高寒地區煤礦井筒防凍加熱器的研究

劉　軼

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高寒地區煤礦井筒防凍加熱器的研究

劉軼

摘要對全國首個適應-30℃高寒地區、10℃以下低風溫礦井回風工況的井筒防凍熱泵技術示范工程作了簡單介紹，重點介紹了該項目的大溫差換熱井筒防凍加熱器的研制和應用效果。

關鍵詞高寒地區礦井井筒防凍水源熱泵大溫差井口防凍加熱器

礦井回風源熱泵技術用于回風溫度10℃以上礦井的井筒防凍已在我國部分煤礦成功應用，并已取得顯著的節能減排效益。2013年，同煤集團四臺礦馬家村風井進行了熱泵技術井筒防凍的技術研究和改造，該風井的井筒位于主工業廣場十多公里以外的山頂上，有相鄰的1個回風井和1個進風井，戶外最低氣溫-30℃，礦井回風溫度為10℃以下。在此之前，用于-30℃高寒環境、礦井回風溫度10℃以下情況的礦井回風源熱泵技術還未有先例。該項目于同年年底改造完成并開始運行，系統運行2年來，工作正常、系統穩定，各項指標達到了使用、安全、經濟的要求，填補了10°C及以下低風溫工況礦井回風廢熱利用的空白。

1　工藝系統簡介

圖1為四臺礦馬家村風井廢熱回收利用熱泵系統。系統由能量采集系統、能量提升系統和末端能量釋放系統三部分組成。能量采集系統是提取礦井回風中的熱能，關鍵部件是噴淋式換熱器，在回風換熱擴散塔中將礦井回風中所蘊含的低溫熱能通過噴淋換熱方式轉移到循環水中，在噴淋循環泵的作用下連續換熱，作為熱泵系統的低溫熱源，并用熱源循環泵經過濾器送到熱泵機組。能量提升系統的核心是熱泵機組，熱泵機組在電能的驅動下，將礦井回風中所提取的低溫熱能轉變為可利用的熱能（約+45℃）供末端能量釋放系統使用。末端能量釋放系統的核心是井筒防凍加熱器，用供暖循環泵將熱泵提供的熱能輸送到井筒防凍加熱器中用于井筒防凍。

熱泵將低溫熱能轉變為可利用的熱能的結構原理

圖1四臺礦馬家村風井廢熱回收利用熱泵系統

如圖2所示，熱泵主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器、節流裝置、制冷劑及輔助部件等組成。從工作原理來說熱泵就是制冷機（與冰箱原理相似），利用冷凝器放出的熱量來加熱水溫的制冷系統。制冷劑也稱為循環工質或冷媒，是不含氯的氟利昂即氫氟化碳（HFC）的無公害物質。從節流裝置（也稱膨脹閥或節流閥）出來的低溫低壓液態制冷劑進入蒸發器后，制冷劑吸收來自循環水池水的低溫熱能后呈低溫低壓蒸汽狀態，同時降溫后的低溫水在低溫熱源循環泵的作用下回循環水池重新熱交換獲得熱能，低溫低壓蒸汽狀態的制冷劑進入壓縮機后，壓縮機耗電做功將其壓縮成高溫高壓蒸汽狀態進入冷凝器中放出熱量被供暖側用水吸收并升高為約+45℃的熱水，同時升溫后的熱水在采暖循環泵的作用下進入井筒防凍加熱器加熱冷空氣并循環進行，此時制冷劑在冷凝器中放熱后冷卻成高溫高壓液體狀態，進入節流裝置后制冷劑又呈低溫低壓液態，如此循環在冷凝器中獲得水溫升高的供暖側用水。可見制冷劑在其中起到了傳遞熱能的載體作用，由液態轉變為汽態時會吸收大量的熱量，由汽態變為液態時釋放大量的熱量。

圖2熱泵工作原理

高寒地區使用熱泵回收礦井回風熱能用于井筒防凍技術，主要是解決以下三個方面的關鍵技術：

一是解決10℃及以下低風溫礦井回風工況下回風換熱器實現高效換熱，使換熱出水溫度滿足熱泵機組進水溫度要求。此項目的技術措施是：通過對國內外礦井回風廢熱回收利用的各種方式的優缺點的綜合分析比較，選擇了在礦井回風擴散塔頂部設置噴淋式換熱器的方式，采用這種方式熱濕交換，換熱量大，換熱效率高，對礦井回風阻力小，還具有適應礦井回風高濕、粉塵大、不影響礦井反風的特點。并對現行的噴淋式換熱器做了優化設計又進一步提高了換熱效果。加裝噴淋換熱器后，經現場實測通風阻力增加不超過50Pa，對主通風機性能未造成影響。噴淋換熱器的部件選用不銹鋼材質，避免了回風中腐蝕性氣體對其造成的損害。噴淋換熱器對回風中的粉塵有濕潤降塵功能，使粉塵對其部件的沖擊極小，粉塵煤泥雖噴淋水進入循環水池沉淀，同時擴散塔出風口風流也得到了凈化。經現場實測主通風機出風口噪音也降低了30dB。

