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(lài)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(mǎn)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。

1 目前礦井乏風(fēng)余熱利用現(xiàn)狀

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)。

1.1 乏風(fēng)噴淋式換熱技術(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

1.2 礦井乏風(fēng)熱管式換熱技術(shù)

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。

1.3 礦井乏風(fēng)直蒸式熱泵技術(shù)

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

1.4 直冷式深焓取熱乏風(fēng)熱泵技術(shù)

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?。直冷式熱泵換熱原理如圖3。

圖3 直冷式熱泵換熱原理Fig.3 Heat transfer principle of direct cooling heat pump

1.5 4 種乏風(fēng)余熱利用技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

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，供熱能力小；結(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(lèi)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。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 礦井概況

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。

2.2 供熱負(fù)荷計(jì)算

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。

2.3 熱源分析

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。可以滿(mǎn)足2#風(fēng)井場(chǎng)地13 024 kW 的用熱需求。

2.4 技術(shù)路線

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(hù)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x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(mǎn)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(mǎn)足建筑采暖1 090 kW 的供熱需求。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

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(mǎn)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。

3 結(jié) 語(yǔ)

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。