煤礦礦井熱濕余熱深度利用研究

田 勇，馮文生， 修科華，李永田

(1.天合光能(上海)有限公司，上海 201401；2.天合智慧能源投資發(fā)展(江蘇)有限公司，江蘇 常州 213031)

隨著礦井開采機械化、自動化水平的提高，在煤炭開采過程中，受到井下巖石傳熱、井下熱水和機械散熱，以及井下作業(yè)人員散熱的影響，井下作業(yè)環(huán)境日益惡化。在冬季，坑口時常有結(jié)冰現(xiàn)象，嚴重影響煤炭從礦內(nèi)外運[1-2]。

無論冬季還是夏季，礦井主要熱源為井下氣流的自然壓縮，開采設(shè)備運轉(zhuǎn)放熱，氧化散熱，地下水散熱，周圍巖石散熱，運輸中煤炭散熱，人體放熱。但是，礦井口因環(huán)境溫度過低巷道上結(jié)冰，采用電加熱方式融冰，能耗較大，同時，電火花的存在還存在一定的危險性，必須采取防爆電熱設(shè)備，工程造價較高。如果能將井下熱濕的余熱資源進行“搬運”，用來散融冰，改善巷道工作環(huán)境有迫切需要。

1 技術(shù)模型與策略

以空氣作為載體，將乏氣蓄積的熱量通過熱管技術(shù)和冷暖設(shè)備對余熱進行深度利用。流程可進行簡要描述，見圖1。

熱管(heat pipe)是至今最有效的傳熱元件之一，具備將大量熱量通過較小的截面積遠距離輸送而無需外加動力的能力。通常熱管分為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段，在蒸發(fā)段吸收熱量，熱管介質(zhì)蒸發(fā)為氣液兩相流，經(jīng)過絕熱段后，在冷凝段放熱，將熱量傳遞給冷凝段外媒介[3]。見圖2。

圖1 熱濕余熱流程示意

圖2 熱管工作原理

電制冷設(shè)備(Electric refrigeration equipment)通常是指以電為驅(qū)動動力，利用卡諾循環(huán)，實現(xiàn)能量從低溫向高溫傳遞的空調(diào)熱泵裝置，空調(diào)熱泵裝置由壓縮機、熱源側(cè)換熱設(shè)備、節(jié)流裝置、使用側(cè)熱交換裝置構(gòu)成[4]。見圖3。

圖3 空調(diào)熱泵工作原理

根據(jù)熱源側(cè)和使用側(cè)的載能介質(zhì)的種類不同，可以將空調(diào)熱泵分為四類，空氣/空氣、空氣/水、水/空氣、水/水。在制冷或制熱過程中，存在如下特點：具有箱變、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無定壓點、各管段的阻力特性系數(shù)并非常數(shù)、制冷劑的動力特性和傳熱特性存在耦合關(guān)系。即：在壓縮機、熱源側(cè)換熱裝置、使用側(cè)換熱裝置、膨脹閥以及管路中一直屬于動不平衡狀態(tài)，又具有趨于平衡狀態(tài)的趨勢。

根據(jù)礦井內(nèi)熱源的形式，采取熱管式換熱器與空調(diào)熱泵技術(shù)聯(lián)供的策略，來改善礦井內(nèi)工作環(huán)境，并在冬季消除巷道口結(jié)冰現(xiàn)象。

2 目標函數(shù)及熱力循環(huán)

2.1 目標函數(shù)

為達到井下熱濕余熱得以充分利用，同時，便于研究，以流出巷道的濕熱乏氣作為研究載體。通過對巷道乏氣的流量、溫度、成分、濕度數(shù)據(jù)，以及巷道口環(huán)境的數(shù)據(jù)的采集分析，找出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系及余熱利用目標。建立熱濕空氣熱量函數(shù)為Qw,gas=f(Cw,gas,Vw,gas,ρw,gas,t)，即：

Qw,gas=Cw,gas·Vw,gas·ρw,gas(th-t0)

(1)

ρw,gas=M/Vw,gas

(2)

(3)

式中：Qw,gas為乏氣攜帶熱量，kW·h/h；Cw,gas為乏氣(混合氣)的比熱容，kJ/kg·K-1；Vw,gas為乏氣的體積流量，m3/h；ρw,gas為乏氣的密度，kg/m3；M為乏氣的質(zhì)量流量，kg/h；ri為乏氣混合氣中第i種組分的體積百分比，%；Ci為第i種組分的比熱容，kJ/kg·K-1。

