豎井乏風廢熱提取用于井口防凍的現(xiàn)場實測

孫猛，姜官軍，馮繼哲，馬天澤，周琳

1）中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221116；2）中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；3）山東美天能源科技股份有限公司，山東泰安 271019

對于冬季氣溫會降至0℃以下的夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)，井口防凍是礦井冬季安全生產(chǎn)的一個重要保證．井口結(jié)冰一方面會導(dǎo)致有效通風面積減少、礦井通風量不足；另一方面井口結(jié)冰墜落后的冰柱和冰塊可能導(dǎo)致井下人員的傷亡，危及排水管道和動力電纜的安全，嚴重時會造成卡罐和礦井停產(chǎn)等重大事故．中國的煤炭礦井絕大部分分布在北方寒冷（嚴寒）地區(qū)，十大產(chǎn)煤省份除貴州外，黑龍江、山西、河北、內(nèi)蒙、陜西、河南、安徽、山東和寧夏地區(qū)的井工煤礦均需要采取井筒防凍措施．從產(chǎn)量上看，處于防凍地區(qū)的煤礦產(chǎn)量占比超過全國總產(chǎn)量的85%［1］．

傳統(tǒng)礦井井筒防凍加熱技術(shù)是通過燃煤鍋爐將進風空氣溫度提高到2℃以上．近年來，隨著中國節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略的不斷推進，分散式的中小型燃煤鍋爐被限制使用，如改為燃氣鍋爐，運行成本將大幅上升，存在燃氣供應(yīng)不足的較大風險．隨著中國“碳達峰、碳中和”目標和能耗雙控措施的提出，加快能源轉(zhuǎn)型，謀劃碳中和目標下能源轉(zhuǎn)型的最優(yōu)戰(zhàn)略路徑，努力實現(xiàn)減碳和經(jīng)濟發(fā)展并行不悖，是一項十分艱巨的任務(wù)［2］，尋找穩(wěn)定的清潔能源已成為當務(wù)之急.

實際上，礦井中蘊含著大量的余熱資源可供利用，包括礦井乏風廢熱、礦井排水余熱和井下降溫系統(tǒng)冷凝熱等［3-7］.其中，礦井乏風是一種穩(wěn)定、較優(yōu)質(zhì)的余熱資源．一方面，煤礦需要不間斷通風，乏風風量全年保持穩(wěn)定；另一方面，用于煤礦通風的空氣不斷與煤礦的巷道、機電設(shè)備和淋水等進行熱交換，乏風中富含大量水的潛熱．

自2007年山東新礦集團孫村煤礦千米立井礦井乏風廢熱井口防凍項目取得工業(yè)性試驗成功以來，礦井乏風換熱技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)出了風-水噴淋換熱技術(shù)［8］、風-制冷劑直膨式換熱技術(shù)［9］、風-介質(zhì)-風間壁換熱技術(shù)（熱管技術(shù)）［10］和乏風-新風間壁式直接換熱技術(shù)．其中，乏風-新風間壁式直接換熱技術(shù)從2013年起在山東省微山礦業(yè)集團歡城煤礦1號和2號井開始應(yīng)用，神華寧夏煤業(yè)集團有限公司的棗泉煤礦、羊場灣煤礦、麥垛山煤礦、金鳳煤礦和金家渠煤礦等5家煤礦的6對礦井井口防凍改造服務(wù)項目也采用了新型乏風-新風間壁式換熱器，并于2018年起運行至今.為了分析井口防凍項目運行效果，本研究對該6對礦井的新風溫度、乏風溫度、加熱后新風溫度和入井新風溫度等進行了現(xiàn)場實測.

