礦井低焓乏風余熱利用技術(shù)研究與應用

李建光陳峰雷蔣正君謝 嶠孔德順李竹青

（1.山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036702；2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；3.北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100015；4.長飛光纖光纜有限公司，湖北省武漢市，430073）

礦井低焓乏風余熱利用技術(shù)研究與應用

李建光1陳峰雷1蔣正君2謝 嶠2孔德順3李竹青4

（1.山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司，山西省忻州市，036702；2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司，北京市海淀區(qū)，100083；3.北京圓之翰工程技術(shù)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100015；4.長飛光纖光纜有限公司，湖北省武漢市，430073）

為深入研究低焓乏風余熱利用技術(shù)，提出了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的基本原理，通過關(guān)鍵技術(shù)難題的解決及直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)在榆樹坡煤礦的應用，形成了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的理論體系，即使乏風實際參數(shù)遠遠低于工況設(shè)計參數(shù)，乏風熱泵仍然能穩(wěn)定運行，證明了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的先進可靠性。

乏風余熱利用 低焓乏風 直蒸式深焓取熱 乏風熱泵

隨著國家節(jié)能減排政策的推進及煤礦環(huán)保要求的提高，煤礦低溫余熱資源回收利用引起了煤炭企業(yè)的重視，尤其是礦井乏風，由于其風量大，風溫穩(wěn)定，相對濕度大，蘊含著大量的低溫熱能，是具有極高利用價值的余熱資源，采用熱泵技術(shù)從礦井乏風中提取熱量，可以用來解決煤礦建筑物供暖、井口防凍和洗浴用熱的問題。目前乏風中余熱回收利用技術(shù)主要是淋水式換熱技術(shù)，對于我國東北、西北和華北地區(qū)的大部分礦井，受氣候和地溫等因素的影響，礦井乏風的溫度和焓值均較低，通過噴淋以后能夠回收的熱量非常有限，迫切需要新的技術(shù)來回收乏風余熱。

1　基本理論

1.1礦井乏風分類

礦井乏風溫度由于受地面空氣、井下巖溫、水溫和生產(chǎn)狀況等各種因素的綜合影響，回風溫度及焓值各不相同。根據(jù)礦井回風溫度的不同，礦井可分為高溫礦井（乏風溫度≥18℃）、中溫礦井（12℃≤乏風溫度＜18℃）和低溫礦井（乏風溫度＜12℃）三類礦井，其中高溫礦井的乏風焓值通常≥40 kJ/kg，稱之為高焓乏風；中溫礦井的乏風焓值為25～40 kJ/kg，稱之為中焓乏風；低溫礦井的乏風焓值通常≤25 kJ/kg，稱之為低焓乏風。三類乏風在焓濕圖上的主要分布區(qū)間如圖1所示。

圖1　各類乏風在焓濕圖上的分布區(qū)域

1.2直蒸式深焓取熱技術(shù)

1.2.1直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)原理

乏風熱泵的核心由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四大部分組成，其中壓縮機、冷凝器和膨脹閥等組成乏風熱泵冷凝壓縮機組。其基本工作原理和流程是乏風熱泵冷凝壓縮機組的壓縮機將從乏風取熱箱換熱器回收來的低壓冷媒壓縮后變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體通過冷凝器內(nèi)的銅管，加熱由熱用戶端回來的熱水，冷媒被冷卻變成液態(tài)，經(jīng)膨脹閥后進入乏風取熱箱換熱器翅片管內(nèi)，吸收流經(jīng)翅片管外的乏風中的熱量蒸發(fā)變成氣態(tài)，再被壓縮機吸入，從而進入下一個熱力循環(huán)，其原理如圖2所示。

