直冷式深焓取熱乏風熱泵技術在小保當煤礦2#風井的應用

楊 征，楊光耀，謝永利，王忠強，李孝龍，趙廷江

（1.陜西小保當?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，嚴重威脅著我們賴以的生存的水土和大氣環(huán)境，成為我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸；除要付出較大的環(huán)境代價外，運行操作人員的工作環(huán)境差，工作勞動強度高，工人的身心健康也受到了嚴重影響。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。礦井乏風余熱資源豐富，是熱泵取熱理想的低溫熱源。礦井乏風余熱回收利用技術是近幾年國內(nèi)新興的一項新技術，經(jīng)歷了噴淋式換熱技術、熱管式換熱技術、直蒸式熱泵技術及直冷式深焓取熱乏風熱泵技術4 代技術的更新迭代。陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司認真落實國家節(jié)能減排環(huán)保政策，提出2#風井場地采用清潔能源供熱，代替煤粉鍋爐供熱，解決場地內(nèi)的建筑采暖和井口防凍。

1 目前礦井乏風余熱利用現(xiàn)狀

目前，熱泵系統(tǒng)作為一項節(jié)能技術在礦井乏風余熱利用領域已得到了一定程度的推廣，常見的乏風熱泵換熱技術有：乏風噴淋式換熱技術、礦井乏風熱管式換熱技術、礦井乏風直蒸式熱泵技術和直冷式深焓取熱乏風熱泵技術。

1.1 乏風噴淋式換熱技術

部分礦井采用循環(huán)噴淋式熱泵技術回收礦井回風低溫余熱[1-6]。循環(huán)噴淋，是在回風井口布置淋水換熱器，向上運動的低溫回風與噴淋而下的水滴逆向流動換熱，逆向流動過程中回風的熱量首先傳遞至水中，換熱后的水儲存于地面設置的蓄水池，通過蓄水池中的潛水泵供至水源熱泵機組的蒸發(fā)器吸收熱量，通過壓縮機做功，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。乏風噴淋式換熱原理如圖1。

圖1 乏風噴淋式換熱原理Fig.1 Principle of exhaust air spray heat exchange

1.2 礦井乏風熱管式換熱技術

礦井乏風熱管式換熱技術原理[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，在礦井的回風井和進風井之間建乏風換熱室，礦井乏風通過換熱室后排放，新風通過換熱室加熱后進入進風機，換熱室內(nèi)熱管的加熱端放在乏風熱源側，冷卻端放在新風側，熱管內(nèi)液體介質(zhì)會在吸熱后蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量并凝結成液體；如此反復循環(huán)，乏風中的熱量就由熱管的一端傳至另一端的新風中。

1.3 礦井乏風直蒸式熱泵技術

直蒸式熱泵技術原理[11-12]：乏風熱泵的核心由乏風取熱箱和乏風熱泵冷凝壓縮機組2 部分組成。其中乏風取熱箱即乏風熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，乏風熱泵冷凝壓縮機組由壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成。其基本工作原理和流程是：乏風取熱箱安裝在礦井回風井上方的取熱平臺，乏風經(jīng)過乏風取熱箱取熱后排放，乏風熱泵機組的液態(tài)冷媒在乏風取熱箱中蒸發(fā)吸熱，經(jīng)壓縮機做功后變成高溫高壓的氣體，再經(jīng)過冷凝器放熱后變成液態(tài)，同時制備高溫熱水，液態(tài)冷媒經(jīng)膨脹閥后進入乏風取熱箱，進入下一個熱力循環(huán)。乏風直蒸式換熱原理如圖2。

圖2 乏風直蒸式換熱原理Fig.2 Principle of exhaust air direct steam heat transfer

1.4 直冷式深焓取熱乏風熱泵技術

直冷式深焓取熱乏風熱泵系統(tǒng)，包括乏風取熱箱、直冷式乏風熱泵機組和供熱管路。乏風取熱箱安裝在礦井回風井上方的乏風取熱平臺上，通過防凍液管路與直冷式乏風熱泵機組的蒸發(fā)器連接，防凍液流經(jīng)乏風取熱箱時吸收乏風中的熱量，經(jīng)循環(huán)泵將防凍液輸送給直冷式乏風熱泵機組的蒸發(fā)器，通過直冷式乏風熱泵機組的壓縮機做功，制冷劑在直冷式乏風熱泵機組的蒸發(fā)器與冷凝器之間進行熱量的傳遞，制取高溫熱水供熱。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 種乏風余熱利用技術特點對比

1）乏風噴淋式換熱技術可解決井口防凍、建筑采暖和洗浴熱水用熱需求。但存在以下問題：回風低于12 ℃時無法取熱或取熱量很少；回風與淋水之間的熱濕交換效率低與補水損失過大；水體中煤石固體物質(zhì)與腐蝕性物質(zhì)循環(huán)堆積；對熱泵換熱器的使用壽命與熱泵機組可靠性有影響；對淋水換熱器關鍵部件“噴嘴”的堵塞與腐蝕；淋水換熱器影響煤礦通風系統(tǒng)。

2）乏風熱管式換熱技術僅可解決井口防凍用熱需求。但存在以下問題：管道間壁煤塵臟堵，清洗困難，供熱能力??；結霜、煤塵及瓦斯聚集，增加風阻；須應用于中央并列式通風井等。

