白延斌，霍海紅，楊立中，呂向陽，張曉南

(1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；2.北京中礦賽力貝特節(jié)能科技有限公司，北京 100083)

0 引 言

煤炭是我國的主體能源和重要原料，從1949年至今累計生產煤量達960 億噸以上，為國家經濟發(fā)展提供了70%以上的能源，支撐國內生產總值年均增長9%以上[1]。作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國積極做出“30·60”雙碳目標承諾。由于我國以煤為主的能源稟賦現狀，在保障能源安全的基礎上，降低煤炭消費總量及其消費過程中的碳排放強度是實現“雙碳”目標的必然選擇[2-3]。

在煤礦生產運營中，供熱、制冷、井口防凍和全年洗浴負荷巨大，自建的小規(guī)模燃煤鍋爐房造成二氧化碳排放問題相當嚴重，因此礦井急需尋求低碳環(huán)保的供熱技術路徑，從而徹底解決自身面臨的環(huán)保壓力并承擔起企業(yè)的社會責任。暖通空調行業(yè)在為煤炭企業(yè)服務過程中，始終需要將綠色生產、節(jié)能提效、清潔利用、生態(tài)環(huán)保理念貫穿始終，將暖通空調工業(yè)發(fā)展為安全高效、清潔低碳的先進產業(yè)。

文獻[4-6]對比分析了煤炭行業(yè)熱源選擇與可再生能源利用，得出余熱資源利用是未來煤礦供熱熱源選擇的主導方向。杜春濤針對礦井回風噴淋換熱器氣液兩相流進行了仿真與實驗研究[7]，鮑玲玲對礦井回風熱能回收熱濕傳遞進行了研究[8]，張培鵬針對煤礦熱回收系統的經濟性進行了對比分析，認為煤礦熱回收系統為礦井節(jié)省了經濟支出[9]。蘇偉介紹了口孜東礦關于噴淋換熱系統的設計流程及其系統組成方式[10]。呂向陽等基于低溫熱管換熱技術，研發(fā)了回收礦井回風余熱資源的換熱裝置，并應用在陽煤集團一礦吳家掌風井[11]。文獻[12-14]在回風余熱利用系統中申請了熱管工藝、熱管裝置、熱管系統及熱管控制系統等專用熱管專利。

利用礦井余熱資源的方式較多，多偏重某種技術在某礦的實際應用或單純熱質交換機理的分析。但對整體煤炭行業(yè)熱源的發(fā)展過程與不同技術的對比分析較少，本文結合某礦井實際熱源的改造，提出低碳技術實現路線。

1 傳統鍋爐建設

1.1 建設內容

相關政策規(guī)定，若要新建鍋爐房作為對現有熱源改造，則必須建設20 t/h以上的鍋爐房，部分地區(qū)則需要建設35 t/h及以上的鍋爐房才可以獲得批復文件。新建鍋爐房還需要配套建設水處理系統、換熱系統、除塵系統、脫硫系統及脫硝系統等。所以鍋爐系統建設內容眾多、系統復雜、周期較長。典型鍋爐工藝流程圖如圖1所示。

圖 1 燃煤鍋爐工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of coal-fired boiler

1.2 運營弊端

根據國家及地方相關政府文件，除必要保留以外，地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰10 t/h及以下的燃煤鍋爐，禁止新建20 t/h以下的燃煤鍋爐。燃煤鍋爐熱效率低，不滿足節(jié)能減排,建設資源節(jié)約型社會的要求，且燃煤鍋爐在使用過程中排放大量的煙塵、二氧化硫等污染物質，是形成大氣中PM2.5的重要成分，也是霧霾天氣的重要誘因。

燃煤鍋爐屬于國家及地方政府明令禁止建設及限期拆除范圍內。若國家環(huán)保政策標準提高，需繼續(xù)提高鍋爐的建設噸位來滿足要求。鍋爐是否能夠獲得審批并通過建設備案存在很大的政策風險，同時即使獲得批準將來依然存在停用的風險。

