張 艷

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

近年來，低溫?zé)峁芗夹g(shù)在回風(fēng)余熱回收利用中取得了顯著成就，鮑玲玲[1]通過對傳熱傳質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，提出了下噴式熱濕交換單元的設(shè)計方法，該方法適用于回風(fēng)熱能回收系統(tǒng)，為工程實(shí)踐應(yīng)用提供了理論設(shè)計依據(jù)。李注江等[2]提出利用分離式和重力式熱管技術(shù)，將礦井回風(fēng)的低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)嵩磥頋M足井筒防凍等用途。佘軍[3]用ANSYS FLUENT中的耦合模型對礦井回風(fēng)換熱器夏季工況熱濕傳遞進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了一種流場較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，為優(yōu)化設(shè)計礦井回風(fēng)換熱器模型提供了理論依據(jù)。李亞楠[4]建立了熱管的三維實(shí)體簡化模型，利用FLUENT軟件對換熱器空氣流場的換熱效果進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了低溫?zé)峁軗Q熱器模型設(shè)計的合理性，內(nèi)部壓力損失較低，熱管換熱器換熱性能良好，能夠滿足熱能回收利用的要求。

由此可見，許多學(xué)者做了大量有關(guān)低溫?zé)峁軗Q熱器的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了將低溫?zé)峁芗夹g(shù)應(yīng)用在礦井回風(fēng)余熱回收利用的合理性，但其相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)例還很少。本文以陽煤集團(tuán)五礦花荷峪風(fēng)井回風(fēng)源余熱回收利用項(xiàng)目為例，對低溫?zé)峁芗夹g(shù)應(yīng)用在煤礦余熱回收方面進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，充分利用礦井的綠色可再生能源，符合國家建設(shè)綠色生態(tài)礦區(qū)的要求。

2 低溫?zé)峁芗夹g(shù)的基本原理

低溫?zé)峁苎b置類似于空氣—空氣換熱器，通過回收礦井回風(fēng)低溫余熱加熱進(jìn)風(fēng)，通過該技術(shù)將室外新風(fēng)加熱至2 ℃以上，滿足井口防凍熱負(fù)荷需求。低溫?zé)峁芗夹g(shù)需回收礦井回風(fēng)熱量，在擴(kuò)散塔出風(fēng)口處安裝屋頂式封閉結(jié)構(gòu)，將回風(fēng)通過風(fēng)道引入低溫?zé)峁苎b置中，通過低溫?zé)峁軗Q熱器加熱室外新風(fēng)，送入進(jìn)風(fēng)井。

由于低溫?zé)峁軗Q熱技術(shù)新增了礦井回風(fēng)風(fēng)道、室外新風(fēng)風(fēng)道、熱管換熱裝置等，原有系統(tǒng)通風(fēng)阻力將不同程度地加大(在原有基礎(chǔ)上增加風(fēng)阻5%左右)，故對于原有礦井改造項(xiàng)目需在回風(fēng)及新風(fēng)兩側(cè)、換熱裝置處設(shè)置不同數(shù)量的軸流風(fēng)機(jī)，用于平衡新增阻力。

本項(xiàng)目在回風(fēng)口封閉結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置了2個16 m2自由開啟活動門。系統(tǒng)啟動時，通過監(jiān)控系統(tǒng)及并聯(lián)風(fēng)機(jī)群測定換熱裝置處實(shí)際風(fēng)量，并以此來調(diào)節(jié)活動門的開啟寬度(見圖1，圖2)。

3 項(xiàng)目概況

花荷峪風(fēng)井場地位于山西省平定縣境內(nèi)冶西鎮(zhèn)花荷峪村，距離五礦工業(yè)場地約10 km。

風(fēng)井場地進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量8 883 m3/min；回風(fēng)井回風(fēng)量16 935 m3/min，溫度12 ℃，相對濕度80%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.2%。進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井相距100多米。

井筒保溫?zé)嶝?fù)荷約3 490.8 kW，考慮1.1熱損失系數(shù)后熱負(fù)荷約3 840 kW。花荷峪風(fēng)井場現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐1座，安裝有4臺ZRL-3.5/w燃煤熱風(fēng)爐，擔(dān)負(fù)井筒保溫，總供熱量為14 MW?？諝饨?jīng)熱風(fēng)爐加熱后通過熱風(fēng)道將熱風(fēng)送入進(jìn)風(fēng)井筒，與其余冷風(fēng)在井筒混合后達(dá)到2 ℃。