圖2　直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)原理圖

1.2.2乏風取熱的狀態(tài)變化

圖3展示了乏風由10℃取熱至-10℃在焓濕圖上的整個狀態(tài)變化過程（A～E過程），A點為乏風起始狀態(tài)點，B點為空氣的露點溫度，C點為結(jié)霜點，D點為結(jié)冰點。從A點至B點，乏風中水分并未析出，可提取的是乏風中的顯熱，這個區(qū)間稱之為干冷區(qū)；從B點至C點，空氣中水分析出，水蒸汽放出汽化潛熱，水分呈液態(tài)，可提取的是乏風和水中的顯熱及水的汽化潛熱，這個區(qū)間稱之為濕冷區(qū)；從C點至D點，從空氣中析出的水變成霜，釋放凝固熱，可提取的是乏風和霜中的顯熱及水的凝固熱，這一區(qū)間稱之為霜冷區(qū)；從D點至E點，霜進一步變成冰，可提取的是乏風和冰中的顯熱，這一區(qū)間稱之為冰冷區(qū)?？梢?，取熱過程包括不同的區(qū)間，所提取的熱量也是不同的，如圖4所示，只在干冷區(qū)取熱的過程稱之為表焓取熱；在干冷區(qū)和濕冷區(qū)取熱的過程稱之為淺焓取熱；干冷區(qū)、濕冷區(qū)和霜冷區(qū)或冰冷區(qū)的取熱過程稱之為深焓取熱。

圖3　乏風取熱狀態(tài)變化過程

圖4　乏風取熱的不同過程

由于實際運行中，取熱箱換熱器表面結(jié)霜或結(jié)冰以后，對換熱器的傳熱存在一定影響，故需要融霜或融冰過程。在霜冷區(qū)，制熱過程提取了凝固熱，融霜過程需要將霜從固態(tài)變成液態(tài)，消耗熱量，與凝固熱相抵消，故霜冷區(qū)實際提取的是乏風的顯熱部分。同理，在冰冷區(qū)，乏風熱泵提取的也是乏風的顯熱部分。在融霜或融冰的過程中，存在一定量的熱量損失。直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的取熱量可按公式（1）進行計算:

式中:Q——取熱量，k W；

ρ——乏風密度，kg/m3；

L——乏風風量，m3/s；

hc——C點乏風焓值，kJ/kg；

ha——A點乏風焓值，kJ/kg；

tc——C點乏風溫度，℃；

td——D點乏風溫度，℃；

c——乏風比熱容，kJ/（kg·℃）；

φ——融霜（冰）熱損失系數(shù)。

取熱箱換熱器的傳熱系數(shù)可以采用公式（2）進行計算:

式中:K——取熱箱換熱器傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

αw——翅片管外對流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

R——外表面灰塵等所形成的熱阻，（m2·℃）/W；

αn——管內(nèi)制冷劑沸騰傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

τ——肋化系數(shù)。

αw與乏風的狀態(tài)有關(guān)，冰冷區(qū)αw的計算式按式（3）進行計算:

式中:αa——干冷區(qū)翅片管外對流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

ξ——為析濕系數(shù)；

η——肋片管效率；

δb——冰層厚度，m；

λb——冰層的導熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

2　工程應用

2.1技術(shù)難題

（1）風阻問題。在回風井口設(shè)置乏風取熱室，風流流過乏風取熱箱換熱器，需要增加一定量的風阻，同時由于礦井排風中煤塵較大，特別是油性與粘性灰塵，運行一段時間后，取熱箱換熱器翅片管表面粘灰嚴重，使風阻增加，風阻過大將影響煤礦的通風量和通風機的能耗，必須采取有效措施控制風阻在合理的范圍內(nèi)。針對此問題，采取兩方面的技術(shù)手段，一是根據(jù)風阻大小與風速平方成正比的原理，采用技術(shù)措施控制流過乏風取熱箱換熱器處的風速為2～2.5 m/s，從而有效控制乏風取熱箱換熱器的風阻為60～80 Pa；二是在乏風取熱箱換熱器兩側(cè)設(shè)置壓差傳感器，在乏風取熱箱換熱器一側(cè)設(shè)置沖洗噴頭，乏風取熱箱換熱器兩側(cè)壓差高于設(shè)定值時，啟動沖洗系統(tǒng)，對乏風取熱箱換熱器翅片管進行沖洗，從而使乏風取熱箱換熱器風阻恢復至初始風阻。