為了使巷道不結(jié)冰，進入巷道的冷空氣溫度應(yīng)不低于2℃，若進入空氣量為Vin，以標況下空氣的物性參數(shù)作為冷負荷計算參數(shù)，滿足工程精度的計算需要，則需要熱量輸入為Qin，用公式表示為：

Qin=CP0·Vin·ρ0×(tc1-tc2)

(4)

式中：Qin為不結(jié)冰單位時間所需熱量，kW·h/h；CP0為標況空氣的定壓比熱，取1.01 kJ/kg·K-1；Vin為空氣的體積流量，m3/h；ρ0為標況空氣的密度，取1.29 kg/m3；tc1為環(huán)境溫度，℃；tc2為確保巷道不結(jié)冰的最低溫度，℃。

為確保熱量滿足巷道不結(jié)冰的保障，增設(shè)熱泵作為保障設(shè)備?？山⒑瘮?shù)為：

QE,h=COP·QE

(5)

式中：QE,h為熱泵供熱量，kW·h/h；COP為電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，取-20℃，1個標準大氣壓，濕度35%時，主機COP=2.1；QE為輸入的電量，kW·h。

根據(jù)公式(1)、(4)、(5)建立目標函數(shù)為：

QE,h+Qw,gas≥Qin

(6)

2.2 工藝流程

為表現(xiàn)更為清晰，建立工藝流程，見圖4。

工藝流程可概括為：巷道內(nèi)乏氣經(jīng)過低溫熱源側(cè)換熱器，在壓縮機與膨脹閥作用下，將測量傳遞到使用側(cè)換熱器，并對新風進行加熱；經(jīng)過降溫的乏氣再經(jīng)過分體式熱管換熱器的蒸發(fā)側(cè)，經(jīng)蒸發(fā)后，在分體式熱管換熱器的冷凝側(cè)放熱，對進入巷道的新風進行初步預(yù)熱。

該工藝具有一定優(yōu)勢，可定性概括為：①降低熱泵的裝機容量。②巷道乏氣在熱泵的低溫熱源側(cè)換熱器換熱時，溫差變化較小，結(jié)霜概率建設(shè)。③降低工程造價。④利于工程維修維護。

圖4 工藝流程

3 工程案例

3.1 工程背景

試驗案例為河南平頂山某煤礦，該區(qū)域冬季平均低溫-5℃，最低氣溫-12℃。采集到該礦井乏氣的溫度、流量分別為：th=18℃；Vw,gas=11 000 m3/h；并對成分測定和計算得到混合后的混合比熱容為：Cw,gas=1.02 kJ/kg·K-1。新風進入巷道的溫度取冬季平均溫度tc2=-5℃，流量11 500 m3/h。

3.2 計算流程

采取二段式回收乏氣所蘊含的余熱，擬定分體式熱管換熱器回收約50%的熱量，估算乏氣溫降低50%，夾點溫度設(shè)為2℃，即分體式熱管換熱器自身熱阻所“消納”的溫差為2℃。另外50%的乏氣余熱由熱泵系統(tǒng)回收。

分體式熱管換熱器選型計算流程，建議選擇圖5所示流程。

熱泵選型流程描述為：計算所需吸收的熱量，判斷在該溫度區(qū)間工作的COP，計算輸入功率，得出制熱量QE,h。

3.3 結(jié) 果

校核經(jīng)過分體式熱管換熱器與熱泵后的乏氣出口最低溫度。假定散熱為5%，則根據(jù)公式(6)、(1)、(4)、(5)得出，該溫度為7℃。

利用的余熱熱量為：

=32.24 kW·h/h；

新風吸收的余熱熱量為：

≈29.13 kW·h/h

圖5 分體式熱管換熱器設(shè)計流程

4 結(jié) 語

通過對煤礦巷道內(nèi)乏氣余熱資源的分析，結(jié)合冬季巷道口融冰的實際需要?？衫脽峁芘c熱泵技術(shù)，對乏氣進行綜合利用，可改善巷道口的工作環(huán)境，且系統(tǒng)利用率較高，達到90%以上，系統(tǒng)COP達到3.64，超過單獨利用熱泵進行余熱回收。