礦井回風熱管余熱回收利用研究

王小龍

(神東煤炭集團，陜西神木 719315)

0 引言

為防止寒冷空氣進入井筒后遇到井筒淋水和潮濕空氣，使得井壁等處結(jié)冰，堵塞井筒的部分斷面，并對提升設(shè)備和人員安全構(gòu)成嚴重威脅，《煤炭安全規(guī)程》中規(guī)定進風井口以下的空氣溫度(干球溫度)必須在2℃以上［1］。為滿足上述條件，處于寒冷或嚴寒地區(qū)的礦井必須設(shè)置熱風爐，以便在冬季進風井口的空氣溫度低于2℃時加熱空氣防止井底結(jié)冰，這就使得大批小容量熱風爐開始新建。水能、風能、太陽能、潮汐能等清潔能源在我國大力發(fā)展的今天，煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中依然占據(jù)主導地位，年耗煤量可達30億t標準煤［2］。煤炭的大量使用隨之而來的是愈發(fā)嚴重的環(huán)境問題。煤炭在燃燒過程中會產(chǎn)生碳氧化物、氮氧化物、粉塵等物質(zhì)，CO2的大量排放會使全球氣溫升高，產(chǎn)生溫室效應(yīng);二氧化硫及氮氧化物的大量排放會使酸雨污染范圍逐漸擴大，導致土壤酸化，建筑物腐蝕等情況加劇;粉塵的大量排放會誘發(fā)人類呼吸道疾病的產(chǎn)生。隨著節(jié)能環(huán)保工作的深入開展，燃煤熱風爐由于煙氣排放不達標，后期提標改造難度大、資金投入多逐漸被淘汰，而熱泵、熱管等一批新型技術(shù)能夠同時符合節(jié)能與環(huán)保要求得到迅速發(fā)展并逐漸普及［3］。文中以某礦井利用熱管技術(shù)對回風余熱進行回收利用做簡要闡述并對系統(tǒng)運行存在問題進行分析解決，為熱管技術(shù)的進一步發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 礦井空氣加熱系統(tǒng)現(xiàn)狀

1．1 礦井熱風爐運行現(xiàn)狀

我國在用工業(yè)鍋爐保有量50多萬臺，其中燃煤鍋爐約有48萬臺，占到工業(yè)鍋爐總?cè)萘康?0%以上，平均容量3．4 t/h［4］。我國燃煤鍋爐主要用于工廠動力、采暖等領(lǐng)域，平均運行效率僅約60% ～65%。而在燃煤鍋爐中礦井熱風爐普遍存在單臺容量小、燃燒效率低、環(huán)境污染嚴重、設(shè)備陳舊老化、出力嚴重不足等問題［5］。此外風井運行場所地處偏遠山區(qū)，遠離周邊城鎮(zhèn)及主礦區(qū)，每年需要耗費極大的人力、物力、財力進行煤炭的運輸及爐渣的清運。在采暖期間，熱風爐房還需配備數(shù)名季節(jié)性用工，但由于工作地點偏遠、收入低，這里的運行人員往往年齡偏大，所學專業(yè)知識有限，這種情況就造成熱風爐煤耗、電耗等的增加，同時還容易導致熱風爐爐墻、前后拱、鏈條等嚴重損壞，使得每隔3年就需要對熱風爐進行一次大修。煙氣排放超標、環(huán)境污染嚴重、運行費用高，這就是我國礦井熱風爐目前存在的普遍問題。

1．2 礦井回風余熱資源情況

礦井回風因其濕度、溫度常年基本恒定，逐漸被人們視為煤礦系統(tǒng)中一種優(yōu)質(zhì)的低溫余熱資源。地處華北地區(qū)的礦井回風就具有上述顯著特征，這里的礦井回風流量大，溫度恒定在15～20℃之間，相對濕度≥90%。表1為華北地區(qū)典型礦井回風資源技術(shù)參數(shù)，礦井回風作為一種優(yōu)質(zhì)的低溫余熱資源，由于沒有被及時的開發(fā)利用，目前大多都是直接外排，使得低溫余熱沒有得到有效利用［5］。

表1 煤礦低溫回風資源技術(shù)參數(shù)