二是解決回風換熱循環水防凍問題。此項目的技術措施是：研制了專用防凍反腐劑，加入回風換熱系統循環水中形成防凍液以適應冬季低溫工作環境，解決了換熱器結霜、循環水結冰、管路腐蝕問題。

三是解決-30℃高寒環境下、供水溫度約+45℃時井筒加熱器高效換熱和自身防凍問題。

2　大溫差換熱井筒防凍加熱器研制

國內常用的井筒加熱形式是采用鍋爐提供熱源，出熱溫度較高，再利用空氣加熱器將熱風送入井口以下。相比之下，采用熱泵系統供熱時，熱泵系統制熱工況時出水溫度較低（40℃～45℃），在環境溫度-30℃的情況下，使用傳統的盤管換熱器會造成管路結冰、彎頭處易凍裂的問題，因此需要研制與熱泵系統配合使用的適應低水溫、大溫差的井筒防凍加熱器。為此研制使用了新型的先預熱后加熱的雙級換熱防凍加熱器，其結構組成如圖3所示，主要由預熱段（換熱器）、風機段、再熱段（換熱器）組成。將換熱器設計為預熱器與再熱器兩級結構，解決了單個換熱器的換熱量過大與換熱溫差過大而造成換熱器凍壞的問題，相比單級換熱器而言間接地提高了換熱器的換熱溫差，滿足了換熱溫差要求，同時也減小了換熱器的換熱面積使體積減小。兩級換熱器由熱泵同時提供約45℃的低溫循環熱水，外部的冷空氣在風機的牽引下通過進風口進入過濾網，過濾掉空氣中的大顆粒雜質，進入預熱換熱器，與預熱換熱器中通過的低溫熱水換熱后，溫度升高后的空氣通過風機進入再熱換熱器，再次與換熱器中通過的低溫熱水進行熱交換，空氣被加熱到26℃～36℃，再經過消音器消聲降噪噪音未超過50 dB，最后通過出風口送入井筒。

圖3新型井筒雙級換熱防凍加熱器送風原理

在具體結構上還采取了以下技術措施：（1）將兩級換熱器均設計成集箱式結構，見圖4（a），集箱式結構具有使換熱管水力平衡、水量分配相同的功能，使每根換熱管進水量相同和增加了管道的過流量，提高了換熱管、管道的防凍能力。（2）預熱段采用防凍能力強的鋼翅片鋼管換熱器，再熱段采用換熱能力強的鋁翅片銅管換熱器，并采用寬翅片設計起到降低灰分的阻塞作用，這樣的結構設計能克服寒冷環境進風溫度低的特點，也保證了換熱量，能很好地適應寒冷環境；（3）換熱器管束的排列形式見圖4（b），兩級均采用順排方式，管束順排時氣體繞流管束，雖換熱效果較錯排方式稍差，但阻力小，適合在煤礦中使用。順排方式有正方形排列和轉角正三角形排列兩種形式，研究和工程經驗表明，正方形順排換熱效果低于轉角正三角形順排。這里預熱段采用正方形順排，再熱段為轉角正三角形順排，這使得預熱段水溫降低小有利于防凍。

3　應用效果

自2013年運行以來，井筒混風溫度隨井口加熱器進出水溫度變化而變化，在井口加熱器供水溫度在40℃～45℃條件下，井筒混風溫度為8℃以上，達到了《煤礦安全規程》規定的混風溫度不低于2℃的要求。目前，井口加熱器運行情況良好，并隨著天氣變化調整運行臺數，實現系統節能運行。

參考文獻

［1］王會勤.礦井回風余熱在平煤三礦的應用［J］.煤炭加工與綜合利用，2011（6）：57-59.

［2］王秋紅.換熱器管束排列方式對流場影響的數值分析［J］.華北水利水電學院學報，2007（12）：45-47.

［3］陳國卿.東工流線型擴散塔在煤礦中的應用［J］.煤炭工程，1990 （12）:18-19.

劉軼，男，1982年1月出生，山西大同人。現在同大科技研究院從事礦山機電研究工作，工程師。

Study on Mine Shaft Antifreezing Heater in Extremely Cold Area

Liu Yi

Abstract：The paper shortly introduces the country's first demonstration project of mine shaft antifreezing heat pump technology that adapts to -30℃extremely cold area and the working condition of the low air temperature mine re?turn air under 10℃，and mainly introduces the development and and application effect of the large temperature difference heat transfer mine shaft antifreezing heater of the project.

Keywords：extremely cold area；mine shaft cold prevention；water source heat pump；wellhead antifreezing heater of large temperature difference

收稿日期：2015-10-20

作者簡介

中圖分類號TK11+5

文獻標識碼B

文章編號1000-4866（2016）02-0014-03