低溫熱管技術(shù)在煤礦回風(fēng)余熱回收中的應(yīng)用與研究

張 強

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

長期以來，陽泉地區(qū)進風(fēng)井的冬季防凍問題通常采用傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)爐為熱源，通過風(fēng)機將熱風(fēng)與冷風(fēng)混合達到+2℃以上送至井下，保證井口不結(jié)冰。燃煤熱風(fēng)爐不但每年消耗大量的燃煤，而且風(fēng)井大多地處山區(qū)、遠離主礦區(qū)，用煤運輸困難；此外，現(xiàn)有熱風(fēng)爐老化嚴重，每年需要維護和大修；近年來，由于環(huán)保形勢的日趨嚴峻，并且根據(jù)山西省《“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”三年行動計劃》要求，到2020年全面淘汰35蒸噸以下的燃煤鍋爐。

礦井回風(fēng)作為煤礦系統(tǒng)中一種優(yōu)質(zhì)的低溫余熱資源，其溫度、濕度常年基本恒定。華北地區(qū)大部分礦井回風(fēng)一般在15～20℃、相對濕度≥90%，而且回風(fēng)量普遍較大,作為在煤礦系統(tǒng)中一項重要的礦井次生熱能資源，目前大多直接排入大氣，沒有得到有效利用。

水（風(fēng)）源熱泵系統(tǒng)作為節(jié)能領(lǐng)域的一項應(yīng)用技術(shù)，盡管近幾年得到了一定的推廣。但該技術(shù)在節(jié)能環(huán)保的同時存在以下問題：一是系統(tǒng)（設(shè)備）的造價高，除核心設(shè)備熱泵主機外還必須配置各類循環(huán)水泵、各種水處理設(shè)備、配套管路等閥部件、電氣及控制設(shè)備、大型機房及水池等土建工程；二是運行費用大，熱泵系統(tǒng)耗電設(shè)備多，除熱泵主機外還包括各種循環(huán)水泵、井口防凍用風(fēng)機等；三是管理難度比較大，系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)類設(shè)備多、故障率相對高，如一旦停電發(fā)現(xiàn)不及時就易凍壞表冷器等換熱元件，不僅影響安全生產(chǎn)，而且維護費用較高。鑒于上述種種原因，礦井回風(fēng)用低溫熱管技術(shù)在此基礎(chǔ)上應(yīng)運而生[1-2]。

1 熱管工作原理及主要工作特性

1.1 工作原理

熱管的基本工作原理如圖1所示，典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一段為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段，根據(jù)應(yīng)用需要在兩端中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。

圖1 熱管工作原理圖

1.2 工作特性

熱管是依靠自身內(nèi)部工質(zhì)相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，其有兩個主要特性：

1）高導(dǎo)熱性：熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數(shù)量級的熱量。當然，高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學(xué)第二定律，并且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限。

2）良好的等溫性：熱管內(nèi)的蒸汽處于飽和狀態(tài)，一定的飽和蒸汽溫度對應(yīng)于相應(yīng)的飽和蒸汽壓力，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。

該項目主要研究的是重力熱管，也被稱為熱虹吸管，是因為它借用了“虹吸”物理概念—利用某種勢差引起質(zhì)量、能量或其他量的轉(zhuǎn)移。如圖2所示為熱虹吸管的幾何結(jié)構(gòu)和工作原理圖。熱虹吸管里面充有工質(zhì)液體，內(nèi)部抽真空封閉而成。整個熱虹吸管在豎直方向由下至上可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。在蒸發(fā)段有熱量輸入，工質(zhì)液體吸熱溫度升高并發(fā)生相變，水蒸氣向上運動，到達冷凝段后遇冷凝結(jié)，放出熱量。冷凝液在重力的作用下回流至蒸發(fā)段，補充蒸發(fā)段蒸發(fā)掉的液體，從而使整個傳熱傳質(zhì)過程循環(huán)往復(fù)進行下去[1-2]。

