間壁式換熱器礦井乏風(fēng)廢熱利用技術(shù)與工程實(shí)例研究

倪少軍

摘要：礦井乏風(fēng)中蘊(yùn)含著大量的低溫余熱可以用于寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)冬季井口防凍。本文在對(duì)麥垛山煤礦的余熱資源進(jìn)行調(diào)研和方案分析的基礎(chǔ)上，采用了乏風(fēng)廢熱直接換熱解決井筒防凍問題的方案。

Abstract： Mine exhaust wind contains a large amount of low-temperature waste heat that can be used to prevent freezing at the wellhead in winter in cold areas and hot-summer cold-winter areas. Based on the investigation and analysis of the waste heat resources of Maidoushan Coal Mine， this paper adopts a scheme for direct heat exchange of waste air waste heat to solve the problem of antifreeze in the wellbore.

關(guān)鍵詞：煤礦;防凍;余熱;利用

0? 引言

井口防凍是礦井冬季安全生產(chǎn)的一個(gè)重要保證，井口結(jié)冰一方面會(huì)導(dǎo)致有效通風(fēng)面積減少、礦井通風(fēng)量不足，另一方面井口結(jié)冰后掉落的冰渣可能導(dǎo)致井下人員的傷亡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成卡罐、礦井停產(chǎn)等重大事故[1，2]。目前，礦井乏風(fēng)余熱利用主要手段包括熱管技術(shù)、熱泵技術(shù)和間壁式直接換熱技術(shù)。

1? 工作原理

礦井乏風(fēng)間壁式換熱技術(shù)為全熱交換式間壁換熱技術(shù)，乏風(fēng)從管外通過，新風(fēng)從管內(nèi)通過，乏風(fēng)通過金屬壁與新風(fēng)進(jìn)行熱濕交換，即由于新風(fēng)溫度低于礦井乏風(fēng)的露點(diǎn)溫度，礦井乏風(fēng)中的水蒸氣會(huì)凝結(jié)，從而釋放出大量的潛熱，新風(fēng)從管內(nèi)流過時(shí)會(huì)吸收管外的熱量，溫度不斷升高，從而達(dá)到加熱新風(fēng)的目的。新風(fēng)通過間壁式換熱器加熱至10℃以上通過保溫風(fēng)道送入進(jìn)風(fēng)井井口，與部分未加熱的冷空氣混合后進(jìn)入井筒內(nèi)，進(jìn)入井筒的空氣溫度不低于2℃。

2? 工程概況

麥垛山井田位于寧夏回族自治區(qū)中東部地區(qū)，采用2臺(tái)20噸鍋爐和1臺(tái)10噸燃煤蒸汽鍋爐進(jìn)行采暖及供熱。麥垛山煤礦回風(fēng)井18600m3/min，濕度85%，新風(fēng)最低溫度-25.4℃。

3? 余熱資源利用方案分析

麥垛山煤礦擁有礦井水余熱、礦井回風(fēng)余熱、電廠余熱、現(xiàn)有鍋爐供熱、井下降溫系統(tǒng)冷凝熱等熱源。

3.1 礦井水余熱

麥垛山煤礦礦井水目前正常涌水量994.0m3/h、最大涌水量1193.0m3/h，溫度20℃。若礦井水余熱進(jìn)行回收利用，按照提取后的溫度為5℃計(jì)算，最大可提取的熱量為7291kW，礦井水余熱無法滿足礦區(qū)供熱需要。且目前礦井水從井下水倉提升后，直接排至紅柳礦井水處理站統(tǒng)一處理，若為提取礦井水余熱新建水池、泵房等設(shè)施代價(jià)過高。

3.2 礦井回風(fēng)余熱

麥垛山煤礦回風(fēng)斜井最大回風(fēng)量為310m3/s，最小回風(fēng)溫度18℃，濕度85%，利用風(fēng)源熱泵將回風(fēng)余熱提取后的回風(fēng)溫度為5℃，濕度100%。

最大可提取熱量用焓差法計(jì)算可知：?Qmax=M×（i2-i1）=9132kW? ? ? ?（1）式中，M—風(fēng)量，m3/s;i1—降溫前焓值，kJ/kg;i2—降溫后焓值，kJ/kg。

