煤礦余熱資源回收利用技術的特點分析*

曹 龍

(神木匯森涼水井礦業有限責任公司，陜西 榆林 719319)

0 引言

煤礦作為煤炭生產的主體，是能源的生產者又是直接的消費者。礦井在生產過程中產生的空壓機余熱、地下水余熱、回風余熱等低品位余熱資源通常不被重視，該部分資源雖然能量品位低，但體量巨大[1]。挖掘和利用在生產消費過程中派生的清潔能源可以為礦區提供非生產性服務，從而減少煤炭的直接使用。煤礦企業礦井回風、井下涌水、空壓機運行等余熱通過熱泵技術的再利用已經成為大型煤礦企業勢在必行的研究方向。

1 空壓機余熱回收技術

1.1 空壓機運行熱量分布

空氣壓縮機是一種通過電能驅動機械部分運轉，通過機械部分運轉將常壓空氣壓縮為高壓空氣的裝置。煤礦所用空壓機是將正常大氣壓的空氣壓縮為較高壓力的空氣，輸送至井下，作為生產動力及出現災害后作業人員呼吸來源使用。空壓機是將輸入的電能轉換為兩部分能量，一是空氣壓縮所得到的機械勢能(單臺壓縮機標準輸出工況可達65%～70%)，由于煤礦壓縮空氣用量不連續、不穩定、空壓機輸入的電能轉換空氣壓縮所得到的機械勢能實踐證明只有35%～30%；二是為維持壓縮空氣壓力狀況與合理的排氣溫度，壓縮機需保持高速旋轉，空壓機輸入的電能大部分成為摩擦消耗轉換成熱能(占輸入電能的65%～70%)。空氣壓縮機的連續運行，產生大量的熱能無法排放，對設備壽命造成一定的影響。如圖1所示，在空壓機的運行過程中，所產生的6%～8%的熱量隨壓縮空氣排至井下，90%的熱量隨冷卻油的降溫，排至外界大氣環境。這些熱能都由于機器運行溫度的需求，被無端地排放，造成熱源浪費。

圖1 空氣壓縮機運行熱量分布Fig.1 Heat distribution during operation of air compressor

1.2 空壓機余熱回收技術工作原理

一般情況下，空壓機余熱回收裝置的運行分為啟動、工作、停止3種狀態，系統如圖2所示。當空壓機余熱回收裝置處于啟動狀態時，空壓機冷卻油溫過低，冷卻油通往換熱器的閥門自動關閉，冷卻油在空壓機本體內循環。通過與發動機運轉過程中產生的熱量進行交換，熱量逐漸轉化至冷卻油中，起到設備冷卻的目的。當空壓機運行一段時間后，冷卻油溫升高至設定值，旁通閥自動打開。高溫的冷卻油和裝置內的循環水發生熱交換，完成了油溫降低、循環水溫升高的目的。當冷卻油溫降低至設定值時，旁通閥又自動關閉，重新開始空壓機冷卻的過程。當循環熱水溫度達到設定值，暫不需要吸收熱量時，旁通閥自動關閉，冷卻油繼續在空壓機內循環，余熱回收裝置處于停止狀態，不影響空壓機的正常運行。

圖2 空氣壓縮機余熱回收技術系統Fig.2 Waste heat recovery technology system of air compressor

1.3 余熱回收技術對空壓機運行的影響分析

空壓機余熱回收裝置的熱能來自空壓機的冷卻油熱量。根據圖2可知，換熱器只是串聯在空壓機的油路中。裝置可以通過設定冷卻油溫、循環水溫控制旁通閥門的開閉。即使余熱回收裝置不工作，空壓機的冷卻油在本體內循環，依然能夠保證空壓機的正常運行。一般空壓機的產氣量跟機組運行的溫度在一定范圍內成反比，這是根據空壓機的工作原理所決定的。以螺桿式空壓機為例，溫度每上升10 ℃，產氣量就會下降5%～8%。實際使用中，經常還會因為壓縮機的溫度過高而導致停機現象。因余熱回收技術是將空壓機的冷卻油溫度降低，間接降低壓縮機溫度，繼而提高產氣量，減少設備因溫度過高而停機的可能。因余熱回收裝置可間接降低空壓機溫度，使空壓機長期處于正常溫度運行狀態。可大大增加空壓機配件的使用壽命，節約配件的更換成本。同時，由于冷卻油溫長期處于正常溫度范圍，碳化概率將大大降低，從而增加了空壓機的使用壽命。

2 熱泵技術的原理與節能分析

2.1 熱泵技術的主要原理

熱泵技術是一種高效節能技術，主要是利用高位能將熱量從低位熱源中提取，又將提取的該部分熱能重新用于高位熱源后使用[2]。即熱泵就是根據普通泵的原理，將可直接利用的低熱源(如空氣、土壤、水中所含的熱能)轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能(煤、石油、天然氣等)的目的[3]。該技術的特點明顯，一是自身是需要消耗高位能來提供機組運行所需的能量，使機組運轉；二是通過機組運轉把大量低熱源中的熱能輸送至高品位，供目標用戶使用。如此，目標用戶將得到機組本身消耗的高位能和運行吸取的低位能。因此，熱泵技術首先不存在熱量的浪費，其次消耗少量的高品位能來換取3倍甚至更高的熱能。所以，熱泵技術是一種高效節能的供熱技術[4]。

