低温热管技术在煤矿回风余热回收中的应用与研究.pdf

总第2 0 8期 2 0 2 0年第8期 机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 208 No.8, 2020 实践与应用 D0110.16525/j l4-1134/th.2020.08.065 低温热管技术在煤矿回风余热回收中的应用与研究 张 强 阳泉煤业集 团 有限责任公司， 山 西 阳 泉 045000 摘 要 基于阳泉矿区矿井回风余热特点， 项目利用热管高导热性、 等 温性等特性， 以环保型氟利昂为导热介 质 ， 以碳钢钢管加铝翅片为结构的热管装置， 通过理论计算热量供需关系， 研发一套矿井回风低温余热回收装 置 ， 对矿井回风余热进行回收利用， 完全代替传统热风炉为井口供暖， 实现节能减排的目的。 关键词低 溫 热 管 余 热 回 收 换 热 模 块 中图分类号TK172.4;TK115 文献标识码A 文章编号 1003-773X 202008-0154-03 引言 长期以来，阳泉地区进风井的冬季防冻问题通 常采用传统燃煤热风炉为热源，通过风机将热风与 冷风混合达到2 t以上送至井下，保证井口不结 冰。 燃煤热风炉不但每年消耗大量的燃煤， 而且风井 大多地处山区、 远离主矿区， 用煤运输困难;此外， 现 有热风炉老化严重， 每年需要维护和大修;近年来， 由于环保形势的日趋严峻， 并且根据山西省 “ 蓝天 保卫战” 三年行动计划 要 求 ， 到 2020年全面淘汰 35蒸吨以下的燃煤锅炉。 矿井回风作为煤矿系统中一种优质的低温余热 资源,其温度、 湿度常年基本恒定。华北地区大部分 矿井回风一般在15 20 T、 相对湿度為90,而且 回风量普遍较大， 作为在煤矿系统中一项重要的矿 井次生热能资源， 目前大多直接排人大气， 没有得到 有效利用。 水风源热泵系统作为节能领域的一项应用技 术 ， 尽管近几年得到了一定的推广。 但该技术在节能 环保的同时存在以下问题一是系统设备） 的造价 高 ，除核心设备热栗主机外还必须配置各类循环水 泵 、 各种水处理设备、 配套管路等阀部件、 电气及控制 设备、 大型机房及水池等土建工程;二是运行费用大， 热泵系统耗电设备多， 除热泵主机外还包括各种循环 水泵、 井口防冻用风机等;三是管理难度比较大， 系统 中运转类设备多、 故障率相对高， 如一旦停电发现不 及时就易冻坏表冷器等换热元件，不仅影响安全生 产 ， 而且维护费用较高。 鉴于上述种种原因， 矿井回风 用低温热管技术在此基础上应运而生[ 1 _ 2 ] 。 1热管工作原理及主要工作特性 1 . 1 工作原理 热管的基本工作原理如图1所示，典型的热管 收稿日期2020-05-06 作者简介 张强（ 1981 , 男 ， 本 科 ， 毕业于太原理工大学， 机 电工程师。 由管壳、 吸液芯和端盖组成， 将管内抽成负压后充以 适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔 材料中充满液体后加以密封。 管的一段为蒸发段， 另 一端为冷凝段， 根据应用需要在两端中间可布置绝 热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发 汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量 凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用 流回蒸发段。如此循环不已， 热量由热管的一端传 至另一端。 1 . 2 工作特性 热管是依靠自身内部工质相变来实现传热的传 热元件， 其有两个主要特性 1 高导热性热管内部主要靠工作液体的汽、 液 相变传热， 热阻很小， 因此具有很高的导热能力。与 银 、 铜 、 铝等金属相比， 单位重量的热管可多传递几 个数量级的热量。当然， 高导热性也是相对而言的， 温差总是存在的,不可能违反热力学第二定律， 并且 热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些 传热极限。 