1．3 利用熱泵進行礦井回風余熱利用現(xiàn)狀

目前，熱泵系統(tǒng)作為節(jié)能領(lǐng)域的一項應(yīng)用技術(shù)已得到了一定程度的推廣應(yīng)用，部分礦井采用循環(huán)噴淋或直接蒸發(fā)吸熱熱泵技術(shù)回收礦井回風低溫余熱。所謂循環(huán)噴淋就是在回風井口布置一座噴淋塔，向上運動的低溫回風與噴淋而下的水滴逆向流動換熱，逆向流動過程中回風的熱量首先傳遞至水中，接著通過熱泵技術(shù)吸收水中的熱量用于加熱進風［6］。而直接蒸發(fā)吸熱就是在回風井口安裝屋頂式彩鋼結(jié)構(gòu)，并將蒸發(fā)器直接布置在彩鋼結(jié)構(gòu)兩側(cè)，強制礦井回風經(jīng)由蒸發(fā)器翅片間隙通過，接著利用熱泵技術(shù)吸收回風中的熱量用于加熱進風［7］。在長期使用過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)熱泵技術(shù)存在以下問題:①系統(tǒng)初期投資大，除需要配備壓縮機、各類循環(huán)水泵、水處理設(shè)備、管路閥門等外，還須進行大型機房及水池等土建工程建設(shè);②熱泵系統(tǒng)除熱泵主機外，還配有各種循環(huán)水泵、風機等，使得系統(tǒng)運行電耗高;③系統(tǒng)運轉(zhuǎn)設(shè)備多，故障率高，維修難度大［7］。

2 礦井回風熱管余熱回收利用系統(tǒng)

2．1 熱管余熱利用的探討

實際生活中使用熱管對低溫熱源進行吸收利用的成功案例很多，如利用熱管對筆記本電腦CPU進行散熱，對凍土地區(qū)路基進行穩(wěn)固等，但未有將熱管技術(shù)用于礦井回風余熱的吸收利用中。盡管熱管現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域和礦井系統(tǒng)不同，但實際應(yīng)用過程中熱管技術(shù)參數(shù)范圍基本一致。若熱管技術(shù)能夠在礦井得到推廣應(yīng)用，這對于遠離主礦區(qū)的風井而言意義非同尋常。這將極大地改變傳統(tǒng)常規(guī)燃煤鍋爐使用現(xiàn)狀，節(jié)約大量能源，大大減少煙塵、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放，同時又減少了煤、灰渣在裝卸、運輸、貯存過程中對環(huán)境、交通及占地的影響，具有非常明顯的經(jīng)濟和環(huán)保效益［8］。

2．2 熱管工作原理

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成，管內(nèi)充有工作介質(zhì)。管的一端為加熱段，另一端為冷卻段，中間布置有絕熱段。當將熱管的一端放到熱源中，管內(nèi)的液體介質(zhì)就會在吸熱后蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量并凝結(jié)成液體。如此反復循環(huán)，熱量就由熱管的一端傳至另—端［9］。

2．3 熱管余熱回收利用系統(tǒng)原理

礦井回風熱管余熱回收利用系統(tǒng)原理如圖1所示。將主通風機從風井出口排出的回風通過風道引至熱管換熱室的下側(cè)，將礦井進風通過風道引至熱管換熱室的上側(cè)。熱管中的冷媒由于吸收下側(cè)回風室中的熱量而蒸發(fā)為氣體，冷媒密度降低會逐漸向上移動。在移動過程中，由于通過熱管管壁接觸低溫進風而凝結(jié)為液體，冷媒密度增大會受重力影響而向下移動，并再次回到熱管底部吸收回風中的熱量，如此反復熱管將回風中的熱量源源不斷傳遞至進風，進風被加熱后通過風井入口進入井下。由于熱管換熱室增加了氣體流動阻力，影響了原有氣體流動特性，為此該熱管余熱回收利用系統(tǒng)在風道中增加了平衡風機用于消除新增設(shè)備產(chǎn)生的阻力。