提取的回風(fēng)余熱雖然不足以對(duì)整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行供熱，但足以解決冬季井口防凍的問題。

3.3 電廠余熱

矸石電廠位于麥垛山東側(cè)7.7km處，一期每臺(tái)機(jī)組四段抽汽提供廠用汽能力為60t/h，五段抽汽廠用汽能力為40t/h。經(jīng)過咨詢汽機(jī)廠，此兩級(jí)抽汽同時(shí)抽汽時(shí)，通過提高汽機(jī)進(jìn)汽量，機(jī)組能發(fā)出銘牌功率330MW。二期工程每臺(tái)汽輪機(jī)100%負(fù)荷時(shí)四段抽汽具有對(duì)外最大40t/h（蒸汽參數(shù)：0.8MPa（a），220℃）的供廠用汽（用于對(duì)外供熱）的能力，可以滿足麥垛山煤礦副立井的供熱需要。但若采用電廠余熱，電廠蒸汽凝結(jié)回水水質(zhì)要求很高，滿足凝結(jié)回水水質(zhì)要求代價(jià)太大，在經(jīng)濟(jì)上不可行。

3.4 現(xiàn)有鍋爐脫硫除塵改造

根據(jù)麥垛山煤礦鍋爐煙塵監(jiān)測報(bào)告，煙塵排放濃度為166mg/m3，SO2排放濃度為401mg/m3，NOx排放濃度為264mg/m3。依據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中大氣污染物特別排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，該鍋爐房煙塵、SO2、NOx排放均超標(biāo)。按照現(xiàn)行環(huán)保政策《寧夏大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，20噸鍋爐經(jīng)過脫硫除塵改造，煙氣排放達(dá)標(biāo)以后，允許繼續(xù)使用。通過對(duì)20噸鍋爐的改造，可以解決地面建筑物采暖的問題，且該方案對(duì)原有系統(tǒng)改動(dòng)量最小，初期投資和運(yùn)行費(fèi)用均為最少，較為理想。但由于供熱能力有限，僅能解決地面建筑物采暖的問題。

3.5 井下降溫系統(tǒng)冷凝熱

麥垛山煤礦利用井下制冷降溫的冷凝熱進(jìn)行井口空氣加熱，能夠達(dá)到投資效益的最大化。但副立井能利用井下降溫的熱量僅有1680kW，不滿足采暖需要。若采用該余熱需要增加熱泵系統(tǒng)，使采暖系統(tǒng)更加復(fù)雜，故障點(diǎn)增加。經(jīng)多方面比較，麥垛山煤礦最終采用脫硫除塵改造解決地面建筑物采暖，再采用乏風(fēng)廢熱直接換熱供暖解決井筒防凍問題。

4? 間壁式換熱器設(shè)計(jì)

4.1 換熱器選型

按照設(shè)計(jì)工況，單臺(tái)間壁式換熱器換量為3500kW，共總換熱量為7000kW。機(jī)組采用工業(yè)級(jí)PLC，全中文微電腦控制器，可編程序控制器的用戶運(yùn)行程序可以方便地調(diào)整，可以根據(jù)不同的天氣變化和井口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行滿足用戶的多種要求，機(jī)組配換熱器進(jìn)風(fēng)過濾裝置，換熱器計(jì)算參數(shù)見表1。

4.2 換熱器換熱面積確定

由于礦井回風(fēng)換熱側(cè)的換熱屬于濕工況下?lián)Q熱，在濕工況下，由于壁面凝水的生成，使得其換熱工況變得較為復(fù)雜?？紤]到凝結(jié)水對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)的影響，對(duì)上式（2）進(jìn)行修正，修正后的換熱器總傳熱系數(shù)

相當(dāng)于礦井回風(fēng)側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)增大了ξ倍。取hf=50W/m2·K，hx=60W/m2·K，ξ取1.2。

礦井回風(fēng)用間壁式換熱器材質(zhì)為0.8mm厚不銹鋼304，導(dǎo)熱系數(shù)為17.4W/m·K，則總傳熱系數(shù)K=30W/（m2·K）。

