曹 龍

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719319)

0 引言

煤礦作為煤炭生產(chǎn)的主體，是能源的生產(chǎn)者又是直接的消費(fèi)者。礦井在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的空壓機(jī)余熱、地下水余熱、回風(fēng)余熱等低品位余熱資源通常不被重視，該部分資源雖然能量品位低，但體量巨大[1]。挖掘和利用在生產(chǎn)消費(fèi)過程中派生的清潔能源可以為礦區(qū)提供非生產(chǎn)性服務(wù)，從而減少煤炭的直接使用。煤礦企業(yè)礦井回風(fēng)、井下涌水、空壓機(jī)運(yùn)行等余熱通過熱泵技術(shù)的再利用已經(jīng)成為大型煤礦企業(yè)勢(shì)在必行的研究方向。

1 空壓機(jī)余熱回收技術(shù)

1.1 空壓機(jī)運(yùn)行熱量分布

空氣壓縮機(jī)是一種通過電能驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)，通過機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)將常壓空氣壓縮為高壓空氣的裝置。煤礦所用空壓機(jī)是將正常大氣壓的空氣壓縮為較高壓力的空氣，輸送至井下，作為生產(chǎn)動(dòng)力及出現(xiàn)災(zāi)害后作業(yè)人員呼吸來源使用。空壓機(jī)是將輸入的電能轉(zhuǎn)換為兩部分能量，一是空氣壓縮所得到的機(jī)械勢(shì)能(單臺(tái)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)輸出工況可達(dá)65%～70%)，由于煤礦壓縮空氣用量不連續(xù)、不穩(wěn)定、空壓機(jī)輸入的電能轉(zhuǎn)換空氣壓縮所得到的機(jī)械勢(shì)能實(shí)踐證明只有35%～30%；二是為維持壓縮空氣壓力狀況與合理的排氣溫度，壓縮機(jī)需保持高速旋轉(zhuǎn)，空壓機(jī)輸入的電能大部分成為摩擦消耗轉(zhuǎn)換成熱能(占輸入電能的65%～70%)?？諝鈮嚎s機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生大量的熱能無法排放，對(duì)設(shè)備壽命造成一定的影響。如圖1所示，在空壓機(jī)的運(yùn)行過程中，所產(chǎn)生的6%～8%的熱量隨壓縮空氣排至井下，90%的熱量隨冷卻油的降溫，排至外界大氣環(huán)境。這些熱能都由于機(jī)器運(yùn)行溫度的需求，被無端地排放，造成熱源浪費(fèi)。

圖1 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行熱量分布Fig.1 Heat distribution during operation of air compressor

1.2 空壓機(jī)余熱回收技術(shù)工作原理

一般情況下，空壓機(jī)余熱回收裝置的運(yùn)行分為啟動(dòng)、工作、停止3種狀態(tài)，系統(tǒng)如圖2所示。當(dāng)空壓機(jī)余熱回收裝置處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，空壓機(jī)冷卻油溫過低，冷卻油通往換熱器的閥門自動(dòng)關(guān)閉，冷卻油在空壓機(jī)本體內(nèi)循環(huán)。通過與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行交換，熱量逐漸轉(zhuǎn)化至冷卻油中，起到設(shè)備冷卻的目的。當(dāng)空壓機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，冷卻油溫升高至設(shè)定值，旁通閥自動(dòng)打開。高溫的冷卻油和裝置內(nèi)的循環(huán)水發(fā)生熱交換，完成了油溫降低、循環(huán)水溫升高的目的。當(dāng)冷卻油溫降低至設(shè)定值時(shí)，旁通閥又自動(dòng)關(guān)閉，重新開始空壓機(jī)冷卻的過程。當(dāng)循環(huán)熱水溫度達(dá)到設(shè)定值，暫不需要吸收熱量時(shí)，旁通閥自動(dòng)關(guān)閉，冷卻油繼續(xù)在空壓機(jī)內(nèi)循環(huán)，余熱回收裝置處于停止?fàn)顟B(tài)，不影響空壓機(jī)的正常運(yùn)行。