圖1 礦井回風熱管余熱回收利用系統(tǒng)原理圖

3 某煤礦回風熱管余熱利用系統(tǒng)設(shè)計

3．1 礦井進風空氣加熱現(xiàn)狀

某煤礦風井目前采用3臺容量為4 t/h的熱風爐向井下送熱風，以滿足對進風井口以下空氣溫度的要求。根據(jù)歷年運行情況看，該熱風爐房絕大部分時間段僅需啟用2臺熱風爐就可滿足使用要求，極端天氣情況下則須啟用3臺熱風爐，但3臺熱風爐間斷性同時啟用總時長不超過7天。

3．2 礦井回風余熱潛能

該風井現(xiàn)配置有2臺Z-10軸流對旋式主通風機，該風機額定風量為125～324 m3/s，根據(jù)查閱該風井近10年運行記錄，回風溫度按照15℃計算，回風流量按照600 000 m3/h計算，相對濕度按照90%計算，進風流量按照510 000 m3/h計算，極端氣溫按照－19．1℃計算，礦井進風換熱后溫度按照≥3℃送入井下計算。

在礦井回風進入換熱器溫度ta=15℃(定性溫度)，回風流出換熱器溫度tb=3℃(最低)時，空氣標況下密度ρ標=1．292 3 kg/m3，濕空氣質(zhì)量流量m濕=ρ標V=775 380 kg/h。查濕空氣焓濕表并根據(jù)含濕量可計算干空氣質(zhì)量m干=767 843 kg/h。

回風溫度15℃，相對濕度90%時空氣焓值h進=39．385 kJ/kg，回風溫度3℃，相對濕度100%時空氣焓值h出=14．92 kJ/kg。則計算回風中可利用熱量Q回=m干·(h進－h(huán)出)=5 218 kW。熱管余熱回收利用系統(tǒng)實際可回收熱量按照90%計算時可從礦井回風中取熱Q實=5 218×0．9=4 696 kW。

3．3 礦井進風熱量需求

礦井進風側(cè)回收熱量Q=4 696 kW，進風側(cè)進口溫度:T1=－19℃，進風側(cè)出口溫度:T2≥3℃，空氣比熱容Cp=1．005 kJ/(kg·℃)時，進風側(cè)空氣溫升:ΔT=25．5℃。計算表明:當室外進風在－19℃時，礦井進風經(jīng)過回風加熱后可達到6．5℃。當?shù)V井回風或進風風量發(fā)生變化時，回風潛能和進風需熱量見表2。

表2 進、回風風量變動時回風潛能和進風需熱量一覽表

3．4 熱管換熱器設(shè)計

使用計算程序可通過邊界約束條件，輸入已知參數(shù)求取未知量，從而對熱管換熱器進行選型。通過設(shè)計計算，本項目低溫熱管換熱器及組合模塊的基本參數(shù)如下:①熱管使用材料為Ф22 mm×2 500 mm～Ф49 mm×3 000 mm鋼管鋁翅片管;②熱管排列高度為4 m，其中熱側(cè)為2．2 m、冷側(cè)為1．8 m;③冷、熱兩側(cè)空間寬度為22．8 m，每排300根熱管，管間距為76 mm，共10排管束;④冷側(cè)換熱面積為6 000 m2，熱側(cè)換熱面積為5 000 m2。

單臺熱管換熱器稱之為一個模塊，單模塊尺寸(長×寬×高)為1 898 mm×2 448 mm×4 086 mm。要實現(xiàn)使用熱管系統(tǒng)取代現(xiàn)有熱風爐對礦井進風加熱的目的，需要12個模塊并聯(lián)使用，則整個熱管換熱室的尺寸(長 ×寬 ×高)為24．4 m×2．5 m×4.1 m。

3．5 系統(tǒng)風阻計算

結(jié)合風道允許經(jīng)濟流速及工程造價，礦井回風和進風風道截面尺寸均設(shè)為F(寬×高)=5 m×3 m=15 m2。則回風風道內(nèi)風速 v回=11．1 m/s，進風風道內(nèi)風速 v進=9．4 m/s。

由于現(xiàn)場布局，風道沿途設(shè)置了若干直角彎、彎頭、漸擴漸縮口等部件，根據(jù)風速及管路部件的類型查詢設(shè)計手冊，回風風道阻力系數(shù)Δξ回=1．82，進風風道阻力系數(shù)Δξ進=3．12。則回風風道阻力損失ΔP=154．5 Pa，進風風道阻力損失 ΔP=171．5 Pa。除風道阻力外同時考慮新增設(shè)備產(chǎn)生阻力損失時，回風系統(tǒng) ΔP總回=404．5 Pa，進風系統(tǒng) ΔP總進=421.5 Pa。

