兩類礦井回風余熱利用技術分析

文/趙和凡

煤礦礦井回風是煤礦生產中的主要低溫熱源，寒冷地區的礦井回風溫度多在20℃左右，相對濕度90%左右。此外，礦井回風受井下圍巖及煤壁換熱影響為主，熱參數受季節性影響較小，最冷月與最熱月的礦井回風的平均溫度差大約3℃左右，濕度基本不變，因此礦井回風的焓值相對較高且潛熱較大。目前，國內礦井回風余熱提取主要利用噴淋式直接換熱與表冷器間壁式換熱兩種方式。本文以冀中能源峰峰集團梧桐莊礦為例，從多方面對比分析兩類礦井回風余熱提取利用方式的優劣，從而確定更為合理高效的礦井回風利用系統。

一、礦井回風余熱提取利用方式

1.礦井回風參數

梧桐莊礦礦井回風風量400m3/s，最冷月2月份擴散塔出口測試干球溫度16.0℃，相對濕度90%；12月份干球溫度18.5℃，相對濕度 88%；1月份干球溫度17.5℃，相對濕度88%。煤礦用熱負荷主要包含井口防凍、建筑供暖、洗浴熱水，礦井回風余熱主要用于井口防凍及建筑供暖。

2.礦井回風余熱利用的系統形式

礦井回風余熱提取技術主要有兩種：其一，采用表面式換熱器與礦井回風換熱，采用間壁換熱使得管內制冷劑與管外濕空氣換熱，提取回風余熱；其二，采用噴淋式換熱器，噴淋水與濕空氣直接接觸換熱提取回風余熱；然后利用熱泵技術吸收提取的回風余熱提升熱能品位供應熱水，滿足供熱的需求。

二、兩種礦井回風余熱利用系統的技術對比分析

1.礦井回風換熱器提取余熱能力對比

（1）噴淋換熱。礦井回風取熱量設計時按照最不利礦井回風溫度最低值計算。礦井回風最低溫度16℃，相對濕度90%，目前實際工程的噴淋換熱技術提取能力的回風溫差可達到8～10℃，設計時出風溫度7℃，相對濕度100%，換熱水的進出水溫5℃/12℃。

礦井回風中可以提取的熱量：

h1：回風換熱前的空氣焓，kJ/kg；

h2：回風換熱后的空氣焓，kJ/kg；

G：回風質量流量，kg/s。

（2）表面換熱。通過查閱廠家資料，空氣源熱泵空氣側換熱器（表冷器）換熱溫差最大約8℃，處理后空氣相對濕度95%。此時，礦井回風可以提取的熱量Q=(h1-h2)×G=(41.93-23.95)×400 ×1.212=8716.7kW。

從計算結果對比分析可知，正常設計工況下噴淋換熱提取的余熱比表面換熱最大提取能力高7%，且噴淋換熱的提取余熱的能力還有較大空間可以挖掘，而表面換熱能力提高已接近最大。噴淋換熱在余熱提取能力方面優于表面換熱。

2.礦井回風換熱系統對比

（1）噴淋換熱系統。噴淋換熱器主要管材為不銹鋼管，單個換熱塔噴淋換熱設備重量約4t，噴頭約3000個，L×W×H=11000mm×11000mm ×2000mm。 換 熱 能 力10000kW，噴水量約1100m3/h，噴淋循環水泵選擇4臺3用1備，功率30kW。換熱水循環水泵4臺3用1備，功率55kW。高精度水過濾器2臺。單個換熱間12m×12m的金屬風管長度約30m，擴散口尺寸約12m×12m×5m。回風換熱循環水池，地下保溫水池，有效容積450m3，風阻為80Pa。

（2）表面換熱系統。表面換熱器主要由銅管與纏繞鋁翅片組成，采用8排管，翅片間距10mm，加噴淋除污系統，400kW換熱量的表冷器 規 格 3300mm×3000mm×360mm，22組，單組重量約0.5噸。噴淋除污循環水泵選擇2臺1用1備，功率15kW。換熱間尺寸約L×W ×H=40m×30m×15m， 風 阻 為190.4Pa。因該系統風阻較大，無法直接使用，必須加配同等風量規模，余壓240Pa的多臺風機，風機總功率200kW。