圖2 空氣壓縮機(jī)余熱回收技術(shù)系統(tǒng)Fig.2 Waste heat recovery technology system of air compressor

1.3 余熱回收技術(shù)對(duì)空壓機(jī)運(yùn)行的影響分析

空壓機(jī)余熱回收裝置的熱能來自空壓機(jī)的冷卻油熱量。根據(jù)圖2可知，換熱器只是串聯(lián)在空壓機(jī)的油路中。裝置可以通過設(shè)定冷卻油溫、循環(huán)水溫控制旁通閥門的開閉。即使余熱回收裝置不工作，空壓機(jī)的冷卻油在本體內(nèi)循環(huán)，依然能夠保證空壓機(jī)的正常運(yùn)行。一般空壓機(jī)的產(chǎn)氣量跟機(jī)組運(yùn)行的溫度在一定范圍內(nèi)成反比，這是根據(jù)空壓機(jī)的工作原理所決定的。以螺桿式空壓機(jī)為例，溫度每上升10 ℃，產(chǎn)氣量就會(huì)下降5%～8%。實(shí)際使用中，經(jīng)常還會(huì)因?yàn)閴嚎s機(jī)的溫度過高而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。因余熱回收技術(shù)是將空壓機(jī)的冷卻油溫度降低，間接降低壓縮機(jī)溫度，繼而提高產(chǎn)氣量，減少設(shè)備因溫度過高而停機(jī)的可能。因余熱回收裝置可間接降低空壓機(jī)溫度，使空壓機(jī)長期處于正常溫度運(yùn)行狀態(tài)?？纱蟠笤黾涌諌簷C(jī)配件的使用壽命，節(jié)約配件的更換成本。同時(shí)，由于冷卻油溫長期處于正常溫度范圍，碳化概率將大大降低，從而增加了空壓機(jī)的使用壽命。

2 熱泵技術(shù)的原理與節(jié)能分析

2.1 熱泵技術(shù)的主要原理

熱泵技術(shù)是一種高效節(jié)能技術(shù)，主要是利用高位能將熱量從低位熱源中提取，又將提取的該部分熱能重新用于高位熱源后使用[2]。即熱泵就是根據(jù)普通泵的原理，將可直接利用的低熱源(如空氣、土壤、水中所含的熱能)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能(煤、石油、天然氣等)的目的[3]。該技術(shù)的特點(diǎn)明顯，一是自身是需要消耗高位能來提供機(jī)組運(yùn)行所需的能量，使機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)；二是通過機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)把大量低熱源中的熱能輸送至高品位，供目標(biāo)用戶使用。如此，目標(biāo)用戶將得到機(jī)組本身消耗的高位能和運(yùn)行吸取的低位能。因此，熱泵技術(shù)首先不存在熱量的浪費(fèi)，其次消耗少量的高品位能來換取3倍甚至更高的熱能。所以，熱泵技術(shù)是一種高效節(jié)能的供熱技術(shù)[4]。

2.2 熱泵技術(shù)的節(jié)能原理分析

根據(jù)卡諾循環(huán)原理，在理想狀態(tài)下熱泵的工況循環(huán)是圖3所示的逆卡諾循環(huán)溫熵圖。依圖可知，工質(zhì)在高溫?zé)嵩?T)和低溫?zé)嵩?T0)間進(jìn)行循環(huán)。

圖3 逆卡諾循環(huán)溫熵Fig.3 Temperature entropy of inverse Carnot Cycle

熱泵的熱力經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)一般由性能系數(shù)COP來表示

(1)

式中，Q為熱泵向高溫?zé)嵩摧敵龅哪芰?，kW；W為向系統(tǒng)輸入的有用功，kW。

當(dāng)熱泵處于制冷狀態(tài)時(shí)，性能系數(shù)為

(2)