現有鍋爐房建筑體積規(guī)模以及煙囪均不滿足要求，若新建燃煤鍋爐房，則需要重新改擴建，使得投資費用昂貴。并且，燃煤鍋爐在非采暖季處于低負荷運行，效率偏低，將造成設備浪費，投資、運行費用高?；谌济哄仩t的上述問題，部分礦井在選擇熱源時考慮用燃氣鍋爐來替代，然而選擇燃氣鍋爐首要面臨的問題是氣源問題，在偏遠礦區(qū)天然氣一直無法充足供應，再者運行費用的昂貴使得企業(yè)望而止步。

1.3 運營成本與碳排放

按照液化天然氣(LNG)5元/Nm3，管道天然氣4元/Nm3，煤炭600元/t，天然氣的碳排放系數2.165，燃煤的碳排放系數2.660計算，將不同燃料每生產1噸蒸汽(700 kW/h)的鍋爐的運行成本與碳排放量列于表1。

表1 不同燃料鍋爐小時燃料成本與碳排放核算Tab.1 Hourly fuel cost and carbon emission accountingof boilers with different fuels

從表1可以看出，單位蒸噸(700 kW/h)使用天然氣的碳排放量為162 kg，使用燃煤的碳排放量為333 kg。按照1個采暖季120 d計算，單位蒸噸鍋爐碳排放量為575 t，1臺20 t/h的燃煤鍋爐1個采暖季的碳排放量約為11 508 t。因此繼續(xù)使用燃料鍋爐始終解決不了碳排放問題，也是碳中和背景下不再提倡的熱源選擇方式。

2 熱泵系統余熱回收

2.1 余熱資源

煤炭在生產過程中產生巨大的余熱資源，主要包含礦井回風(乏風)和礦井排水。回風是一種潛力巨大且清潔的余熱資源，溫度全年維持在20 ℃左右，可結合熱泵技術充分利用。礦井實際運行中回風排風量大，溫濕度相對較高，因此在冬季供熱季節(jié)充分合理地利用該部分余熱資源，可以較好地滿足實際用熱需求。利用換熱裝置高效回收回風流中的熱量，回風流與換熱介質進行熱量傳遞，通過換熱器將回風流中的熱量進行置換利用，之后將熱量輸送至熱泵主機進行二次提溫后供熱。

礦井回風是一種穩(wěn)定的余熱資源，結合不同余熱利用技術綜合回收余熱資源，可帶來豐厚的回報。將煤礦回風中低溫(16～20 ℃)熱能加以利用，為煤礦或周圍用戶提供高溫(45～55 ℃)熱能,可獲得節(jié)能和減排的雙向收益[15-16]。

2.2 熱泵系統特性

熱泵作為礦井回風余熱回收的主要方式之一，其具有高效節(jié)能的優(yōu)點，每投入1 kW·h, 可以產生相當于4 kW·h的熱量, 與直接用電熱方法相比, 節(jié)約了75% 的用電量； 與傳統的燃煤、燃油鍋爐相比, 節(jié)約了50%～ 65% 的能耗, 極大地降低了運行成本。用回風噴淋換熱制取的熱水和溫水一年四季溫度相對穩(wěn)定,其波動的范圍遠遠小于空氣的變動,是很好的熱泵熱源和空調冷源。另外，由于換熱后水溫度較恒定，使得熱泵機組運行更穩(wěn)定可靠,也保證了系統的高效性和經濟性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題。

1) 優(yōu)點：綠色環(huán)保。熱泵系統使用的能源為電能和大量環(huán)境低溫熱能, 從根本上杜絕了煙氣及污染物的排放。供熱時省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統,沒有燃燒過程,避免了排煙污染；供冷時省去了冷卻水塔,避免了冷卻塔的噪聲及霉菌污染，不產生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。另外，一機多用。一套設備不僅能提供生活熱水，又能供熱制冷，簡化了設備及工程量。