風(fēng)井場地采暖建筑物有主扇值班室、熱風(fēng)爐房、維護(hù)組值班室、辦公室，采暖面積合計為55 m2，采暖耗熱量按采暖體積耗熱量指標(biāo)估算，采暖熱負(fù)荷約為6.6 kW。風(fēng)井場地?zé)o洗浴設(shè)施，考慮管網(wǎng)熱損系數(shù)后熱負(fù)荷總計8.25 kW。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

4.1 熱平衡分析

1)井口防凍熱負(fù)荷。

風(fēng)井工業(yè)場地進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量約8 883 m3/min，井筒保溫?zé)嶝?fù)荷約3 490.5 kW，考慮1.1熱損失系數(shù)后熱負(fù)荷約3 840 kW。

井筒保溫耗熱量按下式計算：

Q=a·ρ·G·Cp·(2-tw)。

其中，Q為入井風(fēng)耗熱量，kW；a為富裕系數(shù)，取1.1；ρ為2 ℃時空氣的容重，ρ=1.284 kg/m3；G為入井進(jìn)風(fēng)量，m3/s；Cp為空氣的比熱容，取1.009 kJ/(kg·℃)；tw為空氣加熱前的室外計算溫度，取-16.2 ℃。

耗熱量：Q=1.284×148.05×1.009×(2+16.2)=3 490.8 kW。

考慮熱損失1.1，風(fēng)井場地的供熱負(fù)荷為:

1.1×3 490.8=3 840 kW。

2)回風(fēng)井余熱。

該風(fēng)井現(xiàn)有回風(fēng)量16 935 m3/min，礦井回風(fēng)溫度按12 ℃、相對濕度按80%考慮。采用低溫?zé)峁芗夹g(shù)回收礦井回風(fēng)余熱過程中必須要求回風(fēng)溫度大于0 ℃，如果回風(fēng)溫度低于0 ℃，可能會出現(xiàn)冷凝水結(jié)霜甚至結(jié)冰的現(xiàn)象。為安全起見，低溫?zé)峁芟到y(tǒng)設(shè)計一般可按3 ℃～4 ℃進(jìn)行分析。

Q=(h1d-h2d)×ρ×v=5 548.5 kW。

其中，h1d為冬季回風(fēng)溫度為12 ℃，相對濕度為80%時的焓；h2d為冬季回風(fēng)溫度為 3 ℃，相對濕度為95%時的焓；ρ為回風(fēng)平均空氣密度，為1.24 kg/m3；v為回風(fēng)量，16 935 m3/min。

計算可知，花荷峪風(fēng)井可回收的礦井回風(fēng)余熱資源：5 548.5 kW。

3)熱平衡分析。

采用低溫?zé)峁芗夹g(shù)回收礦井回風(fēng)低溫余熱資源，提供進(jìn)風(fēng)井井口防凍，針對該項(xiàng)目從熱平衡角度而言是完全可行的。進(jìn)一步分析表明：由于礦井回風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)，而且余熱資源也大于進(jìn)風(fēng)負(fù)荷，僅考慮80%的風(fēng)量即可滿足3 840 kW的負(fù)荷需求。

4.2 主要設(shè)備選型

該技術(shù)的核心設(shè)備是新型熱管換熱裝置，根據(jù)本項(xiàng)目的供熱負(fù)荷需求，配置了11套ZKJN-400型單元模塊。熱管換熱模塊在設(shè)計工況下額定換熱量400 kW，但本項(xiàng)目對應(yīng)回風(fēng)溫度偏低，在對應(yīng)換熱工況下單臺模塊換熱量約300 kW，熱管換熱模塊在本項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)條件下的額定換熱供熱量共計3 300 kW，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要配置電輔熱?？紤]風(fēng)井場地海拔較高，本方案最終配置800 kW電輔助設(shè)備，如此可完全滿足井口防凍熱負(fù)荷需求。