1 工程概況

寧夏回族自治區(qū)某煤礦13和14采區(qū)（以下簡稱13和14采區(qū)）新建進、回風立井及相應(yīng)的地面建筑，新建進風立井正常生產(chǎn)最大進風量為170.84 m3/s，回風井最大乏風量為235 m3/s．13和14采區(qū)冬季原采用2臺功率為7.0 MW的燃煤鍋爐采暖.2016年，寧夏回族自治區(qū)環(huán)境保護廳依據(jù)《大氣污染防治行動計劃》，要求銀川對于具備拆除條件的2.0×104kg以下燃煤采暖小鍋爐實施拆除．由于13和14采區(qū)距離主工業(yè)場地和周邊的電廠均較遠（10 km以上），采用周圍電廠余熱和太陽能不可行，采用制氮壓縮機余熱提供的熱量不足，蓄熱電鍋爐性能系數(shù)（coefficient of performance，COP；制熱量與輸入功率的比值）低（1.5～1.8）、年運行費用高，對可供采用的噴淋換熱、熱管換熱和乏風-新風換熱方案進行綜合比較（表1）后，最終采用乏風-新風間壁式直接換熱技術(shù)和空壓機余熱利用技術(shù)代替燃煤鍋爐，對采用乏風-新風間壁式換熱器將新風加熱后用于井口防凍，利用空壓機余熱解決地面建筑采暖問題．

表1 可行性方案比較Table 1 Comparison of feasible schemes

2 技術(shù)原理

為了準確獲得換熱器的換熱狀況及井口安全情況，對13和14采區(qū)自2018-11-01至2019-03-01期間1個供暖季的乏風溫度（tf）、新風溫度（tx）、加熱后新風溫度（tx-h）及井口溫度（tr）進行現(xiàn)場實測，乏風-新風間壁式換熱技術(shù)原理見圖1．換熱器采用管殼式，乏風從管外通過，新風從管內(nèi)通過，乏風通過金屬壁與新風進行熱濕交換，釋放出大量的潛熱，新風從管內(nèi)流過時會吸收管外的熱量，溫度升高，從而達到加熱新風的目的．新風經(jīng)間壁式換熱器加熱后再由保溫風道送入進風井井口，與部分未加熱的冷空氣混合后進入井筒內(nèi)，進入井筒的空氣溫度不低于2℃．

圖1 豎井乏風-新風直接換熱加熱井口技術(shù)原理Fig.1 Principle of heating wellhead technology through direct heat transfer technology between exhaust wind and fresh air.

由于空氣的熱容較小，如何強化乏風與新風之間的換熱是該技術(shù)的核心問題．由于冬季新風溫度較低，新風從換熱管內(nèi)流過時會造成換熱器表面溫度低于礦井乏風的露點溫度，礦井乏風進入換熱器時，乏風中的水蒸氣會凝結(jié)而釋放出潛熱．如果凝結(jié)水能很好地濕潤壁面，它就在壁面上鋪展成膜，這種凝結(jié)方式稱為膜狀凝結(jié)．膜狀凝結(jié)時，壁面總是被一層液膜覆蓋著，凝結(jié)放出的潛熱必須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，這時，液膜層就成為傳熱的主要熱阻．如果凝結(jié)水不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面形成一個個小液珠，稱為滴狀凝結(jié)．與膜狀凝結(jié)相比，滴狀凝結(jié)是一種高效傳熱方式，其凝結(jié)過程在現(xiàn)有傳熱現(xiàn)象中具有較高的傳熱系數(shù)，該傳熱系數(shù)是相應(yīng)膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)的幾倍至幾十倍［11］，其主要原因是滴狀冷凝時冷凝表面呈疏水性，使經(jīng)過合并后的大液滴在形成連續(xù)的液膜前就從表面上脫落下來，熱乏風能夠持續(xù)不斷地與換熱器冷表面直接接觸，換熱強度遠遠大于膜狀冷凝．本項目采用的乏風-新風直接換熱技術(shù)在乏風側(cè)換熱面噴涂雙層軍用納米高分子材料（采用環(huán)氧改性有機硅樹脂作為涂層的底層材料，納米SiO2-環(huán)氧改性有機硅樹脂復(fù)合涂層作為面層材料），接觸角為153.69°，表面疏水能力達到最佳，強化了全熱交換能力，同時具有減少煤灰附著、耐腐蝕的作用，解決了煤灰、粉塵附著后換熱器換熱效率下降和換熱器的長期腐蝕問題．乏風和新風采用交叉逆流方式（圖2）．通過金屬壁面換熱，新風在管內(nèi)流動，乏風從管外繞流．通過多次試算，可以得到最佳的新風、回風速度搭配及相應(yīng)的流道尺寸，從而達到最大換熱能力和最小阻力的平衡.