式中，QC為熱泵從低溫?zé)嵩次盏臒崃?，kW。

當(dāng)熱泵處于制熱循環(huán)的狀態(tài)，性能系數(shù)則為

(3)

式(3)中，由于QC/W>0，熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)COP總大于1，輸出能量恒大于輸入的能量，節(jié)能優(yōu)勢(shì)顯而易見(日常生活中，電取暖的能量利用率一般接近1，一次化石能源取暖利用率則遠(yuǎn)小于1)。

換種思路，從數(shù)學(xué)角度分析熱源的溫度對(duì)COP的影響。根據(jù)逆卡諾循環(huán)溫熵圖(圖3)，COP計(jì)算公式可以寫作

(4)

式(4)兩邊對(duì)T0求導(dǎo)得

(5)

式(4)兩邊對(duì)T求導(dǎo)得

(6)

礦井熱源一般是穩(wěn)定的熱源，因其井下排水、回風(fēng)等均來自恒溫地?zé)幔饨缭绞呛?，其與大氣溫差就越高。熱泵在制熱工況運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于提高了低溫?zé)嵩礈囟龋瑥亩岣吡讼到y(tǒng)的COP值。無論在何種工況下運(yùn)行，COP都提高了，充分說明了熱泵機(jī)組的高效節(jié)能性。

3 礦井涌水余熱回收技術(shù)

3.1 水源熱泵技術(shù)原理分析

水源熱泵技術(shù)是采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入將水中的低位熱能資源吸收并轉(zhuǎn)化至高位熱能用戶，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)[6]。在煤礦方面，則是利用礦井水作為熱源，結(jié)合熱泵技術(shù)提取熱量，用于場區(qū)建筑采暖、洗浴用熱等。其具體工作原理如圖4所示。

圖4 礦井水源熱泵供熱原理示意Fig.4 Heating principle of mine water source heat pump

在礦井水源熱泵工作時(shí)，首先，壓縮機(jī)產(chǎn)生的制冷劑氣體具有高溫高壓特性，氣體進(jìn)入冷凝器釋放熱量變成高壓液體，釋放的熱量對(duì)熱水供水進(jìn)行加熱。其次，冷凝后的制冷劑又被膨脹閥處理成低溫低壓液體后進(jìn)入蒸發(fā)器。進(jìn)入蒸發(fā)器的低溫低壓液體制冷劑吸收水源中的熱量形成低壓蒸汽。最后，低壓制冷劑蒸汽又被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，繼續(xù)進(jìn)入冷凝器液化釋放熱量，用于加熱熱水供水。整個(gè)過程形成一個(gè)完整的循環(huán)系統(tǒng)。針對(duì)煤礦行業(yè)，水源熱泵系統(tǒng)的供熱源主要是地下存水[7]。與空調(diào)原理不同的是，水的比熱容要比空氣高出很多。所以，水源熱泵的系統(tǒng)性能系數(shù)COP要比空氣源熱泵更高更穩(wěn)定。同時(shí)，因各地的地質(zhì)條件和外界環(huán)境的不同，地下水質(zhì)的硬度有很大差異。其中原水硬度對(duì)于設(shè)備的影響不可忽視。解決換熱器的結(jié)垢、堵塞是目前水源熱泵所面臨的主要問題[8]。開發(fā)換熱效率高、容水流量大、水流速度小、能夠定期除垢的換熱技術(shù)，是水源熱泵技術(shù)未來發(fā)展的關(guān)鍵突破點(diǎn)。

