煤矿排风余热能提取量与井筒防冻辅热计算

方璐绮，陈世强，2，田 峰，刘 刚，肖 亮，顾 敏

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害控制安全生产 重点实验室，湖南 湘潭 411201； 3.中铁隧道勘测设计院有限公司 隧道设计院，天津 300000； 4.平安电气股份有限公司 湖南省矿山通风与除尘装备工程技术研究中心，湖南 湘潭 411000； 5.凡口铅锌矿 建筑材料厂，广东 韶关 512300)

随着经济的快速发展，能源需求急剧增加，环境污染和温室效应日趋严重。煤炭是我国重要的资源，在煤炭开采过程中，矿井排水、排风和空压机等都可进行余热回收。为建设资源节约型、环境友好型社会，矿井余热回收技术必不可少[1-4]。

《煤矿安全规程》2016版第一百三十七条规定，进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在2 ℃以上。在我国北方，冬季室外大气干球温度基本低于2 ℃，为保证安全生产，需对井筒防冻进行设计，而传统方法采用热风炉、锅炉、空气加热器等方式进行加热[5-6]。但传统方式运行成本较高、资源消耗量大。刘毅涛[7]采用变频加热机组的方式，节能效果显著。张圣玄[8]将矿井排水余热通过水源热泵提取出来，用于井筒防冻设计，有效减少了运行成本。除此之外，学者们采用不同的矿井排风余热提取技术，将矿井排风中提取出的热量应用于井筒防冻设计，既减少了资源消耗量，也减少了排风造成的污染。左强等[9]统计测算了全国十大煤省份井筒防冻热负荷，结果表明与锅炉供热对比，回风换热技术具有更高的经济性。不同的换热方式产生了不同的换热器，张振涛[10]详细介绍了翅片式、喷淋式、板式、热管4种换热器的结构和作用。喷淋换热在技术层面与能耗经济层面具有全方位的优势[11-12]，且喷淋水也能够实现良好的降尘效果[13]。在采用喷淋技术进行余热回收时，通常都会结合水源热泵技术[14-16]。水源热泵技术是利用少量的电能将低品位热能转化可直接使用的高品位热能，是一种节能环保可再生的新能源技术[17-19]。

本文使用中国建筑热环境专用气象数据集中的室外气象参数，以内蒙古通辽市为例，计算出井筒防冻所需热量。将喷淋热回收技术与水源热泵技术相结合，作为矿井排风热量提取系统。根据经验，假设喷淋换热热量提取率为60%[20]，计算矿井排风提取热量。最后分别对井筒防冻所需热量与矿井排风提取热量年总量、月总量、逐日、逐时进行分析，检验提取热量是否满足所需热量，确定所需的辅热功率。

1 井筒防冻所需热量

在煤矿开采过程中，当井筒进风井口空气温度低于2 ℃(T<275.15 K)时，井筒会出现冻结现象。为保证安全生产，则需对进风井口的空气进行加热，使其进风井口空气温度达到2 ℃。1年内，当井筒进风空气低于2 ℃时，累计所需加热量计算公式如下：

(1)

式中，Qin为进风井口1年内所需总热量；Qi为进风井口每小时所需热量。

针对井筒进风井口每小时所需热量，利用定压比热容热量公式来计算：

Qi=mcpΔti=3 600qρinΔti

(2)

式中，m为矿井每小时的通风质量；cp为空气的定压比热容，取1.004 kJ/(kg·K)；Δti为第i个小时的温差(Δt=275.15-T)；q为矿井通风量；ρin为井筒进风井口空气的湿空气密度。

其中，Δti为最低安全标准2 ℃与井筒进风大气温度的温差；进风井口每小时通风质量m利用密度与每小时通风量进行计算。一般来说，一年四季气温变化较大，密度随着空气的温度和湿度而改变。为保证数据的精确性，将每小时的干球温度与实际水汽压代入湿空气密度公式，计算公式如下：

(3)

