煤礦回風(fēng)余熱資源利用技術(shù)現(xiàn)狀與展望

向艷蕾，楊 允，閆文瑞，殷衛(wèi)峰

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300450)

0 引 言

煤礦企業(yè)是重點(diǎn)能耗企業(yè)，用能需求種類多、體量大、季節(jié)差異明顯。煤礦長年有電力、洗浴熱水加熱、衣物烘干、吊籃除濕等需求，夏季還有井下降溫和建筑供冷需求，冬季還有井筒防凍和建筑采暖需求。

目前，煤礦制熱和制冷系統(tǒng)大多相互獨(dú)立。熱需求主要通過燃煤鍋爐或燃?xì)忮仩t滿足，前者存在能耗高、熱效率低、污染嚴(yán)重等問題[1]，后者存在燃料供應(yīng)不穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用高和氮氧化物排放高等問題[2]。冷需求大多通過分體空調(diào)滿足，存在運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高的問題。因此，煤礦亟需尋求既符合節(jié)能減排要求，又經(jīng)濟(jì)可行的供能方式。

煤礦井下安全作業(yè)需要不間斷地通入新鮮空氣，空氣流經(jīng)地下巷道時與巖壁發(fā)生熱濕交換，同時井下設(shè)備源源不斷地將熱量釋放到空氣中，使得回風(fēng)中蘊(yùn)含大量可利用的熱能[3-4]。礦井回風(fēng)溫度約為17 ℃～22 ℃，相對濕度約90%，且全年風(fēng)量穩(wěn)定，是1種優(yōu)質(zhì)的低品位熱源。近年來，隨著社會對環(huán)保要求的日益提高，礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)在我國發(fā)展迅速，多家煤礦企業(yè)都已開始利用礦井回風(fēng)余熱滿足井筒防凍、建筑采暖等用熱需求，以減少一次能源消耗和污染物排放。

礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)可分為直接利用技術(shù)和熱泵提熱技術(shù)2種，2種技術(shù)的應(yīng)用場合、解決的問題、技術(shù)難點(diǎn)各不相同。鑒于此，系統(tǒng)梳理了礦井回風(fēng)余熱資源的利用技術(shù)、存在的問題及發(fā)展前景，旨在為合理選取回風(fēng)余熱利用方式指明方向，以最大化地發(fā)揮回風(fēng)余熱資源的潛能。

1 直接利用技術(shù)

直接利用技術(shù)可分為間壁換熱技術(shù)和熱管換熱技術(shù)2種，回收的熱能一般用于冬季井筒防凍。

在間壁式換熱技術(shù)中，換熱器通常采用管翅式，管內(nèi)為新風(fēng)，管外為回風(fēng)，回風(fēng)通過金屬壁面與新風(fēng)進(jìn)行熱濕交換，當(dāng)新風(fēng)溫度低于礦井回風(fēng)的露點(diǎn)溫度時，回風(fēng)中的水蒸氣凝結(jié)釋放出大量潛熱[5]，新風(fēng)吸收回風(fēng)釋放的熱量后溫度升高至2 ℃以上。倪少軍等[5]將間壁式換熱技術(shù)用于麥垛山煤礦井筒防凍系統(tǒng)，入井新風(fēng)溫度最低為2.7 ℃，滿足規(guī)范要求，降低了井筒防凍系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行費(fèi)用。礦井回風(fēng)直接利用系統(tǒng)如圖1所示。間壁式換熱技術(shù)是目前使用最廣泛的回風(fēng)直接利用技術(shù)，但該技術(shù)所需的換熱面積較大，導(dǎo)致?lián)Q熱器體積大，僅適用于設(shè)備安裝空間不受限制的寬闊場所。

圖1 礦井回風(fēng)直接換熱系統(tǒng)[5]Fig.1 Direct heat exchange system of return air[5]