傳熱溫差取對(duì)數(shù)平均溫差：考慮到富裕系數(shù)取單臺(tái)換熱器換熱面積1800m2，F(xiàn)FH3500型換熱器由7個(gè)模塊組成，總換熱面積12600m2。

4.3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

4.3.1 新風(fēng)風(fēng)道

新風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)采用鍍鋅鋼板，厚度選用1.2mm厚，架空敷設(shè)。保溫采用采用高壓聚乙烯高倍發(fā)泡體橡塑材料保溫，保溫層厚度50mm，保溫外側(cè)采用0.5mm厚鋼板作為保護(hù)層。

根據(jù)風(fēng)量，麥垛山煤礦副立井新風(fēng)風(fēng)道取直徑1.5m圓型風(fēng)道6趟，單個(gè)風(fēng)管風(fēng)速為15.8m/s，風(fēng)道系統(tǒng)阻力173Pa。

4.3.2 回風(fēng)風(fēng)道

回風(fēng)水汽較大，具有腐蝕性，因此回風(fēng)風(fēng)道采用4mm厚Q235鋼板，架空敷設(shè)，采用高壓聚乙烯高倍發(fā)泡體橡塑材料保溫，保溫外側(cè)采用0.5mm厚鋼板作為保護(hù)層，保溫層厚度50mm?；仫L(fēng)風(fēng)道阻力位30Pa，換熱器阻力為100Pa?？偦仫L(fēng)側(cè)系統(tǒng)阻力為130Pa。根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)機(jī)性能曲線，增加130Pa阻力，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)仍在設(shè)計(jì)效率范圍內(nèi)，回風(fēng)側(cè)無需增加風(fēng)機(jī)。

4.4 通風(fēng)風(fēng)機(jī)

回風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)：由于新增回風(fēng)側(cè)換熱系統(tǒng)阻力不影響通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，不再新增風(fēng)機(jī)。

新風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)：選用6臺(tái)YTHL-12C型風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量120000m3/h，風(fēng)壓1200Pa，功率55kW。風(fēng)機(jī)采用變頻控制，根據(jù)室外溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以調(diào)整加熱后的新風(fēng)進(jìn)風(fēng)量。

4.5 冷凝水系統(tǒng)

系統(tǒng)溫度最低時(shí)，最大冷凝水析出量約5t/h，日冷凝水析出總量120t/d，冷凝水直接外排。

4.6 非供熱季節(jié)反風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

系統(tǒng)安裝在回風(fēng)塔頂部的風(fēng)道密封門，冬季關(guān)閉，礦井回風(fēng)經(jīng)引風(fēng)風(fēng)道提取熱量后，排入大氣中。在春、夏、秋非采暖季節(jié)，密封門處于開啟狀態(tài)，不影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

5? 運(yùn)行效果

麥垛山煤礦間壁式換熱系統(tǒng)自2018年11月1日投入運(yùn)行，實(shí)測數(shù)據(jù)見圖2。

由圖2可以看出，礦井乏風(fēng)溫度基本穩(wěn)定，在15.9 ～ 19.9℃之間變化;室外溫度有較大變化，最低值達(dá)到了-18℃;井口溫度受氣溫的影響有一定波動(dòng)，最低溫度為2.7℃，滿足了井口溫度高于2℃的規(guī)范要求。

6? 結(jié)語

間壁式礦井乏風(fēng)利用技術(shù)已在國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司的麥垛山煤礦等5家煤礦6對(duì)礦井井口防凍改造服務(wù)項(xiàng)目投入運(yùn)行，取得較好的效果，在較低能耗及運(yùn)行費(fèi)用的情況下確保了井口防凍系統(tǒng)在極端低溫下安全可靠的運(yùn)行。

礦井乏風(fēng)廢熱用于井口防凍，對(duì)于乏風(fēng)風(fēng)量充足的寒冷地區(qū)或夏熱冬冷地區(qū)具有極為廣泛的推廣前景，必將為礦山企業(yè)減排節(jié)能事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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