3 現(xiàn)場實測效果

乏風溫度、新風溫度、加熱后新風溫度及其井口溫度變化曲線見圖2．乏風溫度為從回風井井口排出的空氣溫度，空氣溫度隨空氣波動較小，最低值為10.2℃，最高值為22.4℃，平均值為18.1℃．乏風的相對濕度在85%～90%，風量為235 m3/s，乏風內(nèi)蘊含著較大的能量．新風溫度在1個供暖季內(nèi)呈現(xiàn)較大波動，最低溫度為-20.5℃，最高溫度為23℃，平均溫度為-3.0℃．加熱后的新風溫度隨氣溫有大致相同的變化趨勢，但是波動幅度明顯減少，最低溫度為8.4℃，最高溫度為21.6℃，平均溫度為14.6℃．井口溫度為加熱后新風在井口與少量外界新風混合后的空氣溫度，其變化趨勢和加熱后新風的變化趨勢幾乎相同，最低溫度為2.1℃，最高溫度為17.5℃，平均溫度為8.5℃，滿足井口溫度不低于2℃的煤礦規(guī)范要求．

圖2 乏風溫度、新風溫度、加熱后新風溫度及井口溫度變化曲線Fig.2 Exhaust wind temperature，fresh air temperature，heated fresh air temperature and wellhead air temperature versus running time.

4 經(jīng)濟和社會效益分析

乏風-新風換熱器取熱量為

其中，ρ為空氣密度；c為空氣比熱容；t1為加熱后新風溫度；t2為室外新風溫度；q為新風風量.

根據(jù)實測新風溫度和加熱后新風溫度，按照式（1）計算乏風-新風換熱器逐時換熱量變化趨勢，結(jié)果見圖3.由圖2和圖3可見，逐時換熱量隨著新風溫度的降低而升高，隨著新風溫度的升高而降低，與氣溫的變化有較大相關(guān)性．整個供暖季最大換熱量為5476.4 kW，平均換熱量為3190.7 kW，整個供暖季累計換熱量為8.928×106kW·h.

圖3 乏風-新風換熱器逐時換熱量變化曲線Fig.3 Hourly heat transfer curve of exhaust air-fresh air heat exchanger.

該工程共設(shè)置6臺風機用于將新風輸送至副井井口，每臺風機的功率為55 kW，供暖季每臺風機的運行時長見表2．這6臺風機在該供暖季的累計運行時間為13427.93 h，總耗能為738536.2 kW·h．由于該乏風-新風換熱器的能耗僅僅是新風風機的能耗，故可計算出乏風-新風換熱器的平均COP為8.928×106/738536.2=12.1，與 常 用 鍋 爐COP（表3）進行對比可見，采用乏風-新風間壁式直接換熱技術(shù)僅消耗少量的電能，即可把乏風中的大量熱量提取出來，故具有顯著的經(jīng)濟性．

表2 新風風機累計運行時間Table 2 Total running time of each fresh air fan

表3 不同取熱方式COP對比Table 3 COP comparison of different heat taking methods

該礦13和14采區(qū)原冬季井筒防凍系統(tǒng)為兩臺1.0×104kg燃煤熱水鍋爐，年耗原煤1.0128×107kg，運行費用高達1025.66萬元．2018年起改用“風-風換熱”系統(tǒng)后，井口保溫效果達到設(shè)計指標，礦井排風系統(tǒng)運行平穩(wěn)，未受任何影響．通過替代原有2.0×104kg燃煤鍋爐，年減排二氧化碳1.8810×107kg、氮氧化物4.8×104kg、二氧化硫4.8×104kg.由于乏風通過換熱器時會凝結(jié)為水，可使礦井乏風中的礦塵隨凝結(jié)水流至換熱器底部，減少向大氣直接排放2.178×104kg礦塵．該系統(tǒng)每個供暖季運行費用僅為225.85萬元，同比天然氣鍋爐系統(tǒng)節(jié)省426.65萬元，同比燃煤鍋爐系統(tǒng)節(jié)省799.81萬元．

