礦井低溫余熱綜合利用技術(shù)研究與應(yīng)用

徐國強

(陜西煤業(yè)新型能源科技股份有限公司，陜西省西安市，710100)

我國煤炭企業(yè)既是能源生產(chǎn)企業(yè)也是高耗能企業(yè)，煤炭在生產(chǎn)過程中有80%的能耗是電力消耗，煤炭企業(yè)用能種類繁多、體量大、季節(jié)差異明顯。其中空壓機、提升裝備、鍋爐和排水泵等裝備是煤礦中能耗較大、節(jié)能潛力較大的高耗能裝備，且存在耗電量大、運行費用高、運行故障率高、極端天氣供熱效果難以保證等問題[1-3]。由于煤礦井下安全作業(yè)需要不間斷地通入新鮮空氣，以保證井下工作人員正常呼吸以及生產(chǎn)設(shè)備的正常運行，空氣流經(jīng)地下巷道與巖壁發(fā)生熱濕交換，同時井下的采、掘、運輸?shù)葯C械設(shè)備不間斷地運轉(zhuǎn)也釋放出較大熱量，因此礦井回風(fēng)蘊藏著巨大的可利用的且風(fēng)量穩(wěn)定的低品位熱能[4-6]。因此，各煤炭企業(yè)均在積極地降低非生產(chǎn)環(huán)節(jié)的能耗，改變用能結(jié)構(gòu)，對資源綜合利用等技術(shù)開展多方面的研究，以實現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能減排與綠色生產(chǎn)[7]。近年來，隨著國家和地方環(huán)保政策要求的逐漸提高，很多煤炭企業(yè)原有的燃煤鍋爐逐步被淘汰，這就給乏風(fēng)余熱利用技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。乏風(fēng)余熱技術(shù)的發(fā)展減少了企業(yè)燃煤帶來的消耗成本，可助力我國節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展[8-9]。

一般礦井乏風(fēng)余熱利用技術(shù)主要包括直接利用技術(shù)和熱泵提熱技術(shù)，直接利用技術(shù)具有熱能提取量小的特點，比較適用于中低溫余熱回收項目，投資和運行費用較低；熱泵提熱技術(shù)具有循環(huán)回路多、裝機功率大、電能消耗較大、熱能回收多的特點，但熱泵系統(tǒng)較為復(fù)雜，初期投資和運行管理費用相對較高，比較適用于場地較大且資金充裕的項目[10-12]?；诖耍P者以安陽煤礦為例，對安陽煤礦原有的供暖方案進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，研究了生產(chǎn)礦井逆流直接換熱式回風(fēng)加熱新風(fēng)技術(shù)(乏風(fēng)直接利用技術(shù))和空壓機余熱回收技術(shù)的實際應(yīng)用情況，目的是發(fā)揮回風(fēng)余熱資源潛能最大化，解決安陽公司供暖、節(jié)能增效等問題，為相關(guān)煤礦開展節(jié)能減排降耗提供參考。

1 項目概況

近年來，我國煤炭企業(yè)均在積極探索降低非生產(chǎn)環(huán)節(jié)能耗的措施，而安陽煤礦在供熱系統(tǒng)的總裝機功率達(dá)到5 567 kW，生產(chǎn)能力為120萬t/a，采暖期電鍋爐采暖折算噸煤電耗約14 kW·h，存在耗電量大、運行費用高、運行故障率高、極端天氣供熱效果難以保證等問題。因此陜西澄合合陽煤炭開發(fā)有限責(zé)任公司按照地方鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)文件的要求，在工業(yè)場地停用了原燃煤鍋爐改用電磁鍋爐以滿足井筒防凍和地面工業(yè)建筑采暖。

經(jīng)綜合考慮后，決定在安陽煤礦實施余熱綜合利用改造項目，通過逆流直換技術(shù)和空壓機余熱技術(shù)對礦井回風(fēng)和空壓機余熱資源加以利用，以實現(xiàn)井筒防凍和洗浴水加熱這2個目標(biāo)，從而提高礦產(chǎn)資源的利用率。