2) 缺點：熱泵回風余熱結合回風擴散塔設置取熱系統，取熱系統一般為噴淋換熱系統或直接蒸發(fā)式取熱系統。

利用噴淋式系統必須在回風擴散塔搭建噴淋換熱設備，噴淋換熱設備的大小受到回風擴散塔的影響，對噴淋換熱效率造成一定程度的影響。噴淋換熱適用于高溫型礦井，水溫在50～55 ℃運行時為最佳工況，系統無法提供60 ℃以上的高溫水。需要改造現有供熱管網及末端用熱設備才能達到最佳效果。對于熱負荷比較大的礦井，由于受到風量與水量熱交換效率的限制，噴淋換熱無法保證整個礦區(qū)最大熱負荷需求。噴淋換熱系統存在堵塞問題，需要定期維護。

利用直接蒸發(fā)式系統相當于把空氣源熱泵機組的蒸發(fā)器單獨拆出建設在礦井回風口，相對于集中式水源熱泵機組其能效大幅度降低。搭建該系統需要結合擴散塔布置蒸發(fā)器，系統設計不合理會產生一定阻力。一般系統設計只考慮供熱，沒有協同設計制冷，且制熱運行時能效普遍低于2.5。同時系統相對噴淋式-水源熱泵系統投資較高。冬季頻繁的融霜、除霜使系統的極端工況供熱量無法保證，在能效降低的同時不能滿足極端負荷的使用要求。

2.3 熱泵系統實踐

大柳塔礦隸屬于中國神華集團能源股份有限公司神東煤炭分公司，位于陜西省榆林市神木縣境內。年平均氣溫5 ℃，極端最低氣溫-28.1 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃。大柳塔礦白家渠風井區(qū)距礦區(qū)工業(yè)廣場約20 km，井區(qū)設有回風井、進風井各一座?；仫L井實測回風量778 080 m3/h，冬季回風溫度15.75～19.44 ℃，回風濕度90%；進風井設計進風量420 012 m3/h。原有系統設計井口防凍采用3臺8 t的燃煤熱風爐供熱，年耗煤3 600 t，年碳排量9 576 t[17-18]。

原有系統高能耗高污染問題一直困擾著使用方，因此在2014—2015年期間改建為噴淋換熱熱泵系統，替代原有3臺8 t燃煤熱風爐系統，通過節(jié)省煤炭資源，減少污染物排放，降低運行費用，達到節(jié)能減排的目的，并回收了礦井回風的余熱資源。該項目當年被列入國家高新技術產業(yè)發(fā)展項目計劃及投資計劃。

系統設計井筒防凍負荷5 335 kW，熱源由8臺HE640型渦旋型水源熱泵機組提供，供回水溫度為50 ℃/40 ℃。根據室外氣溫，自動或人工控制水源熱泵機組運行的臺數。通過搭建噴淋換熱系統，建設熱泵機房，配套井口加熱器輸送熱風，系統取代了原有燃煤熱風鍋爐。通過2015年最冷月連續(xù)測試實際井口房溫度一直維持在5 ℃以上，井口溫度實際測試數據如圖2所示。

圖 2 井口溫度測試數據Fig.2 Wellhead temperature test data

圖3為熱泵機房實物圖。作為冬季井口防凍熱源，回風源熱泵替代燃煤熱風鍋爐，折算年耗電量為1 770 MW·h，年換算碳排放1 180 t[19]。年節(jié)約煤3 600 t，年凈減碳8 369 t，取得了較好的社會效益。