（2）反風問題。根據(jù) 《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，煤礦必須安裝反風設(shè)施，并能在10 min內(nèi)改變巷道中的風流方向，當風流方向改變后，主要通風機的供給風量不應小于正常供風量的40%。為滿足此要求，在乏風取熱室一側(cè)設(shè)置自動風門，反風時，自動風門在1 min內(nèi)自動打開，讓風流從自動風門門洞內(nèi)通行，有效降低風阻。

（3）除霜（冰）問題。乏風取熱箱換熱器表面結(jié)霜（冰）一方面增加了傳熱熱阻，另一方面增大了流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣阻力、減少了空氣流量，使得空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)減少，直接影響了換熱器的換熱性能。乏風取熱箱換熱器表面結(jié)霜（冰）不嚴重時，為不增加乏風熱泵系統(tǒng)的復雜程度，采用蒸發(fā)溫度控制乏風熱泵短時間停機除霜（冰）；乏風取熱箱換熱器表面結(jié)箱（冰）嚴重時，采用無縫滾動式除霜（冰）技術(shù)進行連續(xù)除霜（冰）。

2.2工程案例

2.2.1項目簡介

榆樹坡煤礦位于山西省寧武縣，設(shè)計能力為3 Mt/a，服務(wù)年限為43.2 a。根據(jù)礦井初步設(shè)計，榆樹坡煤礦冬季設(shè)計供熱負荷為12564.6 k W，其中井口加熱負荷為6590.6 k W，洗浴熱水負荷為2014 k W，建筑物供暖負荷為3960 k W；夏季洗浴熱負荷為1197 k W。對于榆樹坡煤礦供熱系統(tǒng)，根據(jù)供熱負荷及項目有關(guān)環(huán)保批復，有如下兩個供熱方案可供選擇:一是2臺10 t/h燃氣鍋爐或3臺6 t/h燃氣鍋爐，二是熱泵基峰+天然氣鍋爐調(diào)峰。

2.2.2乏風余熱量計算

由于榆樹坡礦井屬于新建礦井，乏風的熱力參數(shù)無法確定，而這一參數(shù)直接影響到熱泵系統(tǒng)設(shè)計及實際運行工況，通過實測調(diào)研、模擬計算和專家論證最后確定乏風設(shè)計參數(shù)為:溫度≥12℃，相對濕度≥85%，風量≥200 m3/s，按取熱后不結(jié)霜工況設(shè)計，取熱后溫度3℃，相對濕度95%，可以提取的乏風余熱量為3828 k W。

根據(jù)乏風溫度和相對濕度，查焓濕圖，可得熱前乏風焓值為30.96 kJ/kg·℃，取熱后乏風溫度按結(jié)霜點進行計算，取熱后溫度為3.5℃，相對濕度為95%，查得熱后乏風焓值為15.21 kJ/kg·℃，查得乏風密度為1.23 kg/m3，由于取熱至結(jié)霜點，故tc=td，代入公式（1）可得取熱量為3874 k W。

上述乏風設(shè)計參數(shù)為礦井生產(chǎn)穩(wěn)定后的乏風參數(shù)，前期礦井生產(chǎn)不正常的情況，預計乏風溫度為7℃，保證供熱量的情況下，取熱后乏風溫度將低至0℃以下，機組存在結(jié)霜（冰）的問題，考慮經(jīng)濟性的問題，采用乏風熱泵間歇停機除霜（冰）的方式進行除霜。

2.2.3工藝流程及機組配置

項目利用礦井乏風和排水余熱，采用熱泵為基峰+天然氣鍋爐為調(diào)峰的供熱方式，以取代燃煤鍋爐，設(shè)計工況下乏風熱泵與1臺涌水熱泵共同承擔冬季采暖及井口加熱基峰負荷，天然氣鍋爐承擔調(diào)峰負荷。

通過壓縮機的特性可知，該工況下，乏風熱泵的綜合COP值為3.7，則乏風熱泵輸入軸功率為1435 k W，乏風熱泵總供熱能力為5309 k W。結(jié)合熱泵機組型號，選配6臺制熱量為775 k W的乏風熱泵機組。每臺熱泵機組配4臺乏風取熱箱換熱器，取熱量為150 k W/臺。