4.3 運(yùn)行費(fèi)用分析

4.3.1現(xiàn)有燃煤鍋爐運(yùn)行成本

花荷峪風(fēng)井場現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐1座，安裝有4臺ZRL-3.5/w燃煤熱風(fēng)爐，實(shí)際運(yùn)行臺數(shù)1臺～2臺，運(yùn)行時段：11月1日～3月31日。燃煤鍋爐房運(yùn)行成本：

1)燃煤費(fèi)用。年耗煤量為1.25×2×120×16=4 800 t，煤價暫按460元/t，燃煤費(fèi)為460×4 800÷10 000=220.8萬元。

2)電費(fèi)。年耗電量約為5.45×105kWh，電價按0.5元/kWh，電費(fèi)為5.45×105×0.5÷10 000=27.25萬元。

3)除塵脫硫費(fèi)。計232萬元。

4)維修費(fèi)：10萬元。

5)人工工資及其他計30萬元。

年運(yùn)行成本合計為220.8+27.25+232+10+30=520.05萬元。

4.3.2低溫?zé)峁芟到y(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計算

1)電費(fèi)。

為平衡風(fēng)阻需要，在回風(fēng)側(cè)、進(jìn)風(fēng)側(cè)各加裝11臺軸流風(fēng)機(jī)，所有風(fēng)機(jī)全部開啟最大耗功242 kW。風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)依監(jiān)控系統(tǒng)自行調(diào)整。實(shí)際上，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，回風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)全部可不予開啟，本方案按回風(fēng)側(cè)最大開啟功率、進(jìn)風(fēng)側(cè)開啟5臺分析。電輔熱設(shè)備為極端應(yīng)急補(bǔ)充，本方案按照整個供暖期開啟30 d、每天開啟12 h考慮。

風(fēng)機(jī)年耗電量約為242×120×24=69.696×104kWh；電輔熱年耗電量約為800×30×12=28.8×104kWh；電價按0.5元/kWh，電費(fèi)為98.50×104×0.5/10 000=49.25萬元。

2)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)。

低溫?zé)峁芟到y(tǒng)除風(fēng)機(jī)外沒有運(yùn)轉(zhuǎn)類部件，可做到真正意義上的無人值守，無需配備值班人員，僅需(兼職即可)定期對低溫?zé)峁軗Q熱器翅片灰塵進(jìn)行清洗(最多考慮3萬元即可)。

故年運(yùn)行成本合計為49.25+3=52.25萬元。

4.3.3燃煤鍋爐與低溫?zé)峁芟到y(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較

經(jīng)過計算可知，同樣的供熱負(fù)荷，選用燃煤鍋爐年運(yùn)行費(fèi)520.05萬元，選用低溫?zé)峁芟到y(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)僅52.25萬元，年運(yùn)行費(fèi)用比燃煤鍋爐節(jié)省467.8萬元，節(jié)省了89.95%。

5 結(jié)論

1)五礦花荷峪風(fēng)井采用低溫?zé)峁芗夹g(shù)替代燃煤鍋爐房供熱，每年可節(jié)省標(biāo)煤5 040 t，年減排顆粒物約1.02 t，NOx約6.90 t，SO2約6.90 t。區(qū)域環(huán)境空氣污染物大大減少。本項(xiàng)目運(yùn)行時無廢渣、廢液、廢氣產(chǎn)生。污染物零排放。無需新建任何污染物處理設(shè)施。2)燃煤鍋爐房對周邊環(huán)境的污染將被徹底根治，空氣質(zhì)量將會得到明顯改善，本廠職工和周邊群眾的健康程度都會得到明顯提高。3)本改造工程的實(shí)施將使五礦花荷峪風(fēng)井實(shí)現(xiàn)冬季井筒保溫的目標(biāo)，使設(shè)備和職工的工作環(huán)境得到保障。4)本改造工程的實(shí)施比現(xiàn)有鍋爐房每年節(jié)省運(yùn)行成本467.8萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，低溫?zé)峁芗夹g(shù)方案是風(fēng)井燃煤鍋爐房清潔能源改造的可行方案，是一項(xiàng)具有良好經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的環(huán)保工程，建議在有條件的礦區(qū)推廣使用。