礦井回風熱管余熱回收利用研究

王小龍

(神東煤炭集團，陜西神木 719315)

0 引言

為防止寒冷空氣進入井筒后遇到井筒淋水和潮濕空氣，使得井壁等處結冰，堵塞井筒的部分斷面，并對提升設備和人員安全構成嚴重威脅，《煤炭安全規程》中規定進風井口以下的空氣溫度(干球溫度)必須在2℃以上［1］。為滿足上述條件，處于寒冷或嚴寒地區的礦井必須設置熱風爐，以便在冬季進風井口的空氣溫度低于2℃時加熱空氣防止井底結冰，這就使得大批小容量熱風爐開始新建。水能、風能、太陽能、潮汐能等清潔能源在我國大力發展的今天，煤炭在能源消費結構中依然占據主導地位，年耗煤量可達30億t標準煤［2］。煤炭的大量使用隨之而來的是愈發嚴重的環境問題。煤炭在燃燒過程中會產生碳氧化物、氮氧化物、粉塵等物質，CO2的大量排放會使全球氣溫升高，產生溫室效應;二氧化硫及氮氧化物的大量排放會使酸雨污染范圍逐漸擴大，導致土壤酸化，建筑物腐蝕等情況加劇;粉塵的大量排放會誘發人類呼吸道疾病的產生。隨著節能環保工作的深入開展，燃煤熱風爐由于煙氣排放不達標，后期提標改造難度大、資金投入多逐漸被淘汰，而熱泵、熱管等一批新型技術能夠同時符合節能與環保要求得到迅速發展并逐漸普及［3］。文中以某礦井利用熱管技術對回風余熱進行回收利用做簡要闡述并對系統運行存在問題進行分析解決，為熱管技術的進一步發展及應用奠定了基礎。

1 礦井空氣加熱系統現狀

1．1 礦井熱風爐運行現狀

我國在用工業鍋爐保有量50多萬臺，其中燃煤鍋爐約有48萬臺，占到工業鍋爐總容量的90%以上，平均容量3．4 t/h［4］。我國燃煤鍋爐主要用于工廠動力、采暖等領域，平均運行效率僅約60% ～65%。而在燃煤鍋爐中礦井熱風爐普遍存在單臺容量小、燃燒效率低、環境污染嚴重、設備陳舊老化、出力嚴重不足等問題［5］。此外風井運行場所地處偏遠山區，遠離周邊城鎮及主礦區，每年需要耗費極大的人力、物力、財力進行煤炭的運輸及爐渣的清運。在采暖期間，熱風爐房還需配備數名季節性用工，但由于工作地點偏遠、收入低，這里的運行人員往往年齡偏大，所學專業知識有限，這種情況就造成熱風爐煤耗、電耗等的增加，同時還容易導致熱風爐爐墻、前后拱、鏈條等嚴重損壞，使得每隔3年就需要對熱風爐進行一次大修。煙氣排放超標、環境污染嚴重、運行費用高，這就是我國礦井熱風爐目前存在的普遍問題。

1．2 礦井回風余熱資源情況

礦井回風因其濕度、溫度常年基本恒定，逐漸被人們視為煤礦系統中一種優質的低溫余熱資源。地處華北地區的礦井回風就具有上述顯著特征，這里的礦井回風流量大，溫度恒定在15～20℃之間，相對濕度≥90%。表1為華北地區典型礦井回風資源技術參數，礦井回風作為一種優質的低溫余熱資源，由于沒有被及時的開發利用，目前大多都是直接外排，使得低溫余熱沒有得到有效利用［5］。

表1 煤礦低溫回風資源技術參數

1．3 利用熱泵進行礦井回風余熱利用現狀

目前，熱泵系統作為節能領域的一項應用技術已得到了一定程度的推廣應用，部分礦井采用循環噴淋或直接蒸發吸熱熱泵技術回收礦井回風低溫余熱。所謂循環噴淋就是在回風井口布置一座噴淋塔，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，接著通過熱泵技術吸收水中的熱量用于加熱進風［6］。而直接蒸發吸熱就是在回風井口安裝屋頂式彩鋼結構，并將蒸發器直接布置在彩鋼結構兩側，強制礦井回風經由蒸發器翅片間隙通過，接著利用熱泵技術吸收回風中的熱量用于加熱進風［7］。在長期使用過程中，人們逐漸發現熱泵技術存在以下問題:①系統初期投資大，除需要配備壓縮機、各類循環水泵、水處理設備、管路閥門等外，還須進行大型機房及水池等土建工程建設;②熱泵系統除熱泵主機外，還配有各種循環水泵、風機等，使得系統運行電耗高;③系統運轉設備多，故障率高，維修難度大［7］。