圖 3 熱泵機房Fig.3 The room of heat pump

隨著礦區(qū)開采深度的進展，白家渠風井場地的進風量與回風量在2020年后發(fā)生了較大變化，回風量由原來的778 080 m3/h變?yōu)? 140 000 m3/h，進風量由原來的420 012 m3/h變?yōu)?60 000 m3/h。因此原有系統的噴淋換熱系統阻力附加值增加，水滴飄逸嚴重，熱泵主機供熱能力嚴重不足，影響到現場部分時間段的安全生產，必須考慮補充新熱源,并且現場失修、結冰現象嚴重，此系統的工作工況已不是最佳工況。

2.4 應用建議

熱泵系統的供熱介質為熱水，因此采用熱泵系統供熱，采暖末端必須配備散熱設備，井筒防凍系統需要配合井口加熱器進行設置。所以熱泵系統適用于供冷/供熱、供洗浴熱水場合。

在北方地區(qū)冬季使用噴淋式換熱系統結冰現場嚴重，需要慎重設計。對于其他熱泵裝置的取熱器，取熱溫度不能太低，因為排風溫度過低，冷凝水易發(fā)生凍結現象，嚴重影響通風系統的安全運行。而且回風取熱裝置的取熱溫度設置過低，會導致熱泵系統的能效比急劇下降，因此在設計使用熱泵系統的時候要充分考慮用戶側的需求，取熱側參數需要合理設定。

3 熱管系統余熱回收

3.1 熱管原理

熱管換熱器換熱原理示意圖如圖4所示。熱管主要由熱管管殼、吸液芯、蒸汽腔、工質等4部分組成。熱管按照工作過程可劃分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段等3個部分。

(a) 重力式熱管

(b) 分體式熱管圖 4 熱管換熱器Fig.4 The heat pipe heat exchanger

熱管工作過程：蒸發(fā)段的液態(tài)工質吸收熱源的熱量后在氣液分界面上迅速蒸發(fā)汽化；汽態(tài)工質在微小的壓差下經絕熱段迅速到達冷凝段；冷凝段的氣態(tài)工質向被加熱介質放出熱量后迅速冷凝成液態(tài)；液態(tài)工質經吸液芯回流至蒸發(fā)段，再次在蒸發(fā)段吸熱汽化，熱量從一端傳到了另一端[20-21]。因此也將熱管換熱系統稱為無動力換熱熱管裝置。

3.2 熱管優(yōu)點

1)導熱性高。熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，導熱能力很高。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位質量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量[22-23]。

2) 等溫性優(yōu)良。熱管內的蒸汽處于飽和狀態(tài)，一定的飽和蒸汽溫度對應于相應的飽和蒸汽壓力，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段產生的壓降很小，熱管具有優(yōu)良的等溫性。

3) 熱流密度可變性。熱管可以獨立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。

4) 熱流方向的可逆性。一根水平放置的有芯熱管，由于其內部循環(huán)動力是毛細力，因此任意一端受熱都可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。

5) 熱二極管與熱開關性能。熱管可作為熱二極管或熱開關，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。

6) 可控熱管恒溫特性。普通熱管的各部分熱阻基本上不隨輸入熱量的變化而變化，因此當輸入的熱量有變化時，熱管各部分的溫度亦隨之變化。后來發(fā)展的可變熱管使冷凝段的熱阻與輸入的熱量成反比，因此熱管在輸入熱量大幅度變化的情況下，內部介質蒸汽溫度變化極小，實現溫度的恒溫可控性[24-26]。

3.3 熱管缺點

結合礦井通風系統對熱管換熱器進行結構優(yōu)化，設計后可以滿足井筒防凍需求[27-28]。熱管系統直接回收回風余熱后的供熱介質為熱風，熱管換熱系統只能滿足井筒負荷占據主導地位或者主要熱負荷需求為井筒防凍負荷的場所。熱管換熱器需要保證換熱管徹底密封無泄漏，否則整個熱管將失效不再工作。熱管換熱系統需要搭建新、回風道進行冷熱風的交換，因此需要建設場地進風井與回風井相對距離不能太遠，一般要求不超過200 m，否則投資造價昂貴[29-31]。