在熱管換熱技術(shù)中，以熱管作為換熱元件。熱管以相變換熱作為主要傳熱方式，具有等溫性好、導(dǎo)熱性高、換熱效率高、換熱面積可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[6]，在中低溫余廢熱回收方面具有明顯的優(yōu)勢[7-8]。當(dāng)進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井相距在200 m以內(nèi)時，采用重力式熱管換熱器[4]；當(dāng)進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井相距超過200 m時，采用分離式熱管換熱器[8]，冷凝段和蒸發(fā)段采用管道連接，換熱工質(zhì)通過在管道內(nèi)流動實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。然而，礦井回風(fēng)通常含有粉塵及腐蝕性成分，容易影響熱管的換熱效率及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。為此，孟國營等[9]發(fā)明了1種礦井回風(fēng)余熱回收專用熱管，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段的管殼和翅片采用不同的材質(zhì)，以上些材質(zhì)均具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了熱管的換熱效率和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。熱管換熱技術(shù)適用于對換熱效率要求較高、設(shè)備安裝空間較小的場所。

山西省平定縣花荷峪風(fēng)井場地采用低溫?zé)峁芗夹g(shù)進(jìn)行井筒防凍，結(jié)果表明在同樣的供熱負(fù)荷下，選用燃煤鍋爐供暖年運(yùn)行費(fèi)用為520.05萬元，而采用低溫?zé)峁芗夹g(shù)年運(yùn)行費(fèi)用僅52.25萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著[10]。

采用直接換熱技術(shù)回收礦井回風(fēng)熱能時，系統(tǒng)較為簡單，初投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，但回收的熱能僅能用于井筒防凍，無法解決礦區(qū)建筑采暖和洗浴水加熱等熱需求。

2 熱泵提熱技術(shù)

為最大程度上滿足煤礦熱、冷需求，熱泵技術(shù)被引入礦井回風(fēng)余熱利用領(lǐng)域。熱泵以電能為驅(qū)動能源，既可制熱又可制冷，制熱時以礦井回風(fēng)為低溫?zé)嵩矗评鋾r以礦井回風(fēng)為熱匯。按低溫?zé)嵩磦鳠峤橘|(zhì)的不同，熱泵提熱技術(shù)分為空氣源熱泵提熱技術(shù)和水源熱泵提熱技術(shù)2種[11]。

2.1 空氣源熱泵提熱技術(shù)

根據(jù)礦井回風(fēng)是否直接引入熱泵，空氣源熱泵提熱技術(shù)又可分為直蒸式取熱技術(shù)和間蒸式取熱技術(shù)2種。

2.1.1直蒸式取熱技術(shù)

直蒸式取熱技術(shù)在回風(fēng)機(jī)排風(fēng)口處建設(shè)回風(fēng)換熱室，在換熱室側(cè)面布置換熱器，在此換熱器中直接完成低溫低壓制冷劑液體的蒸發(fā)吸熱過程，提取回風(fēng)中的熱量，制冷劑吸熱氣化后進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮至高溫高壓狀態(tài)后進(jìn)入冷凝器將熱量傳遞給循環(huán)水，循環(huán)水吸熱升溫后向用戶供熱，系統(tǒng)如圖2所示[12]。

圖2 直蒸式取熱熱泵系統(tǒng)[12]Fig.2 Direct evaporation heat pump system[12]

此技術(shù)下，制冷劑直接與回風(fēng)換熱，不需要采用水或其他載冷劑進(jìn)行二次換熱，可有效降低能量損失，且顯著增加余熱提取量，換熱后回風(fēng)溫度最低可降至0 ℃。

由于礦井回風(fēng)中含有大量粉塵等雜質(zhì)，換熱器中強(qiáng)化換熱的翅片容易積灰，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，風(fēng)阻增大，如若改為光管則會大大增加換熱器的尺寸，增加初投資和占地面積[13]。為解決此問題，王建學(xué)等[14]發(fā)明了1種帶噴淋除塵的直蒸式礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，先用水噴淋對回風(fēng)進(jìn)行洗滌，經(jīng)洗滌后的回風(fēng)再進(jìn)入換熱器與制冷劑換熱，此技術(shù)可有效維持換熱器表面的清潔，提高換熱器的換熱能力。

實(shí)際應(yīng)用中，礦井回風(fēng)量通常較大，為充分換熱需要較大的換熱面積，受礦區(qū)場地的制約，往往難以安裝與回風(fēng)量相匹配的換熱器。即使有足夠的場地，換熱器數(shù)量的增多和換熱面積的增加會增大回風(fēng)阻力，對礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行造成不利影響[15]。因此，直蒸式取熱技術(shù)應(yīng)用較少。

2.1.2間蒸式取熱技術(shù)

