矿井低焓乏风余热利用技术研究与应用

李建光陈峰雷蒋正君谢 峤孔德顺李竹青

（1.山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西省忻州市，036702；2.北京中矿博能节能科技有限公司，北京市海淀区，100083；3.北京圆之翰工程技术有限公司，北京市朝阳区，100015；4.长飞光纤光缆有限公司，湖北省武汉市，430073）

矿井低焓乏风余热利用技术研究与应用

李建光1陈峰雷1蒋正君2谢 峤2孔德顺3李竹青4

（1.山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西省忻州市，036702；2.北京中矿博能节能科技有限公司，北京市海淀区，100083；3.北京圆之翰工程技术有限公司，北京市朝阳区，100015；4.长飞光纤光缆有限公司，湖北省武汉市，430073）

为深入研究低焓乏风余热利用技术，提出了直蒸式深焓取热乏风热泵技术的基本原理，通过关键技术难题的解决及直蒸式深焓取热乏风热泵技术在榆树坡煤矿的应用，形成了直蒸式深焓取热乏风热泵技术的理论体系，即使乏风实际参数远远低于工况设计参数，乏风热泵仍然能稳定运行，证明了直蒸式深焓取热乏风热泵技术的先进可靠性。

乏风余热利用 低焓乏风 直蒸式深焓取热 乏风热泵

随着国家节能减排政策的推进及煤矿环保要求的提高，煤矿低温余热资源回收利用引起了煤炭企业的重视，尤其是矿井乏风，由于其风量大，风温稳定，相对湿度大，蕴含着大量的低温热能，是具有极高利用价值的余热资源，采用热泵技术从矿井乏风中提取热量，可以用来解决煤矿建筑物供暖、井口防冻和洗浴用热的问题。目前乏风中余热回收利用技术主要是淋水式换热技术，对于我国东北、西北和华北地区的大部分矿井，受气候和地温等因素的影响，矿井乏风的温度和焓值均较低，通过喷淋以后能够回收的热量非常有限，迫切需要新的技术来回收乏风余热。

1　基本理论

1.1矿井乏风分类

矿井乏风温度由于受地面空气、井下岩温、水温和生产状况等各种因素的综合影响，回风温度及焓值各不相同。根据矿井回风温度的不同，矿井可分为高温矿井（乏风温度≥18℃）、中温矿井（12℃≤乏风温度＜18℃）和低温矿井（乏风温度＜12℃）三类矿井，其中高温矿井的乏风焓值通常≥40 kJ/kg，称之为高焓乏风；中温矿井的乏风焓值为25～40 kJ/kg，称之为中焓乏风；低温矿井的乏风焓值通常≤25 kJ/kg，称之为低焓乏风。三类乏风在焓湿图上的主要分布区间如图1所示。

图1　各类乏风在焓湿图上的分布区域

1.2直蒸式深焓取热技术

1.2.1直蒸式深焓取热乏风热泵技术原理

乏风热泵的核心由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部分组成，其中压缩机、冷凝器和膨胀阀等组成乏风热泵冷凝压缩机组。其基本工作原理和流程是乏风热泵冷凝压缩机组的压缩机将从乏风取热箱换热器回收来的低压冷媒压缩后变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体通过冷凝器内的铜管，加热由热用户端回来的热水，冷媒被冷却变成液态，经膨胀阀后进入乏风取热箱换热器翅片管内，吸收流经翅片管外的乏风中的热量蒸发变成气态，再被压缩机吸入，从而进入下一个热力循环，其原理如图2所示。

图2　直蒸式深焓取热乏风热泵技术原理图

1.2.2乏风取热的状态变化

图3展示了乏风由10℃取热至-10℃在焓湿图上的整个状态变化过程（A～E过程），A点为乏风起始状态点，B点为空气的露点温度，C点为结霜点，D点为结冰点。从A点至B点，乏风中水分并未析出，可提取的是乏风中的显热，这个区间称之为干冷区；从B点至C点，空气中水分析出，水蒸汽放出汽化潜热，水分呈液态，可提取的是乏风和水中的显热及水的汽化潜热，这个区间称之为湿冷区；从C点至D点，从空气中析出的水变成霜，释放凝固热，可提取的是乏风和霜中的显热及水的凝固热，这一区间称之为霜冷区；从D点至E点，霜进一步变成冰，可提取的是乏风和冰中的显热，这一区间称之为冰冷区。可见，取热过程包括不同的区间，所提取的热量也是不同的，如图4所示，只在干冷区取热的过程称之为表焓取热；在干冷区和湿冷区取热的过程称之为浅焓取热；干冷区、湿冷区和霜冷区或冰冷区的取热过程称之为深焓取热。

图3　乏风取热状态变化过程

图4　乏风取热的不同过程

由于实际运行中，取热箱换热器表面结霜或结冰以后，对换热器的传热存在一定影响，故需要融霜或融冰过程。在霜冷区，制热过程提取了凝固热，融霜过程需要将霜从固态变成液态，消耗热量，与凝固热相抵消，故霜冷区实际提取的是乏风的显热部分。同理，在冰冷区，乏风热泵提取的也是乏风的显热部分。在融霜或融冰的过程中，存在一定量的热量损失。直蒸式深焓取热乏风热泵技术的取热量可按公式（1）进行计算:

式中:Q——取热量，k W；

ρ——乏风密度，kg/m3；

L——乏风风量，m3/s；

hc——C点乏风焓值，kJ/kg；

ha——A点乏风焓值，kJ/kg；

tc——C点乏风温度，℃；

td——D点乏风温度，℃；

c——乏风比热容，kJ/（kg·℃）；

φ——融霜（冰）热损失系数。

取热箱换热器的传热系数可以采用公式（2）进行计算:

式中:K——取热箱换热器传热系数，W/（m2·℃）；

αw——翅片管外对流传热系数，W/（m2·℃）；

R——外表面灰尘等所形成的热阻，（m2·℃）/W；

αn——管内制冷剂沸腾传热系数，W/（m2·℃）；

τ——肋化系数。

αw与乏风的状态有关，冰冷区αw的计算式按式（3）进行计算:

式中:αa——干冷区翅片管外对流传热系数，W/（m2·℃）；

ξ——为析湿系数；

η——肋片管效率；

δb——冰层厚度，m；

λb——冰层的导热系数，W/（m2·℃）。

2　工程应用

2.1技术难题

（1）风阻问题。在回风井口设置乏风取热室，风流流过乏风取热箱换热器，需要增加一定量的风阻，同时由于矿井排风中煤尘较大，特别是油性与粘性灰尘，运行一段时间后，取热箱换热器翅片管表面粘灰严重，使风阻增加，风阻过大将影响煤矿的通风量和通风机的能耗，必须采取有效措施控制风阻在合理的范围内。针对此问题，采取两方面的技术手段，一是根据风阻大小与风速平方成正比的原理，采用技术措施控制流过乏风取热箱换热器处的风速为2～2.5 m/s，从而有效控制乏风取热箱换热器的风阻为60～80 Pa；二是在乏风取热箱换热器两侧设置压差传感器，在乏风取热箱换热器一侧设置冲洗喷头，乏风取热箱换热器两侧压差高于设定值时，启动冲洗系统，对乏风取热箱换热器翅片管进行冲洗，从而使乏风取热箱换热器风阻恢复至初始风阻。

（2）反风问题。根据 《煤矿安全规程》的规定，煤矿必须安装反风设施，并能在10 min内改变巷道中的风流方向，当风流方向改变后，主要通风机的供给风量不应小于正常供风量的40%。为满足此要求，在乏风取热室一侧设置自动风门，反风时，自动风门在1 min内自动打开，让风流从自动风门门洞内通行，有效降低风阻。

（3）除霜（冰）问题。乏风取热箱换热器表面结霜（冰）一方面增加了传热热阻，另一方面增大了流经蒸发器的空气阻力、减少了空气流量，使得空气侧对流传热系数减少，直接影响了换热器的换热性能。乏风取热箱换热器表面结霜（冰）不严重时，为不增加乏风热泵系统的复杂程度，采用蒸发温度控制乏风热泵短时间停机除霜（冰）；乏风取热箱换热器表面结箱（冰）严重时，采用无缝滚动式除霜（冰）技术进行连续除霜（冰）。

2.2工程案例

2.2.1项目简介

榆树坡煤矿位于山西省宁武县，设计能力为3 Mt/a，服务年限为43.2 a。根据矿井初步设计，榆树坡煤矿冬季设计供热负荷为12564.6 k W，其中井口加热负荷为6590.6 k W，洗浴热水负荷为2014 k W，建筑物供暖负荷为3960 k W；夏季洗浴热负荷为1197 k W。对于榆树坡煤矿供热系统，根据供热负荷及项目有关环保批复，有如下两个供热方案可供选择:一是2台10 t/h燃气锅炉或3台6 t/h燃气锅炉，二是热泵基峰+天然气锅炉调峰。

2.2.2乏风余热量计算

由于榆树坡矿井属于新建矿井，乏风的热力参数无法确定，而这一参数直接影响到热泵系统设计及实际运行工况，通过实测调研、模拟计算和专家论证最后确定乏风设计参数为:温度≥12℃，相对湿度≥85%，风量≥200 m3/s，按取热后不结霜工况设计，取热后温度3℃，相对湿度95%，可以提取的乏风余热量为3828 k W。

根据乏风温度和相对湿度，查焓湿图，可得热前乏风焓值为30.96 kJ/kg·℃，取热后乏风温度按结霜点进行计算，取热后温度为3.5℃，相对湿度为95%，查得热后乏风焓值为15.21 kJ/kg·℃，查得乏风密度为1.23 kg/m3，由于取热至结霜点，故tc=td，代入公式（1）可得取热量为3874 k W。

上述乏风设计参数为矿井生产稳定后的乏风参数，前期矿井生产不正常的情况，预计乏风温度为7℃，保证供热量的情况下，取热后乏风温度将低至0℃以下，机组存在结霜（冰）的问题，考虑经济性的问题，采用乏风热泵间歇停机除霜（冰）的方式进行除霜。

