分体式矿井排风余热回收井口防冻系统应用探究

熊楚超，罗景辉，魏 莹，刘 欢，侯立泉，张昌建，2

(1.河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北省暖通空调技术创新中心，河北 邯郸 056038)

在煤矿生产的过程中，井口防冻是保证矿井安全生产的必要措施，根据《煤矿安全规程》规定，矿井进风井口空气温度应保证在2℃以上[1]。因此在室外气温低于2℃时，需要对矿井进风井口处的空气加热后送入。传统的加热方式是采用燃煤、燃气加热热水或者直接采用电热风炉加热矿井进风井口处的空气。随着能源供应和环境污染矛盾突出，逐渐意识到回收利用矿井排风低温热能的重要性[2-4]，出现了直接喷淋式矿井排风余热提取技术结合水源热泵制取热水用于井口防冻。但由于矿井排风中含有粉尘、酸性物质，容易造成管道、热泵蒸发器堵塞、腐蚀；后来又提出采用间壁式换热器直接提取矿井排风的余热[5，6]，这种方式解决了管道、热泵蒸发器的堵塞、腐蚀问题，但是随着长时间的运行，灰尘会在换热器上堆积，造成整套通风系统风阻加大也降低了换热效率。近几年出现采用整体式热管利用矿井排风余热加热矿井送风的技术[7，8]，这类技术很好的解决了传统利用矿井排风加热矿井送风的问题，但是进风井与排风井距离不能太远，且风道和占地面积较大，土建投资费用高。针对整体式热管回收存在的问题，本文在总结原有技术工艺的基础上，对距离远、场地小、矿井排风在高处的风井，提出分体式矿井排风余热回收井口防冻供热系统。

1 分体式余热回收系统原理

分体式矿井排风余热回收系统是通过利用热管移热原理来实现将热量从矿井回风向矿井送风转移的过程。热管主要包括蒸发段、冷凝段和绝热段，利用相变传热原理来实现热量的转移过程。热管可以分为整体式热管和分体式热管。在热管安装位置受限时，可将热管的蒸发段和冷凝段分开，从而形成分体式热管结构。分体式余热回收系统在矿井排风侧设置蒸发器，矿井进风侧设置冷凝器，蒸发器和冷凝器之间介质循环实现热量的传递，由介质循环泵提供动力。循环介质采用乙二醇溶液，浓度为40%～50%之间时，冰点温度低于-25℃，能够保证系统稳定运行，并且停止运行时介质不结冰[9-11]。

2 矿井排风余热回收井口防冻系统

矿井井口防冻主要通过应用分体式余热回收技术利用矿井排风热量来加热矿井送风。系统的原理图如图1所示。矿井排风口设置两级屋顶式蒸发器，矿井送风口设置两级冷凝器[12]。一级蒸发器与二级冷凝器连接，二级蒸发器与一级冷凝器连接，分别由介质循环泵提供动力。在蒸发器和冷凝器实现介质与矿井排风和送风的换热过程，在两路介质循环的过程中实现热量从蒸发器向冷凝器的转移。系统根据矿井排风和送风温度的匹配情况设置两套管路系统，实现能量的梯级利用。并且当介质输送过程中存在的泄露问题时，可以互为备用。矿井排风首先与一级蒸发器中的介质换热，经过一级蒸发器后的排风与二级蒸发器中的介质换热后排放到大气中去。介质在蒸发器吸收热量后通过介质循环泵的作用传输到矿井进风加热器即冷凝器用于加热新风，为减少热量散失，冷凝器的布置可避开冬季主导风向进行设置。经过一级和二级冷凝器加热室外的空气达到2℃后送入井下。考虑在极端天气和矿井排风热量不足等特殊情况下，为确保井口不冻，保证矿井安全生产，系统设置电加热装置。另外在矿井排风口设置的蒸发器为带喷淋的蒸发器，在设备维护期间对蒸发器进行冲洗，可有效解决矿井排风对设备的腐蚀、堵塞等问题[13，14]。

图1 系统原理图

3 案例分析

3.1 项目概况

该项目为太原市西铭冀家沟煤矿矿井排风余热利用项目，该矿进风井是一个单独矿井，进风井进风量约为117m3/s，进风井距离排风井约130 m，排风井回风量为167m3/s，冬季出风温度约为10～12℃，当地的极限最低气温平均值为-21.9℃。在进风井场地建设了由2台4t/h燃煤热风炉组成的供暖设施，用于进风井防冻。依据相关规定“井筒保温供热不应使用热风炉”，以及燃煤热风炉属于锅炉范畴，在国家和地方要求改造的范围内。该项目依据因地制宜、能级匹配原则，采用分体式余热回收系统，对矿井排风中蕴含的余热资源进行提取利用[15]。

3.2 热平衡计算

3.2.1 井口防冻热负荷

空气计算参数，采暖季极端最低温度平均值：-21.9℃；冷热空气在井筒内混合后的空气温度2℃(规范规定不小于2℃)。热负荷计算公式如下：

Qv=CpρaVm(tn-tm)

(1)

式中，Qv井筒防冻热负荷，kW；Cp干空气的定压比热容，1.01kJ/(kg·K)；ρa室外温度下的空气密度，1.283kg/m3；Vm为井筒进风量，117m3/s；tn、tm井筒内外供暖计算温度，分别取2℃、-21.9℃。井筒防冻的热负荷为3623kW。

