直冷式深焓取热乏风热泵技术在小保当煤矿2#风井的应用

杨 征，杨光耀，谢永利，王忠强，李孝龙，赵廷江

（1.陕西小保当矿业有限公司，陕西 神木 719300；2.北京中矿博能节能科技有限公司，北京 100102）

我国煤矿资源丰富，燃煤锅炉的大量使用，使得粉尘、PM10 及PM2.5 可吸入物、重金属物质大量排放，严重威胁着我们赖以的生存的水土和大气环境，成为我国社会经济发展的主要瓶颈；除要付出较大的环境代价外，运行操作人员的工作环境差，工作劳动强度高，工人的身心健康也受到了严重影响。随着节能环保力度的加大和节能减排观念的深入，传统的燃煤锅炉供热系统已经不能满足煤矿的绿色低碳发展，寻找清洁能源代替燃煤锅炉迫在眉睫。矿井乏风余热资源丰富，是热泵取热理想的低温热源。矿井乏风余热回收利用技术是近几年国内新兴的一项新技术，经历了喷淋式换热技术、热管式换热技术、直蒸式热泵技术及直冷式深焓取热乏风热泵技术4 代技术的更新迭代。陕西小保当矿业有限公司认真落实国家节能减排环保政策，提出2#风井场地采用清洁能源供热，代替煤粉锅炉供热，解决场地内的建筑采暖和井口防冻。

1 目前矿井乏风余热利用现状

目前，热泵系统作为一项节能技术在矿井乏风余热利用领域已得到了一定程度的推广，常见的乏风热泵换热技术有：乏风喷淋式换热技术、矿井乏风热管式换热技术、矿井乏风直蒸式热泵技术和直冷式深焓取热乏风热泵技术。

1.1 乏风喷淋式换热技术

部分矿井采用循环喷淋式热泵技术回收矿井回风低温余热[1-6]。循环喷淋，是在回风井口布置淋水换热器，向上运动的低温回风与喷淋而下的水滴逆向流动换热，逆向流动过程中回风的热量首先传递至水中，换热后的水储存于地面设置的蓄水池，通过蓄水池中的潜水泵供至水源热泵机组的蒸发器吸收热量，通过压缩机做功，在冷凝器中放热，加热介质水用于建筑末端和井口防冻供热。乏风喷淋式换热原理如图1。

图1 乏风喷淋式换热原理Fig.1 Principle of exhaust air spray heat exchange

1.2 矿井乏风热管式换热技术

矿井乏风热管式换热技术原理[7-10]：热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成，管内充有工作介质；管的一端为加热段，另一端为冷却段，中间布置有绝热段。将热管的加热端放在矿井，在矿井的回风井和进风井之间建乏风换热室，矿井乏风通过换热室后排放，新风通过换热室加热后进入进风机，换热室内热管的加热端放在乏风热源侧，冷却端放在新风侧，热管内液体介质会在吸热后蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量并凝结成液体；如此反复循环，乏风中的热量就由热管的一端传至另一端的新风中。

1.3 矿井乏风直蒸式热泵技术

直蒸式热泵技术原理[11-12]：乏风热泵的核心由乏风取热箱和乏风热泵冷凝压缩机组2 部分组成。其中乏风取热箱即乏风热泵系统的蒸发器，乏风热泵冷凝压缩机组由压缩机、冷凝器和膨胀阀组成。其基本工作原理和流程是：乏风取热箱安装在矿井回风井上方的取热平台，乏风经过乏风取热箱取热后排放，乏风热泵机组的液态冷媒在乏风取热箱中蒸发吸热，经压缩机做功后变成高温高压的气体，再经过冷凝器放热后变成液态，同时制备高温热水，液态冷媒经膨胀阀后进入乏风取热箱，进入下一个热力循环。乏风直蒸式换热原理如图2。

图2 乏风直蒸式换热原理Fig.2 Principle of exhaust air direct steam heat transfer

1.4 直冷式深焓取热乏风热泵技术

直冷式深焓取热乏风热泵系统，包括乏风取热箱、直冷式乏风热泵机组和供热管路。乏风取热箱安装在矿井回风井上方的乏风取热平台上，通过防冻液管路与直冷式乏风热泵机组的蒸发器连接，防冻液流经乏风取热箱时吸收乏风中的热量，经循环泵将防冻液输送给直冷式乏风热泵机组的蒸发器，通过直冷式乏风热泵机组的压缩机做功，制冷剂在直冷式乏风热泵机组的蒸发器与冷凝器之间进行热量的传递，制取高温热水供热。直冷式热泵换热原理如图3。

图3 直冷式热泵换热原理Fig.3 Heat transfer principle of direct cooling heat pump

1.5 4 种乏风余热利用技术特点对比

1）乏风喷淋式换热技术可解决井口防冻、建筑采暖和洗浴热水用热需求。但存在以下问题：回风低于12 ℃时无法取热或取热量很少；回风与淋水之间的热湿交换效率低与补水损失过大；水体中煤石固体物质与腐蚀性物质循环堆积；对热泵换热器的使用寿命与热泵机组可靠性有影响；对淋水换热器关键部件“喷嘴”的堵塞与腐蚀；淋水换热器影响煤矿通风系统。

2）乏风热管式换热技术仅可解决井口防冻用热需求。但存在以下问题：管道间壁煤尘脏堵，清洗困难，供热能力小；结霜、煤尘及瓦斯聚集，增加风阻；须应用于中央并列式通风井等。