3.2 礦井水源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)分析

礦井水源熱泵技術(shù)是利用礦井水作為熱源對(duì)其熱量進(jìn)行提取。礦井水常年保持水溫恒定，系統(tǒng)利用熱泵機(jī)組把礦井水中的低位熱能提取出來，轉(zhuǎn)化為礦區(qū)生產(chǎn)、生活等采暖所能夠利用的高位熱能，是一次能源完美的替代品。同時(shí)，因其只是進(jìn)行純粹的熱交換，不存在對(duì)水體污染的問題，更加環(huán)保[9]。冬季礦井水溫度一般在14～20 ℃，遠(yuǎn)高于室外的零下環(huán)境溫度。這等同于提高了上述逆卡諾循環(huán)中的低溫?zé)嵩礈囟龋簿吞岣吡嗽O(shè)備的能效比。所以，水源熱泵系統(tǒng)比一般的熱泵系統(tǒng)更加高效節(jié)能。因礦井水溫、水量常年保持恒定，即使出現(xiàn)波動(dòng)，也不會(huì)太大，是非常理想的穩(wěn)定熱源。

4 礦井回風(fēng)余熱回收技術(shù)

4.1 礦井回風(fēng)熱來源

井工煤礦因地下開采的原因，本身具有豐富的地?zé)豳Y源。在煤礦生產(chǎn)過程中需要輸入源源不斷的新鮮風(fēng)流，以改善井下環(huán)境溫度及空氣質(zhì)量。輸入井下的新鮮風(fēng)流通過與井下巷道、設(shè)備、涌水等進(jìn)行熱交換，最終排出的風(fēng)溫與井下環(huán)境溫度相似。一般來說，采煤深度每向下30 m溫度增加1 ℃[10]。另一方面，井下各類設(shè)備散熱、涌水散熱等均進(jìn)入礦井回風(fēng)環(huán)境中，這部分熱量均屬于穩(wěn)定熱源。所以，礦井回風(fēng)熱資源具有熱源穩(wěn)定、溫度恒定的特點(diǎn)。目前市場上最常見的回風(fēng)余熱收集技術(shù)主要有直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)、直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)2類。下面具體論述以下2種回風(fēng)余熱收集技術(shù)的主要原理及性能分析。

4.2 直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)

4.2.1 技術(shù)原理

直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理如圖5所示。在風(fēng)機(jī)排風(fēng)口處建設(shè)一座乏風(fēng)換熱室，換熱室側(cè)面布置乏風(fēng)換熱箱，在乏風(fēng)換熱箱中完成低溫低壓制冷劑液體的蒸發(fā)吸熱過程，提取乏風(fēng)中的熱量。液態(tài)制冷劑吸熱后變?yōu)闅鈶B(tài)，進(jìn)入壓縮機(jī)后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高溫高壓狀態(tài)。高溫高壓氣態(tài)制冷劑在水換熱器中與冷水發(fā)生熱交換發(fā)熱后冷凝為液態(tài)，經(jīng)膨脹減壓閥再次降壓后進(jìn)入乏風(fēng)換熱箱。水換熱器中冷水吸熱變?yōu)闊崴┖罄m(xù)用戶供熱[11]。如此往復(fù)循環(huán)，完成整個(gè)換熱過程。

圖5 直蒸淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理示意Fig.5 Technical principle of direct steam shallow enthalpy heat extraction exhaust air heat pump

4.2.2 優(yōu)點(diǎn)及存在的問題

直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)的系統(tǒng)簡單，主要由乏風(fēng)換熱箱和熱泵機(jī)組2部分組成，運(yùn)行可靠性高；不存在熱水循環(huán)過程，耗能設(shè)備少，綜合能效高；乏風(fēng)取熱量較大，乏風(fēng)溫度可取至0 ℃。然而，系統(tǒng)靠壓縮機(jī)提供取熱側(cè)循環(huán)動(dòng)力，取熱箱與熱泵機(jī)組之間的距離要求不宜過遠(yuǎn)，該技術(shù)對(duì)現(xiàn)場場地狀況要求較高；取熱箱與熱泵機(jī)組之間高差不宜太大，系統(tǒng)的布置對(duì)現(xiàn)場場地同樣有要求；存在乏風(fēng)取至霜點(diǎn)以下除霜問題，實(shí)現(xiàn)雙級(jí)取熱難度較大；取熱量大時(shí)，要求增加機(jī)組數(shù)量，從而增加各自機(jī)組的制冷劑循環(huán)管網(wǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)繁雜，無形中增加了運(yùn)行維護(hù)成本。