3.4 熱管系統實踐

3.4.1 實施內容

白家渠風井場地熱負荷主要是井筒防凍負荷，且后期進風量急劇增加導致熱負荷由設計之初的5 335 kW增加到8 383 kW，新增加熱負荷3 048 kW。因此原有熱泵系統無法保證現場用熱需求。基于上述情況，2020年對白家渠風井場地熱源進行了二次改造。

按照進風井風量660 000 m3/h進行設計，極端最低氣溫-30 ℃，設計熱負荷8 383 kW。系統配置22套熱管換熱器，單臺熱管換熱量400 kW，合計供熱能力8 800 kW。拆除現有噴淋換熱系統裝置，新建非供熱季節(jié)通風轉換模塊、熱管換熱平臺、自動清洗裝置、冷凝水回收系統、等靜壓風室、自動控制系統及棧橋風道等系統。

經過2020—2022年2個采暖季節(jié)的連續(xù)觀測運行，系統很好地滿足了井筒防凍熱負荷需求。2021—2022年采暖季系統附加電耗不超過50 000 kW/h，相比熱泵系統年節(jié)約運行費用80余萬元，運行能耗大幅度降低，在滿足了現場需求的同時圓滿完成了企業(yè)減碳任務，該系統年碳排放量接近“0”。熱管系統的實施，使得風井場地熱管供應實現了零碳供熱。

3.4.2 技術對比

熱管換熱系統與熱泵系統的對比分析見表2。

表2 熱泵-熱管系統對比Tab.3 Comparison of heat pump heat pipe system

從表2可以看出，熱管換熱系統的低運行費用與低碳排放的實現，主要在于熱管換熱系統通過無動力熱管換熱裝置直接提取回風熱量，然后將熱量傳熱給送風氣流。系統只搭建了熱管換熱平臺與回風及送風風道，沒有任何循環(huán)動力部件，送風系統主要靠井筒原有負壓室井口送風系統，系統的回風道主要靠礦井既有通風系統提供動力。

熱管系統的運行費用主要為在極端天氣出現時的電輔熱耗電量，整個系統的配電量約為熱泵系統的1/10。熱泵系統只要運行，熱泵主機、循環(huán)泵、空氣加熱機組就需要耗電，而熱管系統平時運行則沒有耗能部件，是一種風風直接換熱的熱回收裝置。因此其節(jié)能性與低碳性得到了充分發(fā)揮。

3.5 應用建議

無動力熱管換熱系統可以實現零碳清潔供熱，但其應用有一定的限制條件。首先其適用于進風井與回風井場地相對距離不遠，通常不超過200 m，否則系統的長距離輸送風道投資造價過高。其次熱管換熱系統的產出介質是熱風，且熱風的溫度通常只能保證井筒防凍系統的送風溫度需求≥2 ℃，因此熱管換熱系統的使用主要用來解決井筒防凍用熱需求。再者熱管換熱系統在使用的時候，蒸發(fā)段置于回風氣流中，通常礦井排風中為低熱潮濕氣流，使用中會產生冷凝水的排放，需要做冷凝水保溫排放措施，防止結冰。

4 結 語

分析了礦井回風井場地從熱源燃煤熱風爐—回風源熱泵系統—新型無動力熱管直接換熱系統的熱源改造過程，并對應分析了高碳排放—低碳排放—零碳排放的技術路線實踐過程。該礦供熱改造系統的碳排放從9 576 t/a降至1 180 t/a到最后徹底實現近“0”碳排放。實踐證明，熱管換熱技術可充分利用礦井排風中蘊含的余熱能。具有工藝流程簡單、技術路線短、低溫熱能的回收利用率高、運行費用低和自動化程度高等特點，為礦井回風低溫熱能的回收利用提供了一條高效、環(huán)保、經濟、可靠的技術途徑。礦井回風余熱利用尚有其他不同種類的取熱形式與系統搭建方式，不同系統方案有各自適合的條件。