3）礦井乏風直蒸式和直冷式熱泵技術可解決井口防凍、建筑采暖和洗浴熱水用熱需求。2 種技術均克服了原生態(tài)回風中的煤石固體物質(zhì)對乏風換熱器金屬表面沖刷及腐蝕問題；解決了回風中的油黏性物質(zhì)及其附生菌類物質(zhì)在乏風換熱器表面念聚與滋生問題；提供了換熱效率，同時保證了煤礦通風系統(tǒng)的安全。但直蒸式熱泵技術取熱后的溫度不能降至霜點以下，而直冷式熱泵技術不受該溫度影響，最低可取至-15 ℃。直冷式熱泵技術應用面更廣。

2 現(xiàn)場應用

2.1 礦井概況

陜西陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司位于陜西省榆林市神木縣大保當鎮(zhèn)，小保當2#礦井設計規(guī)模13.00 Mt/a。冬季極端最低溫度平均值-23.9 ℃，最低溫度達-29 ℃。

改造范圍內(nèi)供熱需求主要有風井場地井口防凍和建筑采暖用熱。場地范圍內(nèi)有礦井乏風余熱資源，經(jīng)技術經(jīng)濟性比選，確定采用直冷式深焓取熱乏風熱泵供熱技術，替代原有燃煤鍋爐供熱。

2.2 供熱負荷計算

小保當2#風井場地進風立井進風量為18 000 m3/min。根據(jù)GB 50215—2015《煤炭工業(yè)礦井設計規(guī)范》的要求，進風井冬季要求防凍，其進風混合溫度要求大于2 ℃，室外溫度按歷年極端最低平均溫度計算，煤礦進風井加熱負荷按下式[13-14]計算：

式中：Q 為井筒防凍負荷，kW；G 為礦井進風量，m3/s；ρ 為空氣密度，kg/m3，取1.10 kg/m3（當?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)計算，井口防凍負荷為11 366 kW，2#風井場地建筑采暖負荷為1 038 kW，場地總負荷為12 404 kW，考慮5%的管網(wǎng)損失，總供熱負荷為13 024 kW。

2.3 熱源分析

經(jīng)過調(diào)研，小保當2#風井場地回風立井回風量24 000 m3/min，回風溫度12 ℃，回風相對濕度70%；乏風余熱資源豐富，乏風取熱后溫度降至-1 ℃，相對濕度95%排放，可利用余熱量按下式計算：

式中：Q′為乏風余熱量，kW；G′為礦井回風量，m3/s；ρ′為乏風密度，kg/m3，取1.047 kg/m3；h1為乏風取熱后焓值，kJ/kg，取30.05 kJ/kg；h2為乏風取熱前焓值，kJ/kg，取8.854 kJ/kg。

經(jīng)計算，乏風余熱量為8 878.56 kW，經(jīng)直冷式深焓取熱乏風熱泵機組后，供熱能力可達13 557.57 kW?？梢詽M足2#風井場地13 024 kW 的用熱需求。

2.4 技術路線

根據(jù)礦井乏風余熱技術路線分析以及風井場地用戶用熱特點，采用直冷式深焓取熱乏風熱泵技術制備高溫熱水用于井口防凍和建筑采暖，選用6 臺單機制熱量為2 400 kW 的井口乏風熱泵機組和1臺單機制熱量為1 200 kW 的采暖乏風熱泵機組，總供熱能力為15 600 kW。

采暖季時運行6 臺單機供熱量2 400 kW 的井口乏風熱泵機組，供熱能力為14 400 kW，滿足井口保溫防凍11 934 kW 的供熱需求；運行1 臺單機供熱量1 200 kW 的采暖乏風熱泵機組，滿足建筑采暖1 090 kW 的供熱需求。

2.5 經(jīng)濟性分析

1）井口防凍負荷。井口防凍負荷隨室外環(huán)境溫度變化，榆林地區(qū)冬季通風計算設計溫度為-10 ℃，當室外溫度為-10 ℃時，井口防凍負荷為4 620 kW。井口防凍供熱全年平均負荷系數(shù)取38.7%。井口負荷變化表見表1。

表1 井口負荷變化表Table 1 Variation of wellhead load

2）建筑采暖負荷。建筑采暖負荷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荷系數(shù)取55.3%。則建筑采暖平均供熱負荷為603 kW。

3）全年平均總供熱負荷。全年平均總供熱負荷為5 223 kW。

4）乏風余熱變化分析。隨乏風取熱后溫度的不同，能效比COP 值不同，乏風余熱供熱量也隨之變化，乏風取熱后溫度達到5.4 ℃時，乏風供熱量為5 273.79 kW，滿足室外環(huán)境平均環(huán)境下的井口防凍負荷和建筑采暖負荷5 223 kW 的用熱需求。

5）運行費用計算。通過上述風井場地的供熱負荷分析，建筑采暖負荷為1 090 kW，乏風熱泵機組的平均能效取3.59，則平均耗電量為303.6 kW；井口負荷負荷為11 934 kW，乏風熱泵機組平均能效取3.59，則平均耗電量為3 324 kW。項目每年運行費用為采暖季能耗費用、非采暖季能耗費用及其他費用之和，共計339.26 萬元。

3 結 語

直冷式深焓取熱乏風熱泵供熱技術用于煤礦場地的建筑采暖和井口防凍供熱符合國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策導向，技術的實施有利于推動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熱泵供熱技術有力改善職工的工作環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。