楊 征,楊光耀,謝永利,王忠強(qiáng),李孝龍,趙廷江
(1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司,陜西 神木 719300;2.北京中礦博能節(jié)能科技有限公司,北京 100102)
我國(guó)煤礦資源豐富,燃煤鍋爐的大量使用,使得粉塵、PM10 及PM2.5 可吸入物、重金屬物質(zhì)大量排放,嚴(yán)重威脅著我們賴以的生存的水土和大氣環(huán)境,成為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸;除要付出較大的環(huán)境代價(jià)外,運(yùn)行操作人員的工作環(huán)境差,工作勞動(dòng)強(qiáng)度高,工人的身心健康也受到了嚴(yán)重影響。隨著節(jié)能環(huán)保力度的加大和節(jié)能減排觀念的深入,傳統(tǒng)的燃煤鍋爐供熱系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足煤礦的綠色低碳發(fā)展,尋找清潔能源代替燃煤鍋爐迫在眉睫。礦井乏風(fēng)余熱資源豐富,是熱泵取熱理想的低溫?zé)嵩?。礦井乏風(fēng)余熱回收利用技術(shù)是近幾年國(guó)內(nèi)新興的一項(xiàng)新技術(shù),經(jīng)歷了噴淋式換熱技術(shù)、熱管式換熱技術(shù)、直蒸式熱泵技術(shù)及直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)4 代技術(shù)的更新迭代。陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司認(rèn)真落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排環(huán)保政策,提出2#風(fēng)井場(chǎng)地采用清潔能源供熱,代替煤粉鍋爐供熱,解決場(chǎng)地內(nèi)的建筑采暖和井口防凍。
目前,熱泵系統(tǒng)作為一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)在礦井乏風(fēng)余熱利用領(lǐng)域已得到了一定程度的推廣,常見(jiàn)的乏風(fēng)熱泵換熱技術(shù)有:乏風(fēng)噴淋式換熱技術(shù)、礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)、礦井乏風(fēng)直蒸式熱泵技術(shù)和直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)。
部分礦井采用循環(huán)噴淋式熱泵技術(shù)回收礦井回風(fēng)低溫余熱[1-6]。循環(huán)噴淋,是在回風(fēng)井口布置淋水換熱器,向上運(yùn)動(dòng)的低溫回風(fēng)與噴淋而下的水滴逆向流動(dòng)換熱,逆向流動(dòng)過(guò)程中回風(fēng)的熱量首先傳遞至水中,換熱后的水儲(chǔ)存于地面設(shè)置的蓄水池,通過(guò)蓄水池中的潛水泵供至水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器吸收熱量,通過(guò)壓縮機(jī)做功,在冷凝器中放熱,加熱介質(zhì)水用于建筑末端和井口防凍供熱。乏風(fēng)噴淋式換熱原理如圖1。
圖1 乏風(fēng)噴淋式換熱原理Fig.1 Principle of exhaust air spray heat exchange
礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)原理[7-10]:熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成,管內(nèi)充有工作介質(zhì);管的一端為加熱段,另一端為冷卻段,中間布置有絕熱段。將熱管的加熱端放在礦井,在礦井的回風(fēng)井和進(jìn)風(fēng)井之間建乏風(fēng)換熱室,礦井乏風(fēng)通過(guò)換熱室后排放,新風(fēng)通過(guò)換熱室加熱后進(jìn)入進(jìn)風(fēng)機(jī),換熱室內(nèi)熱管的加熱端放在乏風(fēng)熱源側(cè),冷卻端放在新風(fēng)側(cè),熱管內(nèi)液體介質(zhì)會(huì)在吸熱后蒸發(fā)汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量并凝結(jié)成液體;如此反復(fù)循環(huán),乏風(fēng)中的熱量就由熱管的一端傳至另一端的新風(fēng)中。
直蒸式熱泵技術(shù)原理[11-12]:乏風(fēng)熱泵的核心由乏風(fēng)取熱箱和乏風(fēng)熱泵冷凝壓縮機(jī)組2 部分組成。其中乏風(fēng)取熱箱即乏風(fēng)熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器,乏風(fēng)熱泵冷凝壓縮機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥組成。其基本工作原理和流程是:乏風(fēng)取熱箱安裝在礦井回風(fēng)井上方的取熱平臺(tái),乏風(fēng)經(jīng)過(guò)乏風(fēng)取熱箱取熱后排放,乏風(fēng)熱泵機(jī)組的液態(tài)冷媒在乏風(fēng)取熱箱中蒸發(fā)吸熱,經(jīng)壓縮機(jī)做功后變成高溫高壓的氣體,再經(jīng)過(guò)冷凝器放熱后變成液態(tài),同時(shí)制備高溫?zé)崴?,液態(tài)冷媒經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入乏風(fēng)取熱箱,進(jìn)入下一個(gè)熱力循環(huán)。乏風(fēng)直蒸式換熱原理如圖2。