1.1 項目實施前的井筒防凍與洗浴水加熱簡介

安陽煤礦位于陜西省合陽縣金水溝，氣候條件為冬夏季長、春秋季短。夏季氣溫較高，炎熱而干旱；冬季嚴(yán)寒，氣溫低且雪雨少。由于北方冬季干冷且井筒易結(jié)冰，安陽煤礦目前采用電磁鍋爐加熱的方式來保證室外溫度低于-7 ℃時，井筒不低于2 ℃且不出現(xiàn)短暫結(jié)冰現(xiàn)象。為防止井筒結(jié)冰進(jìn)而影響安全生產(chǎn)，在新建鍋爐房中放置了4臺額定加熱功率為800 kW的電磁鍋爐、副井口放置了2臺空氣加熱機組，運行期間“一用一備”，主井設(shè)置了2臺空氣加熱機組，實際未運行。主井井口房依靠帶式輸頭機機頭電機散熱采暖，進(jìn)風(fēng)未加熱。電磁鍋爐生產(chǎn)蒸汽，通過蒸汽管道將蒸汽運送至副井口，經(jīng)井口加熱器加熱后，由風(fēng)機吹出熱風(fēng)在井口房與室外空氣混合后進(jìn)入井筒，以達(dá)到井筒保溫效果。

礦區(qū)內(nèi)原洗浴熱水加熱由新加裝的20臺額定制熱量為38 kW的空氣源熱泵提供?？諝庠礋岜冒凑漳婵ㄖZ原理工作，即在空氣中獲得超低溫?zé)嵩?，吸收空氣中的熱量?jīng)系統(tǒng)高效轉(zhuǎn)化后變成高溫?zé)嵩从脕砑訜崴疁?，但在極寒天氣中空氣源熱泵效果較差、運行費用高、冷凝器易結(jié)垢。

1.2 安陽煤礦余熱資源分析

1.2.1 可利用的余熱資源分析

(1)礦井乏風(fēng)余熱計算。礦井乏風(fēng)的溫度和濕度不受室外氣溫影響并且全年比較恒定，風(fēng)量為6 400 m3/min(106.70 m3/s)，乏風(fēng)溫度為18 ℃，相對濕度為90%。礦井乏風(fēng)可提取余熱測算見式(1)：

Q1=ρ×v×(h2-h1)

(1)

式中：Q1——可從乏風(fēng)中提取的熱量，kW；

ρ——空氣密度，kg/m3；

v——乏風(fēng)量，m3/s；

h2——溫度為18 ℃，相應(yīng)濕度為90%時空氣的焓，kJ/kg；

h1——溫度為2 ℃，相應(yīng)濕度為95%時空氣的焓，kJ/kg。

安陽煤礦礦井中的空氣密度為1.23 kg/m3、乏風(fēng)量為106.7 m3/s、溫度為18 ℃且相應(yīng)濕度為90%時空氣的焓取47.54 kJ/kg、溫度為2 ℃且相應(yīng)濕度為95%時空氣的焓取12.39 kJ/kg來計算，礦井乏風(fēng)可提取熱量為4 613.10 kW。

(2)空氣壓縮機余熱計算。本礦井主場地目前已經(jīng)建設(shè)4臺40 m3/min螺桿式空壓機，單臺功率為250 kW，空氣壓縮機負(fù)荷率和空氣壓縮機余熱回收效率均為85%，按照正常開啟1臺計算，可從空氣壓縮機中提取的余熱測算見式(2)：

Q2=N×η1×η2

(2)