為解決上述問題，間蒸式取熱技術(shù)被提出，在此種技術(shù)中礦井回風(fēng)不直接進(jìn)入熱泵。袁曉麗等[16]發(fā)明了1種礦井回風(fēng)余熱回收利用系統(tǒng)，新風(fēng)與回風(fēng)在間壁式換熱器中換熱，升溫后的新風(fēng)一部分直接送入井下，一部分作低溫?zé)嵩此腿肟諝庠礋岜玫恼舭l(fā)器，空氣源熱泵制得的熱水可在極端低溫條件下保障井筒防凍熱量的供應(yīng)，該系統(tǒng)高效穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)性好。

2.2 水源熱泵提熱技術(shù)

水源熱泵提熱技術(shù)采用循環(huán)水置換礦井回風(fēng)中的熱量或冷量，以換熱后的循環(huán)水為低溫?zé)嵩椿驘釁R，利用水源熱泵實(shí)現(xiàn)供熱或供冷。該技術(shù)的關(guān)鍵在于礦井回風(fēng)余熱的高效、穩(wěn)定提取，按提取方式的不同分為表面式換熱技術(shù)和噴淋式換熱技術(shù)2種。

2.2.1表面式換熱技術(shù)

在表面式換熱技術(shù)中，礦井回風(fēng)不與熱泵循環(huán)水直接接觸。楊海鵬等[17]發(fā)明了1種礦井回風(fēng)余熱梯級利用系統(tǒng)，將循環(huán)水通入表面式換熱器回收回風(fēng)中的熱能，循環(huán)水溫度升高后先進(jìn)入井口空氣換熱器預(yù)熱井筒進(jìn)風(fēng)，后進(jìn)入水源熱泵作為其低溫?zé)嵩炊频脽崴?，進(jìn)一步加熱井筒進(jìn)風(fēng)至2 ℃以上。仲繼亮[18]發(fā)明了1種充分利用礦井回風(fēng)余熱的裝置，將直管表面式換熱器設(shè)置在位于回風(fēng)井頂部的導(dǎo)風(fēng)筒內(nèi)，管內(nèi)為循環(huán)水，管外為回風(fēng)，循環(huán)水與回風(fēng)換熱后溫度升高，水源熱泵再以此循環(huán)水為低溫?zé)嵩粗迫崴?，可供井筒防凍、建筑采暖和洗浴水加熱使用。礦井回風(fēng)表面式換熱-熱泵系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 礦井回風(fēng)表面式換熱-熱泵系統(tǒng)[18]Fig. 3 Heat pump system with surface heat exchange of return air[18]

表面式換熱一般只能回收礦井回風(fēng)的顯熱，提取的熱量有限，為克服此缺點(diǎn)，深焓取熱技術(shù)被提出，該技術(shù)通常以防凍液為取熱介質(zhì)[19]。防凍液在換熱器中吸收礦井回風(fēng)熱量，升溫后進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器作低溫?zé)嵩矗仫L(fēng)溫度則降至0 ℃以下。徐廣才等[20]發(fā)明了1種礦井回風(fēng)余熱梯級利用供暖裝置，能夠深度提取礦井回風(fēng)熱能，先采用間壁換熱技術(shù)回收回風(fēng)余熱用于井筒防凍，然后采用深焓取熱技術(shù)進(jìn)一步回收回風(fēng)熱量，制取的熱水用于建筑采暖。李孜軍等[21]利用高壓CO2在0 ℃以下不易結(jié)凍的特性，發(fā)明了1種適用于高寒地區(qū)礦井回風(fēng)余熱利用的裝置，該裝置以高壓CO2為中間換熱介質(zhì)，可深度回收礦井回風(fēng)余熱。深焓取熱技術(shù)適用于冬季室外環(huán)境溫度低的場所。

在表面式換熱技術(shù)中，熱泵循環(huán)水不與回風(fēng)直接接觸，水質(zhì)清潔，可延長熱泵使用壽命。但表面式換熱器也面臨翅片積灰、換熱面積大導(dǎo)致的各種問題，解決上述問題是下一步研究的重點(diǎn)。

2.2.2噴淋式換熱技術(shù)