式中，ρ为湿空气密度；P为大气压，取101 325 Pa；T为干球温度，T=t+273.15；φ为相对湿度；Ps为饱和水汽压。

为了确定式(3)中湿空气参数，利用中国建筑热环境分析专用气象数据库[21]，导出所在城市的典型气象年逐时参数：时刻、干球温度(t)、实际水汽压(φPs)。将提取后的数据导入Excel表格，筛选出干球温度(t)低于2 ℃的数据组。其中，所筛选出数据组的总个数为式(1)中的n个小时，i为逐时。最后，将所筛选出的数据组代入式(3)，得到式(2)所需的逐时湿空气密度ρi。

2 矿井排风提取热量

为了对比分析矿井排风提取热量与井筒防冻所需热量，在同样的条件下(井筒进风井口空气干球温度低于2 ℃)，计算出提取热量。1年内，矿井排风累计提取热量计算公式如下：

(4)

式中，Qout为矿井排风1年内提取总热量；Qj为矿井排风每小时提取的热量。

矿井排风不仅具有显热热量，更是存在大量的潜热，所以矿井排风提取热量用焓计算。在喷淋换热过程中，矿井排风与水进行能量交换，能量由焓值高的排风传向焓值低的水，排风焓值下降，水焓值上升。本文采用极值计算的方法，假设理想状态下水的初始状态焓值(4 ℃水的焓值)为矿井排风的末状态焓值，hw=h2′。喷淋换热过程中，由于换热时间短、风水之间的阻力等因素的影响，其换热效率为60%，则每小时提取热量计算公式如下：

Qj=0.6(h1-h2′)m=0.6(h1-h2′)ρout×3 600q

(5)

式中，ρout为扩散塔内的湿空气密度(矿井排风气体密度)；h1为换热前矿井排风焓值；h2′为矿井排风的末状态焓值。

换热前矿井排风焓值，其计算公式如下：

h1=1.01t+0.001d(1.84t+2 500)

(6)

式中，t为排风干球温度；d为含湿量。

根据换热前矿井排风温度T1和相对湿度φ1，查表可得饱和水汽压Ps1，代入式(3)，得换热前矿井排风气体的湿空气密度ρ1。

换热后矿井排风实际焓值，计算公式如下：

h2=(h1-h2′)×(1-60%)+h2′

(7)

式中，h2为换热后矿井排风实际焓值。

喷淋换热后，由于喷淋水的作用，矿井排风相对湿度增加，φ2=100%，根据矿井排风换热后实际焓值h2，查表得干球温度T2、饱和水汽压Ps2，代入式(3)，得换热后矿井排风气体的湿空气密度ρ2。

本文中，矿井排风热量提取利用喷淋换热技术，换热过程在扩散塔内进行。而扩散塔内既包含了换热前矿井排风气体，也包含了换热后矿井排风气体。因此，式(5)扩散塔内的矿井排风气体密度ρout，其计算公式如下：

(8)

式中，ρ1为换热前矿井排风气体湿空气密度；ρ2为换热后矿井排风气体湿空气密度。

最后，根据计算结果，对比分析井筒防冻所需热量与矿井排风提取热量。

3 内蒙古通辽市热量计算与对比分析

内蒙古通辽市某煤矿为现代化井工矿，矿井自动化程度高，其生产规模约为120万t/a，矿井排风量约为200 m3/s，排风温度约为18 ℃，排风相对湿度约为95%。首先，由中国建筑热环境专用分析气象数据库，导出内蒙古通辽市典型气象年逐时参数，提取所需参数：时刻、干球温度(t)、实际水汽压(φPs)，总共有8 760 h的数据。其次，筛选出干球温度低于2 ℃时的数据，总共有3 413 h的数据。

3.1 年度热量计算与对比分析

计算井筒防冻年度总所需热量Qi为35 802.25 GJ。排风干球温度(t1)为18 ℃，T1=291.15 K，相对湿度φ1=95%，查焓湿表可得，含湿量d=12.3 g/kg，Ps1=2.064 3 kPa。4 ℃水的焓值为hw=17.41 kJ/kg，t2=10.35 ℃，Ps2=1.257 6 kPa。计算矿井排风提取热量Qj为57 484.35 GJ。供需差为矿井排风提取热量减去井筒防冻所需热量的差值，即ΔQ=21 682.10 GJ。