圖2 熱虹吸管工作原理圖

2 應(yīng)用案例介紹

2.1 主要內(nèi)容

項目于2017—2018年在陽泉陽煤集團一礦吳家掌風(fēng)井廠區(qū)研發(fā)一套礦井回風(fēng)低溫熱管余熱回收裝置，對風(fēng)井礦井回風(fēng)余熱進行回收利用，完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱風(fēng)爐為井口供暖，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2.2 熱源參數(shù)

吳家掌礦井回風(fēng)溫度≥13℃，相對濕度90%以上，礦井回風(fēng)流量≥10 696 m3/min；礦井進風(fēng)流量≤8 540 m3/min。

2.3 熱負荷供需情況（見表1）

表1 進、回風(fēng)變動工況下余熱量和需求量浮動一覽表

2.4 項目的主要創(chuàng)新點

1）研發(fā)了適用于礦井回風(fēng)特點的低溫熱管溫控介質(zhì)，制作了單根低溫強化肋相變熱管，滿足了礦井回風(fēng)低溫余熱提取過程中熱能響應(yīng)與激發(fā)的需要。

2）通過對礦井回風(fēng)低溫、高濕、大風(fēng)量、高粉塵等特性的研究，開發(fā)了礦井回風(fēng)專用低溫熱管換熱模塊，滿足了礦井回風(fēng)低溫余熱的熱能回收需要。

3）設(shè)計了礦井回風(fēng)和礦井進風(fēng)換熱過程中漸變交錯型風(fēng)道，同時研發(fā)了并聯(lián)型風(fēng)阻自平衡模塊，解決了和礦井主扇的風(fēng)阻匹配問題，滿足了煤礦安全通風(fēng)的需要。

3 回收系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)工作原理（見圖3）

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

3.2 并聯(lián)型風(fēng)阻自平衡模塊

根據(jù)氣體壓力管流的水力特性、阻力特性，計算了項目礦井風(fēng)道、熱管換熱模塊的阻力，得到回風(fēng)管路阻力約205 Pa，進風(fēng)管路阻力約252 Pa。

設(shè)計了礦井回風(fēng)和進風(fēng)換熱過程中弧形交錯風(fēng)道，減少了阻力，增強了換熱效果（申請實用新型專利：一種用于礦井回風(fēng)熱回收的氣體通道ZL201721088103.3）。為進一步克服阻力損失，進、回風(fēng)風(fēng)道各采用12臺11 kW軸流風(fēng)機，與12個換熱模塊一一對應(yīng)、并聯(lián)安裝于熱管模塊的迎風(fēng)面一側(cè)，實現(xiàn)了風(fēng)阻平衡。

3.3 換熱模塊

根據(jù)理論計算和實驗室數(shù)據(jù)證明，裝有翅片（強化肋）的熱管對外換熱的有效面積增大，使得流體進入流道后充分與翅片進行對流換熱，使傳熱效果更佳。

翅片管換熱器中流體在流道內(nèi)因受到阻力的影響，包括換熱器本身阻力和翅片阻力，從而降低了流體流道內(nèi)的流速，使熱管與流體的換熱時間增加，從而使換熱效果更加充分。

該熱管換熱裝置尺寸龐大，考慮工廠加工、長途運輸及現(xiàn)場吊裝等實際情況，將低溫熱管換熱裝置進行模塊化設(shè)計，本項目熱管換熱裝置共12個模塊，共3 000根熱管構(gòu)成。

3.4 回風(fēng)井和進風(fēng)井活動門快速開啟系統(tǒng)

1）本系統(tǒng)需在冬季將礦井回風(fēng)口封閉，然后將礦井回風(fēng)引入新設(shè)風(fēng)道及換熱裝置后再排出；為適應(yīng)風(fēng)井場地每年的反風(fēng)演練需要，在礦井回風(fēng)口封閉結(jié)構(gòu)的側(cè)面設(shè)置了可自由開啟的液壓活動門，確保4 min之內(nèi)實現(xiàn)活動門完全開啟。