通過對比分析可知，噴淋換熱系統結構較為簡單，風阻較小，且噴淋可去除煤礦乏風中的固體顆粒物，凈化空氣；而表面換熱系統體積較大，風阻較大，加強換熱的纏繞翅片易積灰使得風阻增大，改為光管換熱勢必增大換熱器尺寸、增加數倍風阻、增耗銅管數量。因此，噴淋換熱系統在結構、風阻、耗材等方面優勢顯著。

3.熱泵供熱系統對比

（1）噴淋換熱回風源熱泵系統。回風可提取熱量9342kW,工況水源側進出水溫度12/5℃,用戶側供回水溫度 45/40℃,選擇 4臺SGHP3100M型熱泵機組，制熱量3139kW,壓縮機輸入功率658kW。機組水源側工況進出水溫度15/5℃,與回風換熱系統基本匹配。用戶側水泵5臺水泵，流量520m3/h，水泵揚程42m，功率75kW。熱泵供熱系數約4.25。機組不要求防爆，其供熱量為12216.5kW。

（2）表面換熱回風源熱泵系統。回風可提取熱量8716.7kW,用戶側供回水溫度45/40℃,沒有成品機組可用，必須研究定制。焓差室試驗3.5P樣機，制熱系數4.2，壓縮機輸入功率3.2kW。依據試驗樣品機試驗參數，表面換熱回風源供熱量為11440kW，壓縮機電輸入功率約2740kW。用戶側水泵5臺，流量520m3/h，水泵揚程42m，功率75kW，效率77%。

經過數據對比可知，噴淋換熱的熱泵系統的供熱系數略高，循環水泵耗電功率相同，而噴淋換熱回風源熱泵系統的供熱量高出約7%。

三、經濟與社會效益對比分析

1.初投資。根據回風換熱系統的構成、廠家咨詢、國家預算定額及已有工程案例等，分別估算兩類系統的初投資。經過計算表明，表面換熱的投資高出噴淋換熱764萬元，其中換熱器與熱泵投資占高出費用的90%，噴淋換熱方式僅在循環水泵投資投資方面高于表面換熱方式。

2.耗能對比。礦井井口防凍、建筑采暖總負荷約17000kW,采暖天數150天，并有洗浴熱水負荷，水源熱泵負荷遠小于井口防凍與建筑采暖的總負荷。因此，采暖季礦井回風換熱系統需要全負荷運行才能滿足需求。參考礦井所在地區的綜合電價0.61元/kWh，計算出兩種方式的能耗結果，在供熱能力相同的情況下，表面換熱方式其全年能耗比噴淋換熱方式多消耗50噸標準煤。因此，噴淋換熱在能耗對比上具有較小優勢。

3.運行費用對比。兩種方式運行中，熱泵設備維護與管路維修費用相同，換熱水除污與表面換熱器除灰系統的維護費用也基本相同，兩類熱泵系統運行均需3人即可，主要費用差別在于能耗費用，工業用電參考礦井所在地區的綜合電價 0.61元/kWh。

噴淋換熱礦井回風源熱泵系統采暖季運行費用：1231.92×0.61=751.47萬元。

表面換熱礦井回風源熱泵系統采暖季運行費用：1272.60×0.61=776.29萬元。

根據計算結果，噴淋換熱礦井回風源熱泵系統采暖季節省費用24.82萬元。

四、結語

通過分析礦井噴淋換熱與表面換熱礦井回風源熱泵系統的提取熱量、熱泵效能、熱泵系統的運行效果等技術因素與投資、能耗、經濟效益等因素，噴淋換熱礦井回風源在技術層面與能耗經濟層面具有全方位的優勢，因而具有大范圍推廣使用的經濟價值與良好的社會效益。現有的工程實施中，在淮北、徐州、山東、河南、河北、山西等礦區的多個煤礦已運行的噴淋換熱礦井回風源熱泵系統效果較好，取得了較好的節能減排的社會效益與經濟效益。