結(jié)語

采用間壁式乏風-新風直接換熱技術(shù)將礦井乏風的余熱提取后加熱新風用于煤礦井口防凍，僅需要為新風機提供少量的電能，即可把乏風中的大量熱量提取出來（傳熱過程無需消耗能量），運行費用低，且運行過程無廢水、廢氣及廢渣等污染，是一項綠色環(huán)保、高效節(jié)能的新技術(shù)，能為建設(shè)現(xiàn)代化新型綠色礦山提供技術(shù)支撐．

間壁式乏風-新風直接換熱技術(shù)目前取得了初步成功，但在強化滴狀凝結(jié)換熱機制、乏風和新風溫濕度對換熱效果的影響、氣流組織合理分配、減阻及耐腐蝕等方面還需展開進一步研究．

參考文獻/References：

［1］左強，李康，陳建剛，等．煤礦回風余熱用于井筒防凍 的 潛 力 分 析［J］．中 國 煤 炭，2019，45（1）：147-152.

ZUO Qiang,LI Kang,CHEN Jiangang,et al.Analysis on coal mine return air waste-heat used for potential of mineshaft antifreeze[J].China Coal,2019,45(1):147-152.(in Chinese)

［2］蘇健，梁英波，丁麟，等．碳中和目標下我國能源發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］．中國科學(xué)院院刊，2021，36（9）：1001-1009.

SU Jian,LIANG Yingbo,DING Lin,et al.Research on China＇s energy development strategy under carbon neutrality[J].Bulletin of Chinese Academy of Sciences,2021,36(9):1001-1009.(in Chinese)

［3］FENG X,JIA Z,LIAG H,et al.A full air cooling and heating system based on mine water source[J].Applied Thermal Engineering,2018,145:610-617.

［4］熊慧靈.礦井回風熱能回收熱濕傳遞及換熱效率研究［D］.湘潭：湖南科技大學(xué)，2016.

WU Huiling.Study of heat-mass transfer and thermal efficiency on heat recovery of mine return air[D].Xiangtan:Hunan University of Science and Technology,2016.(in Chinese)

［5］武亞麗.深井地熱水梯級綜合利用及回用研究［D］.西安：西安工程大學(xué)，2017.

WU Yali.Study on comprehensive cascade utilization and reuse of deep geothermal water[D].Xi’an:Xi’an Polytechnic University,2017.(in Chinese)

［6］辛嵩，張兆鵬．礦井回風余熱分離式熱管回收技術(shù)研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2020，40（11）：160-164.

XIN Song,ZHANG Zhaopeng.Research on separate-type heat pipe recovery technology of mine return air waste heat[J].Mining Research and Development,2020,40(11):160-164.(in Chinese)

［7］倪少軍，陳明輝，蘇明強．間壁式換熱器礦井乏風廢熱利用技術(shù)與工程實例研究［J］．價值工程，2020，39（7）：207-209.

NI Shaojun,CHEN minghui,SU Mingqiang.Study on the technology and engineering example of waste air waste heat utilization in partition wall heat exchanger[J].Value Engineering,2020,39(7):207-209.(in Chinese)

［8］彭兆勇．乏風余熱利用工程在劉莊煤礦西區(qū)的應(yīng)用［J］．山西科技，2019，34（3）：128-132.

PENG Zhaoyong.Application of ventilation air methane waste heat utilization project in west area of Liuzhuang coal mine[J].Shanxi Science and Technology,2019,34(3):128-132.(in Chinese)

［9］郭強，苗小偉．乏風余熱利用技術(shù)在潞寧煤業(yè)的應(yīng)用［J］.山西化工，2017，37（5）：109-111.

GUO Qiang,MIAO Xiaowei.Application of waste heat utilization technology in Luning coal industry[J].Shanxi Chemical Industry,2017,37(5):109-111.(in Chinese)

［10］鮑玲玲，李亞楠.礦井回風余熱回收用熱管換熱器的優(yōu)化設(shè)計［J］.煤礦機電，2018（1）：1-5.

BAO Lingling,LI Yanan.Optimal design of heat pipe exchanger for return air wasted heat reclaim in coal mine[J].Colliery Mechanical & Electrical Technology,2018(1):1-5.(in Chinese)

［11］王宏.梯度表面能材料上液滴運動及滴狀凝結(jié)換熱［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

WANG Hong.Motion of droplets and dropwise condensation on the gradient surface[D].Chongqing:Chongqing University,2008.(in Chinese)