根據(jù)計算結(jié)果，為不影響原有通風系統(tǒng)，須在相對熱管換熱器的迎風面一側(cè)各安裝12臺軸流防爆風機。同時在風道內(nèi)加裝壓力監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)風阻損失對風機轉(zhuǎn)速和啟停數(shù)量進行控制。

4 熱管余熱回收利用系統(tǒng)的運行

4．1 環(huán)境溫度變化

該礦風井供熱風時間為每年11月1日至來年3月1日，2017—2018年采暖期熱風爐一直處于停運狀態(tài)，由熱管余熱回收系統(tǒng)對進風加熱。在采暖期運行階段，當室外溫度在－16℃以上時，井口進風經(jīng)過回風余熱加熱后溫度可保持在2℃以上，但當出現(xiàn)本采暖期最低溫度－17．5℃時，對應(yīng)的井口進風溫度僅能達到0．9℃，無法滿足進風溫度要求。由于極低氣溫持續(xù)時間短并沒有導致井底結(jié)冰。2017—2018年采暖期1月25日、1月26日出現(xiàn)室外最低溫度時，礦井回風、進風溫度比較如圖2所示。

圖2 熱管系統(tǒng)礦井進風、回風溫度比較

4．2 熱風爐運行費用

費用構(gòu)成及污染物排放:熱風爐的運行費用主要包含電費、燃煤費、運輸費、設(shè)備維護費、人工費。熱管余熱回收利用系統(tǒng)運行費用主要包含電費、設(shè)備維護費、人工費。費用比較過程中能耗量以近10年運行記錄平均值為準，商品單價以當?shù)厥袌鰞r格為準，人工費、設(shè)備維護費以近10年實際發(fā)生費用平均值為準。熱風爐全年耗煤3 000 t，換算為標煤為2 140 t。每節(jié)約1 t標煤相應(yīng)可減排CO22．6 t，減排氮氧化物7．4 kg，減排二氧化硫8．5 kg，減排粉塵顆粒物 11 kg［12］。

電費:熱風爐房主要耗電設(shè)備包括鼓風機、引風機、送風機，其中單臺鼓風機功率為11 kW，單臺引風機功率為22 kW，單臺送風機功率為90 kW。在綜合考慮出渣機、爐排減速機、上煤機電機功率后，單臺熱風爐電功率共計129 kW。文中按照2臺熱風爐同時運行時的耗電功率進行計算。電費=功率(kW)×運行天數(shù)(d)×每天運行小時數(shù)(h)×電價(元/kW·h)=258×150×24×0．5=46．44萬元。

燃煤費:以當?shù)孛禾績r格270元/t計算燃煤費。燃煤費=煤耗(t)×單價(元/t)=3 000×270=81萬元。

運輸費(包含煤炭運輸費及爐渣運輸費):運輸費=運輸量(t)×距離(km)×單價(元/t·km－1)=3 000×18×2．2=11．88萬元。

設(shè)備維護費:每年熱風爐停運后需要對熱風爐及其附屬設(shè)備進行維護保養(yǎng)，根據(jù)設(shè)備實際情況進行以下工作:修補或重砌爐墻、前后拱，維修保養(yǎng)電機、減速器，更換破損爐排片，清理煙道等。近10年實際發(fā)生的年均設(shè)備維護費為6萬元。

人工費:按照四班三倒制度上班，每班需配備4人進行推煤、系統(tǒng)操作、衛(wèi)生打掃等工作，共需雇16人，當?shù)丶竟?jié)工工資為3 000元/人·月。人工費=人數(shù)×工作月份 ×月工資 =16×5×3 000=24萬元。

4．3 熱管余熱利用系統(tǒng)運行費用

系統(tǒng)正常運行需在進風側(cè)和回風側(cè)各增設(shè)的12臺風機平衡風阻，其中回風側(cè)單臺風機功率為11 kW，進風側(cè)單臺風機功率為7．5 kW。