2）本系統(tǒng)在冬季正常運行時，進風(fēng)井原有12扇窗戶是完全封閉的，而當非采暖季或反風(fēng)演練時，則要求12扇窗戶完全打開，因此設(shè)計了一套氣壓快速啟動系統(tǒng)，動力氣體來自廠區(qū)空壓機。

4 應(yīng)用效果

通過2017年12月共計192組數(shù)據(jù)的結(jié)果，繪制回風(fēng)和新風(fēng)進出口的溫度變化曲線圖，見圖4。

圖4 回風(fēng)和新風(fēng)進出口的溫度變化曲線圖

根據(jù)上圖中的變化趨勢分析如下：

1）熱管換熱器熱交換性能良好，在新風(fēng)進風(fēng)-10℃時加熱后的新風(fēng)溫度達到3.2℃，溫升達13.2℃，熱管換熱器收到了良好的熱能回收效果。

2）熱管換熱器傳熱工質(zhì)的啟動和運行正常，熱管運行溫度與冷側(cè)和熱側(cè)的溫度響應(yīng)特性良好。

3）熱管換熱器蒸發(fā)側(cè)壁面溫度與回風(fēng)溫度的溫差較小，熱管蒸發(fā)側(cè)熱交換性能良好，吸熱和導(dǎo)熱效率很高。

4）熱管換熱器冷側(cè)壁面溫度和新風(fēng)溫度近乎一致，熱管冷凝側(cè)熱交換性能良好，放熱效率很高。

5）熱管的熱交換性能能隨回風(fēng)側(cè)和進風(fēng)側(cè)溫差動態(tài)變化，換熱效果呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性，即：隨著溫差的增加，低溫熱能回收效率增加。

通過兩個采暖季的應(yīng)用，該系統(tǒng)在極端天氣下（室外溫度-18℃時），仍然可滿足進風(fēng)溫度≥2℃的要求。為提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)配備電輔熱，在環(huán)境溫度低于-19℃時開啟，輔助新風(fēng)加熱。

5 經(jīng)濟效益及社會效益

5.1 經(jīng)濟效益

應(yīng)用低溫熱管技術(shù)以來，每年可節(jié)約燃煤3 200 t左右，折合燃煤費用160萬元左右，加上電費、維護費、水處理費、燃煤運輸、人工工資、環(huán)保運行費用等每年約259.6萬元，加上鍋爐脫硫脫銷的運行費用約60萬元，共計320.12萬元左右，扣除熱管系統(tǒng)風(fēng)機運行的電費和維護費共計22.8萬元，熱管換熱系統(tǒng)比燃煤熱風(fēng)爐每年節(jié)約297.32萬元。

5.2 社會效益

據(jù)相關(guān)資料，每節(jié)約1 t標煤消耗量，相應(yīng)可減排二氧化碳2.6 t，減排二氧化硫8.5 kg，減排氮氧化物7.4 kg，減排粉塵顆粒物11 kg。計算可得，每年可減少二氧化碳排放約5 940 t、粉塵排放約25 t、二氧化硫排放約20 t和氮氧化物排放約17 t。

6 結(jié)論

1）通過試驗項目的實際運行情況，系統(tǒng)熱能回收率高、運行費用低、系統(tǒng)簡單、可靠性高，能夠滿足大多風(fēng)井場地冬季井口防凍要求，無需消耗煤炭，較好地解決了燃煤鍋爐的污染物排放問題。

2）本項目在礦井回風(fēng)余熱回收專用相變熱管、熱交換系統(tǒng)風(fēng)阻平衡技術(shù)等方面實現(xiàn)突破，極大地推動了熱管技術(shù)的大型化工程應(yīng)用。至今為止，本技術(shù)已在陽煤集團一礦、二礦、五礦、開元公司和神東集團進行工程化實施，它的適用面廣、可應(yīng)用于全國同類礦井，具有一定推廣價值。