、山西等礦區(qū)的多個(gè)煤礦已運(yùn)行的噴淋換熱礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)效果較好，取得了較好的節(jié)能減排的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。