式中：Q2——可從空氣壓縮機中提取的熱量，kW；

N——空氣壓縮機軸功率，kW；

η1——空氣壓縮機負(fù)荷率， %；

η2——空氣壓縮機余熱回收效率， %。

按照式(2)計算，可從空氣壓縮機中提取的熱量為180.63 kW。

1.2.2 熱需求分析

(1)井筒防凍所需熱負(fù)荷計算。根據(jù)礦方提供的數(shù)據(jù)，副井風(fēng)井的進(jìn)風(fēng)量為4 300 m3/min，根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》(GB50215-2015)要求，井筒防凍熱負(fù)荷計算溫度是按照冬季極端最低溫度的平均值-13 ℃進(jìn)行計算，井筒防凍所需熱負(fù)荷測算見式(3)：

Q3=G×ρ×Cp×(Th-Tw)

(3)

式中：Q3——井筒防凍所需熱負(fù)荷，kW；

G——礦井進(jìn)風(fēng)量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Cp——空氣定壓比熱容；

Th——冷、熱空氣混合后的溫度， ℃；

Tw——冬季極端最低溫度， ℃。

安陽煤礦礦井進(jìn)風(fēng)量為71.70 m3/s、空氣密度為1.28 kg/m3、空氣定壓比熱容為1.01 kJ/(kg·℃)、冷、熱空氣混合后的溫度2 ℃以及冬季極端最低溫度為-13 ℃來計算，井筒防凍所需熱負(fù)荷為1 390.40 kW。

(2)洗浴所需熱負(fù)荷計算。根據(jù)礦方提供的數(shù)據(jù)，按照1 000人次/d的洗浴人數(shù)統(tǒng)計，本次方案按照每人用水量100 L且平均用熱水量100 t/d計算，洗浴熱水所需熱負(fù)荷測算見式(4)：

Q4=cm(T2-T1)

(4)

式中：Q4——洗浴水所需熱負(fù)荷，kW；

c——水的比熱容，J/(kg·℃)；

m——水的流量，kg/s；

T2——加熱至洗浴水溫度， ℃；

T1——進(jìn)水溫度， ℃。

按照水的比熱容為4 200 J/(kg·℃)、冬季進(jìn)水溫度15 ℃、制取45 ℃熱水、加熱時間20 h不間斷加熱計算，洗浴水所需熱負(fù)荷為174.4 kW。

1.2.3 余熱利用結(jié)論

通過分析計算，礦井乏風(fēng)及空壓機可提供的余熱總量為4 793.73 kW，實際需要的熱負(fù)荷為1 564.80 kW，完全可以滿足用熱需求。礦井乏風(fēng)的熱量穩(wěn)定，可以采用逆流直接換熱技術(shù)以滿足井筒保溫防凍需求；空壓機的余熱品質(zhì)較高，可以采用空壓機余熱回收技術(shù)滿足洗浴熱水加熱需求。熱負(fù)荷需求量與礦井余熱量見表1。

表1 熱負(fù)荷需求量與礦井余熱量

2 技術(shù)原理

2.1 逆流直接換熱技術(shù)

井筒防凍技術(shù)方案主要是利用逆流直接換熱技術(shù)，礦井乏風(fēng)通過風(fēng)道進(jìn)入布置有高效導(dǎo)熱納米金屬合金材料的熱量直接換熱器，與逆流進(jìn)入換熱器的新風(fēng)進(jìn)行高效熱交換，以實現(xiàn)用礦井余熱加熱新風(fēng)的目標(biāo)。加熱后的新風(fēng)被風(fēng)道導(dǎo)入至井口處，實現(xiàn)井口防凍的效果，逆流間壁式換熱技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 逆流間壁式換熱技術(shù)原理

逆流直接換熱技術(shù)帶有的納米涂層高效熱傳導(dǎo)材料通過合理的逆流結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)，換熱單元結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 換熱單元結(jié)構(gòu)示意