2.2.3工艺流程及机组配置

项目利用矿井乏风和排水余热，采用热泵为基峰+天然气锅炉为调峰的供热方式，以取代燃煤锅炉，设计工况下乏风热泵与1台涌水热泵共同承担冬季采暖及井口加热基峰负荷，天然气锅炉承担调峰负荷。

通过压缩机的特性可知，该工况下，乏风热泵的综合COP值为3.7，则乏风热泵输入轴功率为1435 k W，乏风热泵总供热能力为5309 k W。结合热泵机组型号，选配6台制热量为775 k W的乏风热泵机组。每台热泵机组配4台乏风取热箱换热器，取热量为150 k W/台。

图5　系统工艺流程图

2.2.4乏风热泵运行效果

从图6可以看出，实际运行中，乏风温度在7℃左右，远远低于项目设计时选定的设计温度12℃，这是因为井下生产不正常，通风路径短且机电设备没有全部正常运转，这导致实际乏风热泵的运行有以下5个表现:

图6　乏风温度与乏风热泵供水温度变化曲线

（1）乏风中实际可取热量减少，取热后乏风温度低于设计值3.5℃，实际取热后乏风温度约为1℃，根据公式（1）可以计算出实际取热量约为1907 k W，乏风热泵系统实际供热能力约为2700 k W。

（2）乏风热泵机组能效下降，COP值约为3.4，低于设计值3.7。

（3）乏风热泵不能满负载运行，乏风热泵机组实际制热能力约675 k W，负载率约为87%。

（4）乏风热泵机组运行台数减少，实际只能运行4台乏风热泵机组。

（5）机组有除霜要求，每小时需停机除霜一次，时间约为9 min。

虽然实际运行有以上5个表现，但乏风热泵机组运行稳定，从图6可以看出乏风热泵系统供水温度除矿井检查停机期间外，均为45℃左右，通过获得数据计算，供水温度平均值为45.4℃。

3　结论

（1）根据矿井乏风温度的不同将矿井分为高温矿井、中温矿井和低温矿井，同时根据矿井乏风焓值的不同，将矿井乏风分为高焓乏风、中焓乏风和低焓乏风，奠定了直蒸式深焓取热乏风热泵技术的理论基础。

（2）提出了直蒸式深焓取热乏风热泵技术的基本原理，分析了乏风在不同取热焓差情况下，乏风的状态变化过程，给出了乏风取热量和乏风取热箱换热器传热系数的计算式，形成了直蒸式深焓取热乏风热泵技术的理论体系。

（3）介绍了直蒸式深焓取热乏风热泵技术在榆树坡煤矿的应用，在井下生产不稳定，乏风的实际参数远远低于设计时选取参数的情况下，乏风热泵仍然能稳定运行，出水温度基本维持在45℃以上，证明了该技术的先进可行性，所采用的热泵机组高效可靠，具有极大的推广应用价值。

［1］ 韩磊，裴婷.矿井余热利用技术研究现状及展望［J］.应用能源技术，2013（5）

［2］ 茅靳丰，陈飞，耿世彬.矿井回风资源利用方式探讨［J］.矿业安全与环保，2015（2）

［3］ 杨如辉，邹声华，张帝.矿井次生热能资源的利用方式研究［J］.矿业工程研究，2010（4）

［4］ 周升举，韩力，刘善勇.高地温深井WAT井下集中制冷降温技术研究［J］.中国煤炭，2012（10）

［5］ 刘军辉，袁鸿省.风源热泵系统在东庞矿的应用研究［J］.河北煤炭，2012（3）

［6］ 赵和凡.两类矿井回风余热利用技术分析 ［J］.中国煤炭工业，2014（5）

（责任编辑 孙英浩）

Research and application on low enthalpy ventilation air methane waste-heat utilization technology of mine

Li Jianguang1，Chen Fenglei1，Jiang Zhengjun2，Xie Qiao2，Kong Deshun3，Li Zhuqing4
（1.Shanxi Ningwu Yushupo Coal Co.，Ltd.，Xinzhou，Shanxi 036702，China；2.Sino Mining Brilliant Energy Effciency Technologies Co.，Ltd.，Haidian，Beijing 100083，China；3.Beijing YZH Coal Engineering Design Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100015，China；4.Yangtze Optical Fibre and Cable Company Ltd.，Wuhan，Hubei 430073，China）

The authors provided fundamentals of direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane heat pump technology in order to study low enthalpy ventilation air methane waste-heat utilization technology.According to solve key technic problems and apply on direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology in Yushupo Coal Mine，the theoretical system of direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology was established.In the system，although actual parameter of ventilation air methane was lower than design parameter of working condition，ventilation air methane heat pump was still working，which proving that direct steaming deep enthalpy heat removal ventilation air methane pump technology was advanced reliability.

ventilation air methane waste-heat utilization，low enthalpy ventilation air methane，direct steaming deep enthalpy heat removal，ventilation air methane heat pump

TD72

A

李建光（1974-），男，山西河曲人，工程师，总经理，学士，现主要从事煤矿开采及矿井伤势利用方面的研究。