2.2 熱泵技術的節能原理分析

根據卡諾循環原理，在理想狀態下熱泵的工況循環是圖3所示的逆卡諾循環溫熵圖。依圖可知，工質在高溫熱源(T)和低溫熱源(T0)間進行循環。

圖3 逆卡諾循環溫熵Fig.3 Temperature entropy of inverse Carnot Cycle

熱泵的熱力經濟性指標一般由性能系數COP來表示

(1)

式中，Q為熱泵向高溫熱源輸出的能量，kW；W為向系統輸入的有用功，kW。

當熱泵處于制冷狀態時，性能系數為

(2)

式中，QC為熱泵從低溫熱源吸收的熱量，kW。

當熱泵處于制熱循環的狀態，性能系數則為

(3)

式(3)中，由于QC/W>0，熱泵系統的性能系數COP總大于1，輸出能量恒大于輸入的能量，節能優勢顯而易見(日常生活中，電取暖的能量利用率一般接近1，一次化石能源取暖利用率則遠小于1)。

換種思路，從數學角度分析熱源的溫度對COP的影響。根據逆卡諾循環溫熵圖(圖3)，COP計算公式可以寫作

(4)

式(4)兩邊對T0求導得

(5)

式(4)兩邊對T求導得

(6)

礦井熱源一般是穩定的熱源，因其井下排水、回風等均來自恒溫地熱，外界越是寒冷，其與大氣溫差就越高。熱泵在制熱工況運行時，相當于提高了低溫熱源溫度，從而提高了系統的COP值。無論在何種工況下運行，COP都提高了，充分說明了熱泵機組的高效節能性。

3 礦井涌水余熱回收技術

3.1 水源熱泵技術原理分析

水源熱泵技術是采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入將水中的低位熱能資源吸收并轉化至高位熱能用戶，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術[6]。在煤礦方面，則是利用礦井水作為熱源，結合熱泵技術提取熱量，用于場區建筑采暖、洗浴用熱等。其具體工作原理如圖4所示。

圖4 礦井水源熱泵供熱原理示意Fig.4 Heating principle of mine water source heat pump

在礦井水源熱泵工作時，首先，壓縮機產生的制冷劑氣體具有高溫高壓特性，氣體進入冷凝器釋放熱量變成高壓液體，釋放的熱量對熱水供水進行加熱。其次，冷凝后的制冷劑又被膨脹閥處理成低溫低壓液體后進入蒸發器。進入蒸發器的低溫低壓液體制冷劑吸收水源中的熱量形成低壓蒸汽。最后，低壓制冷劑蒸汽又被壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，繼續進入冷凝器液化釋放熱量，用于加熱熱水供水。整個過程形成一個完整的循環系統。針對煤礦行業，水源熱泵系統的供熱源主要是地下存水[7]。與空調原理不同的是，水的比熱容要比空氣高出很多。所以，水源熱泵的系統性能系數COP要比空氣源熱泵更高更穩定。同時，因各地的地質條件和外界環境的不同，地下水質的硬度有很大差異。其中原水硬度對于設備的影響不可忽視。解決換熱器的結垢、堵塞是目前水源熱泵所面臨的主要問題[8]。開發換熱效率高、容水流量大、水流速度小、能夠定期除垢的換熱技術，是水源熱泵技術未來發展的關鍵突破點。

3.2 礦井水源熱泵技術的特點分析

礦井水源熱泵技術是利用礦井水作為熱源對其熱量進行提取。礦井水常年保持水溫恒定，系統利用熱泵機組把礦井水中的低位熱能提取出來，轉化為礦區生產、生活等采暖所能夠利用的高位熱能，是一次能源完美的替代品。同時，因其只是進行純粹的熱交換，不存在對水體污染的問題，更加環保[9]。冬季礦井水溫度一般在14～20 ℃，遠高于室外的零下環境溫度。這等同于提高了上述逆卡諾循環中的低溫熱源溫度，也就提高了設備的能效比。所以，水源熱泵系統比一般的熱泵系統更加高效節能。因礦井水溫、水量常年保持恒定，即使出現波動，也不會太大，是非常理想的穩定熱源。

4 礦井回風余熱回收技術

4.1 礦井回風熱來源

井工煤礦因地下開采的原因，本身具有豐富的地熱資源。在煤礦生產過程中需要輸入源源不斷的新鮮風流，以改善井下環境溫度及空氣質量。輸入井下的新鮮風流通過與井下巷道、設備、涌水等進行熱交換，最終排出的風溫與井下環境溫度相似。一般來說，采煤深度每向下30 m溫度增加1 ℃[10]。另一方面，井下各類設備散熱、涌水散熱等均進入礦井回風環境中，這部分熱量均屬于穩定熱源。所以，礦井回風熱資源具有熱源穩定、溫度恒定的特點。目前市場上最常見的回風余熱收集技術主要有直蒸式淺焓取熱乏風熱泵技術、直冷式深焓取熱乏風熱泵技術2類。下面具體論述以下2種回風余熱收集技術的主要原理及性能分析。