逆流直接換熱技術(shù)按照工作過程可劃分為3個部分，即回風(fēng)對流換熱、帶納米涂層的合金內(nèi)部導(dǎo)熱和新風(fēng)對流換熱。逆流直接換熱技術(shù)的特點是通過高效熱傳導(dǎo)實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，礦井乏風(fēng)進(jìn)入逆流直接換熱器，回風(fēng)熱量直接傳給新風(fēng)，新風(fēng)進(jìn)入換熱器接觸到金屬側(cè)壁面受熱后直接送入井口，由于進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井距離受限，因此送風(fēng)溫度不高于回風(fēng)溫度。另外還需定期(每年)清洗回風(fēng)側(cè)換熱器附著物，效率衰減控制在5%以內(nèi)。逆流直接換熱系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)簡單、運行成本低、維護便捷、使用壽命較長的特點。

2.2 空壓機余熱回收技術(shù)

洗浴熱水加熱是利用空壓機余熱技術(shù)，將礦井中空氣壓縮機油站的熱量通過熱回收裝置與循環(huán)水進(jìn)行熱交換以達(dá)到加熱洗浴水的目的?？諌簷C余熱高效熱能回收裝置中的換熱器材質(zhì)為不銹鋼板，換熱管為彈簧盤管式，水流的沖刷作用使換熱管自由伸縮脹縮，不易結(jié)水垢。在長期使用過程中，通過換熱管的膨脹可自動脫垢，換熱效率不變?？諌簷C余熱換熱技術(shù)原理如圖3所示。

圖3 空壓機余熱換熱技術(shù)原理

空壓機余熱技術(shù)換熱方式為壓縮機油-中間循環(huán)水-洗浴熱水，通過中間循環(huán)水與85 ℃的壓縮機油換熱，吸收壓縮機油的熱量后進(jìn)入熱水箱下部的加熱器，制取45～50 ℃熱水用于洗浴熱水加熱。中間循環(huán)水水質(zhì)的控制對系統(tǒng)內(nèi)換熱效果有直接影響，控制好循環(huán)水水質(zhì)，定期清理水箱下部換熱器，效率無衰減。空壓機熱回收技術(shù)優(yōu)點是運行成本極低，熱水溫度保證較高，加熱無運轉(zhuǎn)部件，使用壽命長。

3 項目運行效果分析

安陽煤礦余熱綜合利用項目自2022年1月正式投入運行以來換熱效果顯著，該項目可以穩(wěn)定滿足井口房混風(fēng)溫度不低于2 ℃的要求，還可以滿足廠區(qū)職工的洗浴需求。筆者選取了2022年2-3月30 d的井下乏風(fēng)和新風(fēng)每日12時和24時入口-出口的溫度數(shù)據(jù)，乏風(fēng)入口-出口溫度曲線如圖4所示，新風(fēng)入口-出口溫度曲線如圖5所示，井口溫度曲線如圖6所示，洗浴水溫度曲線如圖7所示。

圖4 乏風(fēng)入口-出口溫度曲線

由圖4和圖5可以看出，隨著冬季白天氣溫回升，乏風(fēng)出入口溫度、新風(fēng)出入口溫度隨之升高，且午時溫度均高于凌晨溫度。井下乏風(fēng)在通過風(fēng)道進(jìn)入換熱器后，將熱能通過換熱器交換給了同樣到達(dá)換熱器的新風(fēng)，使新風(fēng)溫度升高，送向井口實現(xiàn)井口保溫防凍效果。乏風(fēng)通過換熱器后，溫度平均降低了5 ℃；新風(fēng)通過逆流直換技術(shù)被加熱，寒冷天氣升溫效果顯著，可達(dá)20 ℃。

圖6 井口溫度曲線

由圖6可以看出，被加熱后的新風(fēng)通過風(fēng)道送至井口，井口保溫防凍效果顯著，項目運行1個月中，當(dāng)?shù)靥幱诙咎鞖夂洌跍囟仁冀K不低于9 ℃，防凍保溫效果非常顯著，使得礦井可以穩(wěn)定滿足井口房混風(fēng)溫度不低于2 ℃的要求。