由上述计算结果可知，1年内矿井排风总提取热量足够供给井筒防冻所需热量，并多出约2.1×1010kJ的热量。根据现行行业标准，1 t标准煤产生29.26 GJ的能量，多余热量相当于741 t标准煤。除此之外，减少了(总所需热量)约1 223 t标准煤的燃烧。

3.2 月热量计算与对比分析

由于室外气象参数随着季节的变化，每月井筒进风空气的温度低于2 ℃的时间也不同。因此，通过计算每月内矿井排风提取热量与井筒防冻所需热量的月总量，验证矿井排风提取热量月总量是否能够满足井筒防冻所需热量。热量计算结果见表1。

表1 月份热量计算Tab.1 Heat calculation of a month

由表1可知，内蒙古通辽市1年内共有8个月矿井井筒进风温度低于2 ℃，且每个月内矿井排风提取热量月总量皆可满足井筒防冻所需热量月总量。随着1—12月大气温度先升高后降低，井筒防冻所需热量和矿井排风提取热量先减小后增大，与大气温度呈相反趋势。1—3月和9—11月，多余热量呈上升趋势，3—9月和11—12月，多余热量呈下降趋势。

3.3 最不利供需月逐日分析

为验证每日内矿井排风提取能量是否满足井筒防冻所需热量，将年总量改为日总量计算。其中，以最不利供需月1月份数据为例，绘制最不利供需月逐日热量如图1所示。

由图1可知，在1月份的11、12、13、17、18、23、25、29日共8 d，内蒙古通辽市某煤矿矿井排风提取热量不能满足井筒防冻所需热量。除上述日期，1月份每日内，每小时大气温度基本处于2 ℃以下。由于矿井排风内热湿能量的稳定性，矿井排风提取热量呈稳定趋势。总所需热量与多余热量呈相反趋势。因此，1月份有8 d需为井筒防冻额外供给热量。

对其他月份进行计算得出：12月份，有7 d矿井排风提取能量不能满足井筒防冻所需热量；剩余6个月，每日矿井排风提取热量皆可满足井筒防冻所需热量。因此，1年内内蒙古通辽市某煤矿有15 d仍需额外供给热量。

图1 最不利供需月逐日热量Fig.1 Most unfavorable supply and demand monthly calories

内蒙古通辽市位于东北地区，处于严寒地带。相对于内蒙古通辽市偏南的华北等地区，其大气温度高于通辽市，理论上，其矿井排风提取热量应足够供给井筒防冻所需热量。

3.4 最不利供需日逐时分析

由图1可知，13日内井筒防冻总所需热量为1月份最大值，大于矿井排风提取热量，根据13日内每小时内井筒防冻所需热量与矿井排风提取热量，绘制最不利供需日逐时热量如图2所示。

图2 最不利供需日热量逐时功率Fig.2 Most unfavorable supply and demand daily heat hourly power

由图2可知，每小时内矿井排风提取热量趋于稳定，井筒防冻所需热量与多余热量趋势相反。13日内，有6 h矿井排风提取热量满足井筒防冻所需热量。因此，为满足最不利供需日每小时内井筒防冻所需热量，需额外补充加热功率约为3 200 kW。

4 结论

以内蒙古通辽市某煤矿为例，通过计算井筒防冻所需热量与矿井排风提取热量，得出以下结论。

(1)通过年度总热量的对比得出，矿井排风提取热量足够供给井筒防冻所需热量。分析最不利供需月与最不利供需日发现，个别月内、个别日需额外供给热量。因此，矿井排风热量提取具有实用价值和巨大潜力。

(2)矿井排风热量提取功率约为4 700 kW，除个别日外，基本可满足井筒防冻所需热量。通过最不利供需日内逐时分析发现，需额外补充加热功率约为3 200 kW。

(3)矿井排风所提取热量，直接应用于本矿井的井筒防冻，其经济成本相对较低，且减少了大量的资源消耗。其中，内蒙古通辽市某煤矿1年可减少约1 223 t标准煤的燃烧。同时也减少了碳排放量，符合绿色经济的发展战略。