圖2 乏風(fēng)直蒸式換熱原理Fig.2 Principle of exhaust air direct steam heat transfer
直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵系統(tǒng),包括乏風(fēng)取熱箱、直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組和供熱管路。乏風(fēng)取熱箱安裝在礦井回風(fēng)井上方的乏風(fēng)取熱平臺(tái)上,通過(guò)防凍液管路與直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器連接,防凍液流經(jīng)乏風(fēng)取熱箱時(shí)吸收乏風(fēng)中的熱量,經(jīng)循環(huán)泵將防凍液輸送給直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器,通過(guò)直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)做功,制冷劑在直冷式乏風(fēng)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器與冷凝器之間進(jìn)行熱量的傳遞,制取高溫?zé)崴帷V崩涫綗岜脫Q熱原理如圖3。
圖3 直冷式熱泵換熱原理Fig.3 Heat transfer principle of direct cooling heat pump
1)乏風(fēng)噴淋式換熱技術(shù)可解決井口防凍、建筑采暖和洗浴熱水用熱需求。但存在以下問(wèn)題:回風(fēng)低于12 ℃時(shí)無(wú)法取熱或取熱量很少;回風(fēng)與淋水之間的熱濕交換效率低與補(bǔ)水損失過(guò)大;水體中煤石固體物質(zhì)與腐蝕性物質(zhì)循環(huán)堆積;對(duì)熱泵換熱器的使用壽命與熱泵機(jī)組可靠性有影響;對(duì)淋水換熱器關(guān)鍵部件“噴嘴”的堵塞與腐蝕;淋水換熱器影響煤礦通風(fēng)系統(tǒng)。
2)乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)僅可解決井口防凍用熱需求。但存在以下問(wèn)題:管道間壁煤塵臟堵,清洗困難,供熱能力?。唤Y(jié)霜、煤塵及瓦斯聚集,增加風(fēng)阻;須應(yīng)用于中央并列式通風(fēng)井等。
3)礦井乏風(fēng)直蒸式和直冷式熱泵技術(shù)可解決井口防凍、建筑采暖和洗浴熱水用熱需求。2 種技術(shù)均克服了原生態(tài)回風(fēng)中的煤石固體物質(zhì)對(duì)乏風(fēng)換熱器金屬表面沖刷及腐蝕問(wèn)題;解決了回風(fēng)中的油黏性物質(zhì)及其附生菌類物質(zhì)在乏風(fēng)換熱器表面念聚與滋生問(wèn)題;提供了換熱效率,同時(shí)保證了煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的安全。但直蒸式熱泵技術(shù)取熱后的溫度不能降至霜點(diǎn)以下,而直冷式熱泵技術(shù)不受該溫度影響,最低可取至-15 ℃。直冷式熱泵技術(shù)應(yīng)用面更廣。
陜西陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司位于陜西省榆林市神木縣大保當(dāng)鎮(zhèn),小保當(dāng)2#礦井設(shè)計(jì)規(guī)模13.00 Mt/a。冬季極端最低溫度平均值-23.9 ℃,最低溫度達(dá)-29 ℃。
改造范圍內(nèi)供熱需求主要有風(fēng)井場(chǎng)地井口防凍和建筑采暖用熱。場(chǎng)地范圍內(nèi)有礦井乏風(fēng)余熱資源,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選,確定采用直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù),替代原有燃煤鍋爐供熱。
小保當(dāng)2#風(fēng)井場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)量為18 000 m3/min。根據(jù)GB 50215—2015《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,進(jìn)風(fēng)井冬季要求防凍,其進(jìn)風(fēng)混合溫度要求大于2 ℃,室外溫度按歷年極端最低平均溫度計(jì)算,煤礦進(jìn)風(fēng)井加熱負(fù)荷按下式[13-14]計(jì)算:
式中:Q 為井筒防凍負(fù)荷,kW;G 為礦井進(jìn)風(fēng)量,m3/s;ρ 為空氣密度,kg/m3,取1.10 kg/m3(當(dāng)?shù)卮髿鈮合隆? ℃);Cp為空氣定壓比熱容,kJ/(kg·K),取1.01 kJ/(kg·K);△Th為冷、熱空氣混合后的溫度,℃,取2 ℃;△Tw為極端最低溫度平均值,℃,取-23.9 ℃;K 為富余系數(shù),取1.1。
經(jīng)計(jì)算,井口防凍負(fù)荷為11 366 kW,2#風(fēng)井場(chǎng)地建筑采暖負(fù)荷為1 038 kW,場(chǎng)地總負(fù)荷為12 404 kW,考慮5%的管網(wǎng)損失,總供熱負(fù)荷為13 024 kW。
經(jīng)過(guò)調(diào)研,小保當(dāng)2#風(fēng)井場(chǎng)地回風(fēng)立井回風(fēng)量24 000 m3/min,回風(fēng)溫度12 ℃,回風(fēng)相對(duì)濕度70%;乏風(fēng)余熱資源豐富,乏風(fēng)取熱后溫度降至-1 ℃,相對(duì)濕度95%排放,可利用余熱量按下式計(jì)算:
式中:Q′為乏風(fēng)余熱量,kW;G′為礦井回風(fēng)量,m3/s;ρ′為乏風(fēng)密度,kg/m3,取1.047 kg/m3;h1為乏風(fēng)取熱后焓值,kJ/kg,取30.05 kJ/kg;h2為乏風(fēng)取熱前焓值,kJ/kg,取8.854 kJ/kg。
經(jīng)計(jì)算,乏風(fēng)余熱量為8 878.56 kW,經(jīng)直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵機(jī)組后,供熱能力可達(dá)13 557.57 kW??梢詽M足2#風(fēng)井場(chǎng)地13 024 kW 的用熱需求。
根據(jù)礦井乏風(fēng)余熱技術(shù)路線分析以及風(fēng)井場(chǎng)地用戶用熱特點(diǎn),采用直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)制備高溫?zé)崴糜诰诜纼龊徒ㄖ膳?,選用6 臺(tái)單機(jī)制熱量為2 400 kW 的井口乏風(fēng)熱泵機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)制熱量為1 200 kW 的采暖乏風(fēng)熱泵機(jī)組,總供熱能力為15 600 kW。
采暖季時(shí)運(yùn)行6 臺(tái)單機(jī)供熱量2 400 kW 的井口乏風(fēng)熱泵機(jī)組,供熱能力為14 400 kW,滿足井口保溫防凍11 934 kW 的供熱需求;運(yùn)行1 臺(tái)單機(jī)供熱量1 200 kW 的采暖乏風(fēng)熱泵機(jī)組,滿足建筑采暖1 090 kW 的供熱需求。
1)井口防凍負(fù)荷。井口防凍負(fù)荷隨室外環(huán)境溫度變化,榆林地區(qū)冬季通風(fēng)計(jì)算設(shè)計(jì)溫度為-10 ℃,當(dāng)室外溫度為-10 ℃時(shí),井口防凍負(fù)荷為4 620 kW。井口防凍供熱全年平均負(fù)荷系數(shù)取38.7%。井口負(fù)荷變化表見(jiàn)表1。
表1 井口負(fù)荷變化表Table 1 Variation of wellhead load
2)建筑采暖負(fù)荷。建筑采暖負(fù)荷1 090 kW,該地區(qū)平均溫度≤+5 ℃期間內(nèi)的平均溫度為-3.9 ℃;建筑采暖供熱全年平均負(fù)荷系數(shù)取55.3%。則建筑采暖平均供熱負(fù)荷為603 kW。
3)全年平均總供熱負(fù)荷。全年平均總供熱負(fù)荷為5 223 kW。
4)乏風(fēng)余熱變化分析。隨乏風(fēng)取熱后溫度的不同,能效比COP 值不同,乏風(fēng)余熱供熱量也隨之變化,乏風(fēng)取熱后溫度達(dá)到5.4 ℃時(shí),乏風(fēng)供熱量為5 273.79 kW,滿足室外環(huán)境平均環(huán)境下的井口防凍負(fù)荷和建筑采暖負(fù)荷5 223 kW 的用熱需求。
5)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算。通過(guò)上述風(fēng)井場(chǎng)地的供熱負(fù)荷分析,建筑采暖負(fù)荷為1 090 kW,乏風(fēng)熱泵機(jī)組的平均能效取3.59,則平均耗電量為303.6 kW;井口負(fù)荷負(fù)荷為11 934 kW,乏風(fēng)熱泵機(jī)組平均能效取3.59,則平均耗電量為3 324 kW。項(xiàng)目每年運(yùn)行費(fèi)用為采暖季能耗費(fèi)用、非采暖季能耗費(fèi)用及其他費(fèi)用之和,共計(jì)339.26 萬(wàn)元。
直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)用于煤礦場(chǎng)地的建筑采暖和井口防凍供熱符合國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策導(dǎo)向,技術(shù)的實(shí)施有利于推動(dòng)清潔能源利用制造產(chǎn)業(yè)調(diào)整和行業(yè)振興。直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵供熱技術(shù)有力改善職工的工作環(huán)境,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。