噴淋式換熱技術(shù)中循環(huán)水通過噴淋裝置與回風(fēng)直接接觸，回風(fēng)抽出后進(jìn)入擴(kuò)散塔內(nèi)，變?yōu)榈退?、均勻、穩(wěn)定的氣流，與噴淋裝置噴淋出的高密度霧化水充分接觸，完成氣水之間的熱濕交換，升溫后的噴淋水進(jìn)入回水槽，經(jīng)處理后作為低溫?zé)嵩此椭翢岜脵C(jī)組，回風(fēng)通過擋水板后排至大氣[22-26]。噴淋式換熱技術(shù)是目前研究最多、應(yīng)用最廣的回風(fēng)余熱利用技術(shù)。

礦井回風(fēng)噴淋式換熱-熱泵系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 礦井回風(fēng)噴淋式換熱-熱泵系統(tǒng)[23]Fig. 4 Heat pump system with spray heat exchanger of return air[23]

噴淋式換熱系統(tǒng)風(fēng)阻小，不會影響礦井正常通風(fēng)，對通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行具有明顯的降噪作用，降噪量約為30 dB[12]，且噴淋水可以對回風(fēng)進(jìn)行除塵，除塵效率可高達(dá)95%，大幅減少了回風(fēng)對大氣的污染。

然而，采用噴淋式換熱技術(shù)，當(dāng)回風(fēng)溫度低于12 ℃時取熱效果差，在嚴(yán)寒地區(qū)設(shè)備穩(wěn)定性也較差[27]，為解決此問題，王建學(xué)等[28]開發(fā)了1種低風(fēng)溫工況礦井回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)，通過在循環(huán)水中添加防凍液，并采用溶液濃縮設(shè)備控制溶液濃度，實(shí)現(xiàn)了高寒地區(qū)低風(fēng)溫工況下礦井回風(fēng)熱能的穩(wěn)定回收。王理金等[29]開發(fā)了1種大溫差礦井回風(fēng)熱能回收系統(tǒng)，對礦井回風(fēng)采用噴淋式換熱和表面式換熱兩級取熱，再通過水源熱泵將提取的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，該系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)較高的熱能回收率，也可避免熱能回收過程中出現(xiàn)的低溫結(jié)霜和換熱效率低的問題。

晉煤集團(tuán)成莊礦4號風(fēng)井采用回風(fēng)噴淋式熱泵技術(shù)供熱，年運(yùn)行費(fèi)用115.82萬元。與原燃煤鍋爐供熱技術(shù)相比，年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省301.73萬元，CO2減排量達(dá)10 064 t[23]。

目前，噴淋式換熱技術(shù)還存在一些問題未徹底解決，包括：系統(tǒng)平均能效比低，一般只有3左右[17]；回風(fēng)中的粉塵進(jìn)入循環(huán)水中造成水質(zhì)污染，導(dǎo)致熱泵機(jī)組、過濾器、水泵等設(shè)備磨損嚴(yán)重，使用壽命減少[18]；噴淋過程會發(fā)生水分的蒸發(fā)和散失，補(bǔ)水量大，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低等，以上問題是下一步的研究重點(diǎn)。

3 技術(shù)比較

礦井回風(fēng)利用技術(shù)多樣[30-38]，不同利用技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)總結(jié)Table 1 Summary of the waste heat utilization technology of return air in coal mines

4 結(jié) 論

隨著我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，煤礦企業(yè)作為高能耗企業(yè)，節(jié)能減排勢在必行，礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。筆者通過對比分析回風(fēng)余熱直接利用技術(shù)和熱泵提熱技術(shù)，從利用技術(shù)、存在的問題、發(fā)展前景等3個方面系統(tǒng)梳理了礦井回風(fēng)余熱資源，并探討其發(fā)展前景,結(jié)果表明：

(1)礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)有直接利用和熱泵提熱2種，其中：礦井回風(fēng)直接利用技術(shù)系統(tǒng)簡單，但回收的熱能僅能用于井筒防凍；熱泵提熱技術(shù)可顯著提高熱能的品味，但存在因回風(fēng)雜質(zhì)產(chǎn)生的積灰、堵塞、腐蝕、磨損等問題。

(2)現(xiàn)有技術(shù)還存在設(shè)備體積較大、安裝受限及易導(dǎo)致積灰、堵塞、腐蝕、磨損等問題，有待進(jìn)一步研究和完善。未來相關(guān)研究需從換熱設(shè)備的材料、工藝方面著手，一方面提升換熱效率，減少換熱面積，使設(shè)備布置更加靈活；另一方面降低對回風(fēng)潔凈度的要求，解決積灰、堵塞、腐蝕、磨損等問題。