4.3 直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)

4.3.1 技術(shù)原理

直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)是對(duì)直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在完成一個(gè)取熱循環(huán)的基礎(chǔ)上，采用雙級(jí)深焓取熱技術(shù)，乏風(fēng)取熱后溫度可低至-15 ℃，相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)取熱量提高2倍以上。如圖6所示，系統(tǒng)設(shè)置乏風(fēng)取熱室，取熱室內(nèi)設(shè)置乏風(fēng)取熱箱，通過防凍液管路將乏風(fēng)取熱箱和熱泵機(jī)組連通。防凍液在取熱箱中吸收井下排風(fēng)熱量，流經(jīng)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器時(shí)將吸收的熱量轉(zhuǎn)移至機(jī)組中的制冷劑，與下一級(jí)用戶熱水進(jìn)行換熱，每一個(gè)熱交換系統(tǒng)都屬于單獨(dú)的閉式循環(huán)系統(tǒng)[12]。系統(tǒng)簡單，取熱效率高。同時(shí)，取熱箱與機(jī)組之間距離和高差不受限制，機(jī)房位置更具靈活性。采用的無縫滾動(dòng)除霜技術(shù)解決了乏風(fēng)溫度取至冰點(diǎn)以下時(shí)的系統(tǒng)結(jié)霜問題。

4.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)增加了工質(zhì)循環(huán)泵對(duì)防凍液進(jìn)行循環(huán)，取熱箱與機(jī)組之間距離和高差不受限制，機(jī)房位置更具靈活性，減少工程改造難度。每一個(gè)熱交換系統(tǒng)都屬于單獨(dú)的閉式循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑、防凍液污染小，延長機(jī)組使用壽命，增加了系統(tǒng)的可靠性。多組乏風(fēng)取熱機(jī)組，換熱效率高，取熱焓差大。增加了清洗系統(tǒng)，通過取熱器前后壓差自動(dòng)控制清洗頻次，保證了清洗的周期性和穩(wěn)定性，延長了取熱器壽命。“主動(dòng)給液”與“油氣分離”技術(shù)，解決熱泵熱力系統(tǒng)的配液與回油問題，提升了熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效；循環(huán)水供熱溫度較傳統(tǒng)技術(shù)高，最高可達(dá)80 ℃。

圖6 直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)原理示意Fig.6 Technical principle of direct cooling deep enthalpy heat extraction exhaust air heat pump

5 結(jié)論

(1)闡述了空壓機(jī)余熱利用過程中熱回收裝置的工作原理及對(duì)空壓機(jī)的影響，得出了因回收裝置能夠降低空壓機(jī)冷卻油溫而對(duì)空壓機(jī)的正常使用起到積極作用的結(jié)論。

(2)以卡諾循環(huán)原理為基礎(chǔ)，論述了熱泵技術(shù)的節(jié)能原理，得出了無論在何種工況下運(yùn)行，礦井水源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)COP都有所提高，熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。

(3)對(duì)直蒸式淺焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)、直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)做了詳細(xì)對(duì)比，進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析。得出了因直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)采用了雙級(jí)深焓取熱技術(shù)的原因，在乏風(fēng)取熱后溫度可低至-15 ℃，相對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)取熱量提高2倍以上，具有換熱效率高，取熱焓差大、取熱器表層積塵少、長期運(yùn)行可靠、循環(huán)水溫度高等特點(diǎn)。

(4)整體來說，利用熱泵原理對(duì)煤礦余熱資源進(jìn)行回收利用是高效、環(huán)保、可行的。從環(huán)保運(yùn)行角度，以建設(shè)低碳礦區(qū)為目標(biāo)，煤礦企業(yè)礦井回風(fēng)、井下涌水、空壓機(jī)運(yùn)行等余熱通過熱泵技術(shù)的再利用已經(jīng)成為大型煤礦企業(yè)勢(shì)在必行的研究方向。