3.2.2 矿井排风可回收的热量

冬季矿井排风的温度在12℃左右，相对湿度在90%左右，取热后矿井排风的温度3℃、相对湿度在100%，按照下式进行计算矿井排风可回收热量。

Q=ρV(h2-h1)

(2)

式中，Q表示矿井排风中可以提取的有效利用热量，kW；ρ为空气密度，1.2 kg/m3；V为排风量，167m3/s；h2表示取热前矿井排风的焓值，kJ/kg，温度12℃、相对湿度在90%的焓值为32.13kJ/kg；h1表示取热后矿井排风的焓值，kJ/kg，温度3℃、相对湿度在100%的焓值为14.90kJ/kg；代入数据得矿井排风中可以提取的热量为3453kW。考虑到余热利用率为90%，热量在传输的过程中热损失约为5%，实际转移到冷凝侧的热量约为2952kW。

3.2.3 热平衡分析

按采暖季极端最低温度平均值-21.9℃计算所需的热负荷为3623kW，矿井排风余热实际转移到冷凝侧的热量约为2952kW，不能满足极端天气条件下的用热需求，经计算，2952kW的热量能够满足将-15℃以上的室外空气的温度加热至2℃以上，能够满足绝大部分时间的使用。考虑到极端天气，为了保证供热的可靠性，增加1000kW电加热作为补充热源，总的供热能力满足将室外-21.9℃空气加热至2℃以上的需求。另外，井筒附近另有约300kW的瓦斯发电余热可以利用，将其作为备用热源，可进一步保证系统供热的可靠性。

3.3 主要设备选型

1)换热器选型。分体式余热回收装置主要包括屋顶式蒸发器、冷凝器。考虑到低温换热器的换热效率较低，在对蒸发器、冷凝器选型时考虑了较大的富余量。屋顶式蒸发器选型，根据矿井排风侧可提取热量3453kW进行选型，选用40台带喷淋的屋顶式蒸发器，单台换热量100kW。冷凝器选型，根据矿井进风侧所需热负荷为3623kW，从矿井排风侧转移到矿井进风侧的热量为2952kW，选用48台冷凝器，单台换热量80kW。

2)水泵选型。该系统水泵主要包括介质循环泵和喷淋水泵。依据系统循环水量和管路阻力确定水泵流量和扬程。水泵选型参数见表1。

表1 水泵选型参数

3)其他设备。主要包括电加热装置2套共1000kW，介质水箱和喷淋水箱各一台，定压补水设备和低压控制柜各一套。管道保温，减少换热介质的长距离的输送过程中的热量散失。风阻平衡风机，其作用为平衡风系统阻力，根据对回风井和进风井进出口风压的检测和监控，自动调节平衡风机的运行，提高系统的可靠性和稳定性。

4 经济环保效益分析

4.1 投资费用

项目投资费用主要包括设备投资费用、管网投资费用以及土建、安装费用。设备购置及安装采用询价方式进行计算，土建工程按同类工程实际发生价格计算。项目总投资预计约为749.82万元。

4.2 运行费用

整套系统主要运行费用主要为水泵、风机运行费用。山西地区采暖季为5个月，共150d，电费按0.6元/(kW·h)。变频水泵运行功率150kW，日运行时间24h，负荷系数60%，运行费用19.4万元。风机运行功率8kW/台，按12台计算，日运行时间24h，负荷系数100%，运行费用20.7万元。综合考虑极端天气影响因素，1000kW电加热系统运行，按30d计算，所需费用43.2万元。冬季运行费用为83.3万元。

4.3 经济性分析

该矿井口防冻在未改造前，采用燃煤热风炉加热井口。若改为电热风炉，其耗电量为3623kW，平均负荷按总负荷的60%，按上述给定参数进行计算，热风炉运行费用为469.54万元，与热风炉相比整个供暖期节约运行费用386.24万元。若采用乏风源热泵机组，系统能效按3.0估算，热泵主机用电负荷至少为1208kW，考虑水泵、风机等附属设备，全部系统用电功率至少1500kW。其运行费用为156万元，节省运行费用72.7万元，并且热泵系统初投资和后期运行维护费用较高。

4.4 环保效益分析

通过矿井排风余热回收利用系统，实现余热资源的回收利用，减少了污染物排放。余热资源的利用可提取热量相当于年可替代标准煤3048t，可实现年减少CO2排放7601t、SO2排放49t。

5 结 论

1)通过上述实际案例分析，提取利用矿井排风余热进行井口防冻，并通过配置电加热和调峰热源，进一步确保在极端天气和矿井排风余热不足情况下的能源供需平衡，使得井口防冻系统稳定可靠运行。并且避免了投资费用较高、占地面积较大等问题。该技术为解决矿井井口防冻问题，提供了一种可供参考的解决方法。

2)该项目总投资749.82万元、年运行费用83.3万元。与热风炉相比，节约运行费用386.24万元，与乏风源热泵相比，节省运行费用72.7万元，且初投资和运行维护费用低，经济效益较好。且有效利用余热资源，减少了污染物的排放，环境效益良好。