2 礦井回風熱管余熱回收利用系統

2．1 熱管余熱利用的探討

實際生活中使用熱管對低溫熱源進行吸收利用的成功案例很多，如利用熱管對筆記本電腦CPU進行散熱，對凍土地區路基進行穩固等，但未有將熱管技術用于礦井回風余熱的吸收利用中。盡管熱管現有應用領域和礦井系統不同，但實際應用過程中熱管技術參數范圍基本一致。若熱管技術能夠在礦井得到推廣應用，這對于遠離主礦區的風井而言意義非同尋常。這將極大地改變傳統常規燃煤鍋爐使用現狀，節約大量能源，大大減少煙塵、二氧化硫和氮氧化物等污染物的排放，同時又減少了煤、灰渣在裝卸、運輸、貯存過程中對環境、交通及占地的影響，具有非常明顯的經濟和環保效益［8］。

2．2 熱管工作原理

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋組成，管內充有工作介質。管的一端為加熱段，另一端為冷卻段，中間布置有絕熱段。當將熱管的一端放到熱源中，管內的液體介質就會在吸熱后蒸發汽化，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，熱量就由熱管的一端傳至另—端［9］。

2．3 熱管余熱回收利用系統原理

礦井回風熱管余熱回收利用系統原理如圖1所示。將主通風機從風井出口排出的回風通過風道引至熱管換熱室的下側，將礦井進風通過風道引至熱管換熱室的上側。熱管中的冷媒由于吸收下側回風室中的熱量而蒸發為氣體，冷媒密度降低會逐漸向上移動。在移動過程中，由于通過熱管管壁接觸低溫進風而凝結為液體，冷媒密度增大會受重力影響而向下移動，并再次回到熱管底部吸收回風中的熱量，如此反復熱管將回風中的熱量源源不斷傳遞至進風，進風被加熱后通過風井入口進入井下。由于熱管換熱室增加了氣體流動阻力，影響了原有氣體流動特性，為此該熱管余熱回收利用系統在風道中增加了平衡風機用于消除新增設備產生的阻力。

圖1 礦井回風熱管余熱回收利用系統原理圖

3 某煤礦回風熱管余熱利用系統設計

3．1 礦井進風空氣加熱現狀

某煤礦風井目前采用3臺容量為4 t/h的熱風爐向井下送熱風，以滿足對進風井口以下空氣溫度的要求。根據歷年運行情況看，該熱風爐房絕大部分時間段僅需啟用2臺熱風爐就可滿足使用要求，極端天氣情況下則須啟用3臺熱風爐，但3臺熱風爐間斷性同時啟用總時長不超過7天。

3．2 礦井回風余熱潛能

該風井現配置有2臺Z-10軸流對旋式主通風機，該風機額定風量為125～324 m3/s，根據查閱該風井近10年運行記錄，回風溫度按照15℃計算，回風流量按照600 000 m3/h計算，相對濕度按照90%計算，進風流量按照510 000 m3/h計算，極端氣溫按照－19．1℃計算，礦井進風換熱后溫度按照≥3℃送入井下計算。

在礦井回風進入換熱器溫度ta=15℃(定性溫度)，回風流出換熱器溫度tb=3℃(最低)時，空氣標況下密度ρ標=1．292 3 kg/m3，濕空氣質量流量m濕=ρ標V=775 380 kg/h。查濕空氣焓濕表并根據含濕量可計算干空氣質量m干=767 843 kg/h。

回風溫度15℃，相對濕度90%時空氣焓值h進=39．385 kJ/kg，回風溫度3℃，相對濕度100%時空氣焓值h出=14．92 kJ/kg。則計算回風中可利用熱量Q回=m干·(h進－h出)=5 218 kW。熱管余熱回收利用系統實際可回收熱量按照90%計算時可從礦井回風中取熱Q實=5 218×0．9=4 696 kW。

3．3 礦井進風熱量需求

礦井進風側回收熱量Q=4 696 kW，進風側進口溫度:T1=－19℃，進風側出口溫度:T2≥3℃，空氣比熱容Cp=1．005 kJ/(kg·℃)時，進風側空氣溫升:ΔT=25．5℃。計算表明:當室外進風在－19℃時，礦井進風經過回風加熱后可達到6．5℃。當礦井回風或進風風量發生變化時，回風潛能和進風需熱量見表2。