3）矿井乏风直蒸式和直冷式热泵技术可解决井口防冻、建筑采暖和洗浴热水用热需求。2 种技术均克服了原生态回风中的煤石固体物质对乏风换热器金属表面冲刷及腐蚀问题；解决了回风中的油黏性物质及其附生菌类物质在乏风换热器表面念聚与滋生问题；提供了换热效率，同时保证了煤矿通风系统的安全。但直蒸式热泵技术取热后的温度不能降至霜点以下，而直冷式热泵技术不受该温度影响，最低可取至-15 ℃。直冷式热泵技术应用面更广。

2 现场应用

2.1 矿井概况

陕西陕西小保当矿业有限公司位于陕西省榆林市神木县大保当镇，小保当2#矿井设计规模13.00 Mt/a。冬季极端最低温度平均值-23.9 ℃，最低温度达-29 ℃。

改造范围内供热需求主要有风井场地井口防冻和建筑采暖用热。场地范围内有矿井乏风余热资源，经技术经济性比选，确定采用直冷式深焓取热乏风热泵供热技术，替代原有燃煤锅炉供热。

2.2 供热负荷计算

小保当2#风井场地进风立井进风量为18 000 m3/min。根据GB 50215—2015《煤炭工业矿井设计规范》的要求，进风井冬季要求防冻，其进风混合温度要求大于2 ℃，室外温度按历年极端最低平均温度计算，煤矿进风井加热负荷按下式[13-14]计算：

式中：Q 为井筒防冻负荷，kW；G 为矿井进风量，m3/s；ρ 为空气密度，kg/m3，取1.10 kg/m3（当地大气压下、2 ℃）；Cp为空气定压比热容，kJ/（kg·K），取1.01 kJ/（kg·K）；△Th为冷、热空气混合后的温度，℃，取2 ℃；△Tw为极端最低温度平均值，℃，取-23.9 ℃；K 为富余系数，取1.1。

经计算，井口防冻负荷为11 366 kW，2#风井场地建筑采暖负荷为1 038 kW，场地总负荷为12 404 kW，考虑5%的管网损失，总供热负荷为13 024 kW。

2.3 热源分析

经过调研，小保当2#风井场地回风立井回风量24 000 m3/min，回风温度12 ℃，回风相对湿度70%；乏风余热资源丰富，乏风取热后温度降至-1 ℃，相对湿度95%排放，可利用余热量按下式计算：

式中：Q′为乏风余热量，kW；G′为矿井回风量，m3/s；ρ′为乏风密度，kg/m3，取1.047 kg/m3；h1为乏风取热后焓值，kJ/kg，取30.05 kJ/kg；h2为乏风取热前焓值，kJ/kg，取8.854 kJ/kg。

经计算，乏风余热量为8 878.56 kW，经直冷式深焓取热乏风热泵机组后，供热能力可达13 557.57 kW。可以满足2#风井场地13 024 kW 的用热需求。

2.4 技术路线

根据矿井乏风余热技术路线分析以及风井场地用户用热特点，采用直冷式深焓取热乏风热泵技术制备高温热水用于井口防冻和建筑采暖，选用6 台单机制热量为2 400 kW 的井口乏风热泵机组和1台单机制热量为1 200 kW 的采暖乏风热泵机组，总供热能力为15 600 kW。

采暖季时运行6 台单机供热量2 400 kW 的井口乏风热泵机组，供热能力为14 400 kW，满足井口保温防冻11 934 kW 的供热需求；运行1 台单机供热量1 200 kW 的采暖乏风热泵机组，满足建筑采暖1 090 kW 的供热需求。

2.5 经济性分析

1）井口防冻负荷。井口防冻负荷随室外环境温度变化，榆林地区冬季通风计算设计温度为-10 ℃，当室外温度为-10 ℃时，井口防冻负荷为4 620 kW。井口防冻供热全年平均负荷系数取38.7%。井口负荷变化表见表1。

表1 井口负荷变化表Table 1 Variation of wellhead load

2）建筑采暖负荷。建筑采暖负荷1 090 kW，该地区平均温度≤+5 ℃期间内的平均温度为-3.9 ℃；建筑采暖供热全年平均负荷系数取55.3%。则建筑采暖平均供热负荷为603 kW。

3）全年平均总供热负荷。全年平均总供热负荷为5 223 kW。

4）乏风余热变化分析。随乏风取热后温度的不同，能效比COP 值不同，乏风余热供热量也随之变化，乏风取热后温度达到5.4 ℃时，乏风供热量为5 273.79 kW，满足室外环境平均环境下的井口防冻负荷和建筑采暖负荷5 223 kW 的用热需求。

5）运行费用计算。通过上述风井场地的供热负荷分析，建筑采暖负荷为1 090 kW，乏风热泵机组的平均能效取3.59，则平均耗电量为303.6 kW；井口负荷负荷为11 934 kW，乏风热泵机组平均能效取3.59，则平均耗电量为3 324 kW。项目每年运行费用为采暖季能耗费用、非采暖季能耗费用及其他费用之和，共计339.26 万元。

3 结 语

直冷式深焓取热乏风热泵供热技术用于煤矿场地的建筑采暖和井口防冻供热符合国家战略性新兴产业发展政策导向，技术的实施有利于推动清洁能源利用制造产业调整和行业振兴。直冷式深焓取热乏风热泵供热技术有力改善职工的工作环境，具有良好的经济效益和显著的社会效益。