電費:系統(tǒng)正常運行需以平衡風阻在進風側(cè)和回風側(cè)各增設(shè)的12臺風機，其中回風側(cè)單臺風機功率為11 kW，進風側(cè)單臺風機功率為7．5 kW。熱管余熱回收系統(tǒng)平衡風機啟停視風道阻力而變化，此處計算按照24臺風機一直運行進行計算。電費=設(shè)備功率(kW)×運行天數(shù)(d)×每天運行小時數(shù)(h)×電價(元/kW·h)=222×150×24×0．5=39．96 萬元。

人工費:按照四班三倒制度上班，每班僅需配備1人進行記錄填寫、設(shè)備巡查、熱管清潔沖洗等工作，共需雇4人，當?shù)丶竟?jié)工工資為3 000元/人·月。人工費=人數(shù)×工作月份×月工資=4×5×3 000=6萬元。

設(shè)備維護費:熱管余熱回收利用技術(shù)除平衡風機外無運轉(zhuǎn)設(shè)備，維檢修工作量小，2017—2018年采暖季未發(fā)生任何維修費用，熱管使用壽命為20年，考慮今后需要對平衡風機進行維修保養(yǎng)，每年投入設(shè)備維護費按照2萬元計算。

4．4 兩種系統(tǒng)的比較

熱風爐加熱系統(tǒng)與熱管余熱利用系統(tǒng)運行費用比較見表3。

表3 熱風爐與熱管系統(tǒng)運行費、氣體污染物排放量比較

5 存在問題及解決措施

5．1 熱管系統(tǒng)運行存在問題

回風阻力影響:熱管系統(tǒng)將回風通過風道引入換熱室時，部分風道為直角彎頭造成回風阻力增大。

凝結(jié)水影響:熱管換熱室回風側(cè)空氣濕度大，回風在降溫過程中會凝結(jié)為液體，由于換熱室底部未設(shè)置足夠的坡度，造成底部積水嚴重，部分熱管底部浸入水中。換熱室底部積水嚴重影響換熱室及熱管的使用壽命。

粉塵影響:礦井回風中因含有粉塵等物質(zhì)，在通過潮濕的熱管時，粉塵會粘附在熱管表面，造成熱管傳熱系數(shù)降低。現(xiàn)有系統(tǒng)需人工進入換熱室并使用高壓水槍進行沖洗，由于熱管間距小，部分區(qū)域人員無法到達，存在清洗不到位的現(xiàn)象。

室外極端溫度影響:本采暖期出現(xiàn)的極寒室外溫度為－17．5℃，對應(yīng)井下送風溫度為0．9℃，低于《煤炭安全規(guī)程》中規(guī)定的2℃。

5．2 解決措施

風道拐彎設(shè)計:風道在連接過程中若確須設(shè)彎頭，彎頭應(yīng)采用圓弧進行過渡，避免使用直角彎頭。

排水設(shè)計:應(yīng)充分考慮回風中水汽放熱后出現(xiàn)的凝結(jié)現(xiàn)象，在熱管換熱室底部設(shè)置適當?shù)钠露?，以便將積水外排防止影響換熱室及熱管使用壽命。

自動清洗:在熱管換熱室內(nèi)設(shè)置自動噴洗裝置，監(jiān)控系統(tǒng)可采集溫度、流量參數(shù)，若系統(tǒng)傳熱系數(shù)低于允許數(shù)值時啟動熱管噴洗裝置進行自動清洗。

輔助電加熱:在進風風道熱管換熱室后設(shè)置電輔助加熱系統(tǒng)。礦井進風在經(jīng)過熱管換熱室加熱后，引至電輔助加熱系統(tǒng)，保證極端氣候下的進風溫度要求。

6 結(jié)語

隨著節(jié)能環(huán)保工作的深入開展，燃煤熱風爐由于存在容量小、效率低、煙氣排放超標等問題急需進行升級改造。對于新建礦井及熱風爐提標改造場所應(yīng)充分利用礦井回風低溫余熱，這樣不僅可避免由于煙氣排放而造成的環(huán)境污染，還可大幅度降低運行費用。在場所建設(shè)過程中應(yīng)充分考慮該熱管余熱回收利用系統(tǒng)在運行中存在的問題，避免出現(xiàn)類似情況。