4.2 直蒸式淺焓取熱乏風熱泵技術

4.2.1 技術原理

直蒸式淺焓取熱乏風熱泵技術原理如圖5所示。在風機排風口處建設一座乏風換熱室，換熱室側面布置乏風換熱箱，在乏風換熱箱中完成低溫低壓制冷劑液體的蒸發吸熱過程，提取乏風中的熱量。液態制冷劑吸熱后變為氣態，進入壓縮機后進一步轉化為高溫高壓狀態。高溫高壓氣態制冷劑在水換熱器中與冷水發生熱交換發熱后冷凝為液態，經膨脹減壓閥再次降壓后進入乏風換熱箱。水換熱器中冷水吸熱變為熱水供后續用戶供熱[11]。如此往復循環，完成整個換熱過程。

圖5 直蒸淺焓取熱乏風熱泵技術原理示意Fig.5 Technical principle of direct steam shallow enthalpy heat extraction exhaust air heat pump

4.2.2 優點及存在的問題

直蒸式淺焓取熱乏風熱泵技術的系統簡單，主要由乏風換熱箱和熱泵機組2部分組成，運行可靠性高；不存在熱水循環過程，耗能設備少，綜合能效高；乏風取熱量較大，乏風溫度可取至0 ℃。然而，系統靠壓縮機提供取熱側循環動力，取熱箱與熱泵機組之間的距離要求不宜過遠，該技術對現場場地狀況要求較高；取熱箱與熱泵機組之間高差不宜太大，系統的布置對現場場地同樣有要求；存在乏風取至霜點以下除霜問題，實現雙級取熱難度較大；取熱量大時，要求增加機組數量，從而增加各自機組的制冷劑循環管網系統，導致系統繁雜，無形中增加了運行維護成本。

4.3 直冷式深焓取熱乏風熱泵技術

4.3.1 技術原理

直冷式深焓取熱乏風熱泵技術是對直蒸式淺焓取熱乏風熱泵技術進行了改進，在完成一個取熱循環的基礎上，采用雙級深焓取熱技術，乏風取熱后溫度可低至-15 ℃，相對傳統技術取熱量提高2倍以上。如圖6所示，系統設置乏風取熱室，取熱室內設置乏風取熱箱，通過防凍液管路將乏風取熱箱和熱泵機組連通。防凍液在取熱箱中吸收井下排風熱量，流經熱泵機組蒸發器時將吸收的熱量轉移至機組中的制冷劑，與下一級用戶熱水進行換熱，每一個熱交換系統都屬于單獨的閉式循環系統[12]。系統簡單，取熱效率高。同時，取熱箱與機組之間距離和高差不受限制，機房位置更具靈活性。采用的無縫滾動除霜技術解決了乏風溫度取至冰點以下時的系統結霜問題。

4.3.2 技術特點

直冷式深焓取熱乏風熱泵技術增加了工質循環泵對防凍液進行循環，取熱箱與機組之間距離和高差不受限制，機房位置更具靈活性，減少工程改造難度。每一個熱交換系統都屬于單獨的閉式循環系統，制冷劑、防凍液污染小，延長機組使用壽命，增加了系統的可靠性。多組乏風取熱機組，換熱效率高，取熱焓差大。增加了清洗系統，通過取熱器前后壓差自動控制清洗頻次，保證了清洗的周期性和穩定性，延長了取熱器壽命。“主動給液”與“油氣分離”技術，解決熱泵熱力系統的配液與回油問題，提升了熱泵系統運行能效；循環水供熱溫度較傳統技術高，最高可達80 ℃。

圖6 直冷式深焓取熱乏風熱泵技術原理示意Fig.6 Technical principle of direct cooling deep enthalpy heat extraction exhaust air heat pump

5 結論

(1)闡述了空壓機余熱利用過程中熱回收裝置的工作原理及對空壓機的影響，得出了因回收裝置能夠降低空壓機冷卻油溫而對空壓機的正常使用起到積極作用的結論。

(2)以卡諾循環原理為基礎，論述了熱泵技術的節能原理，得出了無論在何種工況下運行，礦井水源熱泵機組的性能系數COP都有所提高，熱泵系統具有高效節能的特點。

(3)對直蒸式淺焓取熱乏風熱泵技術、直冷式深焓取熱乏風熱泵技術做了詳細對比，進行了優缺點分析。得出了因直冷式深焓取熱乏風熱泵技術采用了雙級深焓取熱技術的原因，在乏風取熱后溫度可低至-15 ℃，相對傳統技術取熱量提高2倍以上，具有換熱效率高，取熱焓差大、取熱器表層積塵少、長期運行可靠、循環水溫度高等特點。

(4)整體來說，利用熱泵原理對煤礦余熱資源進行回收利用是高效、環保、可行的。從環保運行角度，以建設低碳礦區為目標，煤礦企業礦井回風、井下涌水、空壓機運行等余熱通過熱泵技術的再利用已經成為大型煤礦企業勢在必行的研究方向。