圖5　系統(tǒng)工藝流程圖

2.2.4乏風熱泵運行效果

從圖6可以看出，實際運行中，乏風溫度在7℃左右，遠遠低于項目設(shè)計時選定的設(shè)計溫度12℃，這是因為井下生產(chǎn)不正常，通風路徑短且機電設(shè)備沒有全部正常運轉(zhuǎn)，這導致實際乏風熱泵的運行有以下5個表現(xiàn):

圖6　乏風溫度與乏風熱泵供水溫度變化曲線

（1）乏風中實際可取熱量減少，取熱后乏風溫度低于設(shè)計值3.5℃，實際取熱后乏風溫度約為1℃，根據(jù)公式（1）可以計算出實際取熱量約為1907 k W，乏風熱泵系統(tǒng)實際供熱能力約為2700 k W。

（2）乏風熱泵機組能效下降，COP值約為3.4，低于設(shè)計值3.7。

（3）乏風熱泵不能滿負載運行，乏風熱泵機組實際制熱能力約675 k W，負載率約為87%。

（4）乏風熱泵機組運行臺數(shù)減少，實際只能運行4臺乏風熱泵機組。

（5）機組有除霜要求，每小時需停機除霜一次，時間約為9 min。

雖然實際運行有以上5個表現(xiàn)，但乏風熱泵機組運行穩(wěn)定，從圖6可以看出乏風熱泵系統(tǒng)供水溫度除礦井檢查停機期間外，均為45℃左右，通過獲得數(shù)據(jù)計算，供水溫度平均值為45.4℃。

3　結(jié)論

（1）根據(jù)礦井乏風溫度的不同將礦井分為高溫礦井、中溫礦井和低溫礦井，同時根據(jù)礦井乏風焓值的不同，將礦井乏風分為高焓乏風、中焓乏風和低焓乏風，奠定了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

（2）提出了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的基本原理，分析了乏風在不同取熱焓差情況下，乏風的狀態(tài)變化過程，給出了乏風取熱量和乏風取熱箱換熱器傳熱系數(shù)的計算式，形成了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)的理論體系。

（3）介紹了直蒸式深焓取熱乏風熱泵技術(shù)在榆樹坡煤礦的應用，在井下生產(chǎn)不穩(wěn)定，乏風的實際參數(shù)遠遠低于設(shè)計時選取參數(shù)的情況下，乏風熱泵仍然能穩(wěn)定運行，出水溫度基本維持在45℃以上，證明了該技術(shù)的先進可行性，所采用的熱泵機組高效可靠，具有極大的推廣應用價值。

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［2］ 茅靳豐，陳飛，耿世彬.礦井回風資源利用方式探討［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2015（2）

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［6］ 趙和凡.兩類礦井回風余熱利用技術(shù)分析 ［J］.中國煤炭工業(yè)，2014（5）

（責任編輯 孫英浩）

Research and application on low enthalpy ventilation air methane waste-heat utilization technology of mine

Li Jianguang1，Chen Fenglei1，Jiang Zhengjun2，Xie Qiao2，Kong Deshun3，Li Zhuqing4
（1.Shanxi Ningwu Yushupo Coal Co.，Ltd.，Xinzhou，Shanxi 036702，China；2.Sino Mining Brilliant Energy Effciency Technologies Co.，Ltd.，Haidian，Beijing 100083，China；3.Beijing YZH Coal Engineering Design Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100015，China；4.Yangtze Optical Fibre and Cable Company Ltd.，Wuhan，Hubei 430073，China）

The authors provided fundamentals of direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane heat pump technology in order to study low enthalpy ventilation air methane waste-heat utilization technology.According to solve key technic problems and apply on direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology in Yushupo Coal Mine，the theoretical system of direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology was established.In the system，although actual parameter of ventilation air methane was lower than design parameter of working condition，ventilation air methane heat pump was still working，which proving that direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology was advanced reliability.

ventilation air methane waste-heat utilization，low enthalpy ventilation air methane，direct steaming deep enthalpy heat removal，ventilation air methane heat pump

TD72

A

李建光（1974-），男，山西河曲人，工程師，總經(jīng)理，學士，現(xiàn)主要從事煤礦開采及礦井傷勢利用方面的研究。