表2 進、回風風量變動時回風潛能和進風需熱量一覽表

3．4 熱管換熱器設計

使用計算程序可通過邊界約束條件，輸入已知參數求取未知量，從而對熱管換熱器進行選型。通過設計計算，本項目低溫熱管換熱器及組合模塊的基本參數如下:①熱管使用材料為Ф22 mm×2 500 mm～Ф49 mm×3 000 mm鋼管鋁翅片管;②熱管排列高度為4 m，其中熱側為2．2 m、冷側為1．8 m;③冷、熱兩側空間寬度為22．8 m，每排300根熱管，管間距為76 mm，共10排管束;④冷側換熱面積為6 000 m2，熱側換熱面積為5 000 m2。

單臺熱管換熱器稱之為一個模塊，單模塊尺寸(長×寬×高)為1 898 mm×2 448 mm×4 086 mm。要實現使用熱管系統取代現有熱風爐對礦井進風加熱的目的，需要12個模塊并聯使用，則整個熱管換熱室的尺寸(長 ×寬 ×高)為24．4 m×2．5 m×4.1 m。

3．5 系統風阻計算

結合風道允許經濟流速及工程造價，礦井回風和進風風道截面尺寸均設為F(寬×高)=5 m×3 m=15 m2。則回風風道內風速 v回=11．1 m/s，進風風道內風速 v進=9．4 m/s。

由于現場布局，風道沿途設置了若干直角彎、彎頭、漸擴漸縮口等部件，根據風速及管路部件的類型查詢設計手冊，回風風道阻力系數Δξ回=1．82，進風風道阻力系數Δξ進=3．12。則回風風道阻力損失ΔP=154．5 Pa，進風風道阻力損失 ΔP=171．5 Pa。除風道阻力外同時考慮新增設備產生阻力損失時，回風系統 ΔP總回=404．5 Pa，進風系統 ΔP總進=421.5 Pa。

根據計算結果，為不影響原有通風系統，須在相對熱管換熱器的迎風面一側各安裝12臺軸流防爆風機。同時在風道內加裝壓力監控系統，由監控系統根據風阻損失對風機轉速和啟停數量進行控制。

4 熱管余熱回收利用系統的運行

4．1 環境溫度變化

該礦風井供熱風時間為每年11月1日至來年3月1日，2017—2018年采暖期熱風爐一直處于停運狀態，由熱管余熱回收系統對進風加熱。在采暖期運行階段，當室外溫度在－16℃以上時，井口進風經過回風余熱加熱后溫度可保持在2℃以上，但當出現本采暖期最低溫度－17．5℃時，對應的井口進風溫度僅能達到0．9℃，無法滿足進風溫度要求。由于極低氣溫持續時間短并沒有導致井底結冰。2017—2018年采暖期1月25日、1月26日出現室外最低溫度時，礦井回風、進風溫度比較如圖2所示。

圖2 熱管系統礦井進風、回風溫度比較

4．2 熱風爐運行費用

費用構成及污染物排放:熱風爐的運行費用主要包含電費、燃煤費、運輸費、設備維護費、人工費。熱管余熱回收利用系統運行費用主要包含電費、設備維護費、人工費。費用比較過程中能耗量以近10年運行記錄平均值為準，商品單價以當地市場價格為準，人工費、設備維護費以近10年實際發生費用平均值為準。熱風爐全年耗煤3 000 t，換算為標煤為2 140 t。每節約1 t標煤相應可減排CO22．6 t，減排氮氧化物7．4 kg，減排二氧化硫8．5 kg，減排粉塵顆粒物 11 kg［12］。

電費:熱風爐房主要耗電設備包括鼓風機、引風機、送風機，其中單臺鼓風機功率為11 kW，單臺引風機功率為22 kW，單臺送風機功率為90 kW。在綜合考慮出渣機、爐排減速機、上煤機電機功率后，單臺熱風爐電功率共計129 kW。文中按照2臺熱風爐同時運行時的耗電功率進行計算。電費=功率(kW)×運行天數(d)×每天運行小時數(h)×電價(元/kW·h)=258×150×24×0．5=46．44萬元。