圖7 洗浴水溫度曲線

由圖7可以看出，礦區(qū)職工洗浴水箱通過空壓機油站油溫余熱加熱，水箱溫度維持在45 ℃左右，說明通過此項目的實施，廠區(qū)職工洗浴需求得以滿足，且每日午時洗浴水箱溫度略大于凌晨。

4 效益分析

煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益與煤質(zhì)和開采條件直接相關(guān)，安陽煤礦的煤質(zhì)和煤炭賦存條件相對較差，企業(yè)經(jīng)營壓力較大。安陽煤礦余熱綜合利用項目改造實施后，井筒保溫采暖和洗浴熱水加熱這2項的噸煤能耗顯著下降，成功地解決了安陽煤礦供暖和企業(yè)節(jié)能降耗的問題，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

4.1 社會效益

安陽煤礦余熱綜合利用項目通過對安陽煤礦原有的供熱方案進(jìn)行改進(jìn)，利用逆流直接換熱技術(shù)及空壓機余熱技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤鍋爐和空氣源熱泵以減少能耗，成功解決了井筒防凍和洗浴熱水問題。項目的改造和實施，使得企業(yè)的電耗和煤耗大大降低，還極大改善了礦區(qū)的環(huán)境狀況，減少了乏風(fēng)氣體排放給工人帶來的危害，取得了良好的社會效益。

4.2 經(jīng)濟效益

礦井回風(fēng)熱回收系統(tǒng)的初期投資主要包括設(shè)備購置費和建設(shè)費用。根據(jù)已知熱負(fù)荷和洗浴負(fù)荷選定設(shè)備并確定初期投資，設(shè)備主要包括熱交換器、風(fēng)機、空壓機余熱回收機組以及其他附屬設(shè)備等；建設(shè)費用主要包括機房土建、安裝建設(shè)等費用；運行費用主要是指熱泵機組和水泵等電費、人工費及維護費，按照使用季節(jié)共分為3部分，即冬季采暖電耗、夏季供冷電耗和洗浴電耗。

項目改造前使用“電磁鍋爐加熱+空氣源熱泵”的初期投資費用1 800萬元，運行費用305萬元，總投資費用2 105萬元，存在費用較高、運行故障率高、極端天氣供熱效果不佳的問題。改造后，安陽煤礦余熱綜合利用項目使用“逆流直換技術(shù)+空壓機余熱技術(shù)”的初期投資費用1 222.5萬元，運行費用39.75萬元，總投資費用1 262.25萬元。項目改造后節(jié)約運行電費260萬元/a，減少耗電量280萬kW·h，減少煤耗約為900 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排二氧化碳2 500 t。該改造項目充分利用了礦井回風(fēng)、空氣壓縮機低溫余熱熱源，加快推進(jìn)了礦井余熱資源化利用進(jìn)程，降低了能耗，極大地節(jié)約了機房占地面積以及設(shè)備的安裝和運行成本。

5 結(jié)論

(1)筆者以安陽煤礦為工程背景，結(jié)合礦區(qū)實際情況，綜合分析了該煤礦的低品位熱能，對安陽煤礦原有供暖方案進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

(2)經(jīng)實際運營分析，采用的逆流直接換熱技術(shù)能有效防止井筒凍結(jié)，換熱結(jié)構(gòu)得到了精簡且造價相對較低，中間不經(jīng)過二次換熱，減少了中間換熱環(huán)節(jié)，可以有效降低系統(tǒng)能耗提高換熱效率；采用的空壓機余熱技術(shù)能保證礦區(qū)內(nèi)所有工作人員洗浴熱水的持續(xù)供應(yīng)，且水溫長期保持在45 ℃左右。

(3)本項目改造后可替代原有電磁鍋爐、燃煤鍋爐加熱，降低了能耗，減少了污染物的排放，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，對西北嚴(yán)寒地區(qū)煤礦企業(yè)在礦區(qū)余熱利用的推廣應(yīng)用方面起到一定的理論支持和良好的示范作用。