燃煤費:以當地煤炭價格270元/t計算燃煤費。燃煤費=煤耗(t)×單價(元/t)=3 000×270=81萬元。

運輸費(包含煤炭運輸費及爐渣運輸費):運輸費=運輸量(t)×距離(km)×單價(元/t·km－1)=3 000×18×2．2=11．88萬元。

設備維護費:每年熱風爐停運后需要對熱風爐及其附屬設備進行維護保養，根據設備實際情況進行以下工作:修補或重砌爐墻、前后拱，維修保養電機、減速器，更換破損爐排片，清理煙道等。近10年實際發生的年均設備維護費為6萬元。

人工費:按照四班三倒制度上班，每班需配備4人進行推煤、系統操作、衛生打掃等工作，共需雇16人，當地季節工工資為3 000元/人·月。人工費=人數×工作月份 ×月工資 =16×5×3 000=24萬元。

4．3 熱管余熱利用系統運行費用

系統正常運行需在進風側和回風側各增設的12臺風機平衡風阻，其中回風側單臺風機功率為11 kW，進風側單臺風機功率為7．5 kW。

電費:系統正常運行需以平衡風阻在進風側和回風側各增設的12臺風機，其中回風側單臺風機功率為11 kW，進風側單臺風機功率為7．5 kW。熱管余熱回收系統平衡風機啟停視風道阻力而變化，此處計算按照24臺風機一直運行進行計算。電費=設備功率(kW)×運行天數(d)×每天運行小時數(h)×電價(元/kW·h)=222×150×24×0．5=39．96 萬元。

人工費:按照四班三倒制度上班，每班僅需配備1人進行記錄填寫、設備巡查、熱管清潔沖洗等工作，共需雇4人，當地季節工工資為3 000元/人·月。人工費=人數×工作月份×月工資=4×5×3 000=6萬元。

設備維護費:熱管余熱回收利用技術除平衡風機外無運轉設備，維檢修工作量小，2017—2018年采暖季未發生任何維修費用，熱管使用壽命為20年，考慮今后需要對平衡風機進行維修保養，每年投入設備維護費按照2萬元計算。

4．4 兩種系統的比較

熱風爐加熱系統與熱管余熱利用系統運行費用比較見表3。

表3 熱風爐與熱管系統運行費、氣體污染物排放量比較

5 存在問題及解決措施

5．1 熱管系統運行存在問題

回風阻力影響:熱管系統將回風通過風道引入換熱室時，部分風道為直角彎頭造成回風阻力增大。

凝結水影響:熱管換熱室回風側空氣濕度大，回風在降溫過程中會凝結為液體，由于換熱室底部未設置足夠的坡度，造成底部積水嚴重，部分熱管底部浸入水中。換熱室底部積水嚴重影響換熱室及熱管的使用壽命。

粉塵影響:礦井回風中因含有粉塵等物質，在通過潮濕的熱管時，粉塵會粘附在熱管表面，造成熱管傳熱系數降低。現有系統需人工進入換熱室并使用高壓水槍進行沖洗，由于熱管間距小，部分區域人員無法到達，存在清洗不到位的現象。

室外極端溫度影響:本采暖期出現的極寒室外溫度為－17．5℃，對應井下送風溫度為0．9℃，低于《煤炭安全規程》中規定的2℃。

5．2 解決措施

風道拐彎設計:風道在連接過程中若確須設彎頭，彎頭應采用圓弧進行過渡，避免使用直角彎頭。

排水設計:應充分考慮回風中水汽放熱后出現的凝結現象，在熱管換熱室底部設置適當的坡度，以便將積水外排防止影響換熱室及熱管使用壽命。

自動清洗:在熱管換熱室內設置自動噴洗裝置，監控系統可采集溫度、流量參數，若系統傳熱系數低于允許數值時啟動熱管噴洗裝置進行自動清洗。

輔助電加熱:在進風風道熱管換熱室后設置電輔助加熱系統。礦井進風在經過熱管換熱室加熱后，引至電輔助加熱系統，保證極端氣候下的進風溫度要求。

6 結語

隨著節能環保工作的深入開展，燃煤熱風爐由于存在容量小、效率低、煙氣排放超標等問題急需進行升級改造。對于新建礦井及熱風爐提標改造場所應充分利用礦井回風低溫余熱，這樣不僅可避免由于煙氣排放而造成的環境污染，還可大幅度降低運行費用。在場所建設過程中應充分考慮該熱管余熱回收利用系統在運行中存在的問題，避免出現類似情況。