2 良好的等温性热管内的蒸汽处于饱和状态， 一定的饱和蒸汽温度对应于相应的饱和蒸汽压力， 饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小， 根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知， 温 降亦很小， 因而热管具有优良的等温性。 2020年第8期张强低温热管技术在煤矿回风余热回收中的应用与研究 155 该项目主要研究的是重力热管，也被称为热虹 吸管， 是因为它借用了“ 虹吸” 物理概念一利用某种 势差引起质量、 能量或其他量的转移。 如图2 所示为 热虹吸管的几何结构和工作原理图。热虹吸管里面 充有工质液体， 内部抽真空封闭而成。 整个热虹吸管 在竖直方向由下至上可分为蒸发段、绝热段和冷凝 段。 在蒸发段有热量输人， 工质液体吸热温度升高并 发生相变，水蒸气向上运动，到达冷凝段后遇冷凝 结，放出热量。冷凝液在重力的作用下回流至蒸发 段， 补充蒸发段蒸发掉的液体， 从而使整个传热传质 过程循环往复进行下去[ 1 _ 2]。 2应用案例介绍应用案例介绍 2 . 1主要内容主要内容 项目于2017 2 0 1 8年在阳泉阳煤集团一矿吴 家掌风井厂区研发一套矿井回风低温热管余热回收 装置， 对风井矿井回风余热进行回收利用， 完全代替 传统热风炉为井口供暖， 实现节能减排的目的。 2 _ 2热源参数热源参数 吴家掌矿井回风温度 1 3 T， 相对湿度9 0 以 上 ， 矿井回风流量英10 696 m3 /min;矿井进风流量矣 8 540 m3 /min〇 2 . 3热负荷供需情况热负荷供需情况见 表见 表1 表 1进、 回风变动工况下余热量和需求量浮动一览表 矿井回风量/ mimin1 回风余热能 /kW 扣除热损 10 后 經 矿井进风量/ rnmin-1 进风所需热 能/kW 8 0004 0743 6676 8003 236 8 4004 2823 8547 2003 426 8 8004 4904 0417 6003 616 9 2004 6984 2288 0003 806 9 6004 90644158 4003 996 10 00052184 6968 800 4 186 104005 4364 8929 200 4 376 10 80056445 0809 600 4 566 2 . 4项目的主要创新点项目的主要创新点 1研发了适用于矿井回风特点的低温热管温控 介质， 制作了单根低温强化肋相变热管， 满足了矿井 回风低温余热提取过程中热能响应与激发的需要。 2 通过对矿井回风低温、 高湿、 大风量、 高粉尘 等特性的研究，开发了矿井回风专用低温热管换热 模块， 满足了矿井回风低温余热的热能回收需要。 3 设计了矿井回风和矿井进风换热过程中渐变 交错型风道， 同时研发了并联型风阻自平衡模块， 解 决了和矿井主扇的风阻匹配问题，满足了煤矿安全 通风的需要。 3回收系统分析回收系统分析 3 . 1系统工作原理系统工作原理见 图见 图3 热管换热器 图3系统工作原理图 3 . 2并联型风阻自平衡模块并联型风阻自平衡模块 根据气体压力管流的水力特性、 阻力特性， 计算 了项目矿井风道、 热管换热模块的阻力， 得到回风管 路阻力约205 Pa,进风管路阻力约252 Pa。 设计了矿井回风和进风换热过程中弧形交错风 道 ， 减少了阻力， 增强了换热效果（ 申请实用新型专 利 一 种 用 于 矿 井 回 风 热 回 收 的 气 体 通 道 ZL201721088103.3。为进一步克服阻力损失， 进 、 回 风风道各采用12台 11 kW轴流风机，与 12个换热 模块一一对应、 并联安装于热管模块的迎风面一侧， 实现了风阻平衡。 3 . 3换热模块换热模块 根据理论计算和实验室数据证明，装有翅片 强化肋） 的热管对外换热的有效面积增大， 使得流 体进入流道后充分与翅片进行对流换热， 使传热效 果更佳。 翅片管换热器中流体在流道内因受到阻力的影 响， 包括换热器本身阻力和翅片阻力， 从而降低了流 体流道内的流速， 使热管与流体的换热时间增加， 从 而使换热效果更加充分。 该热管换热装置尺寸庞大， 考虑工厂加工、 长途 运输及现场吊装等实际情况，将低温热管换热装置 进行模块化设计，本项目热管换热装置共12个模 块 ， 共3 0 0 0根热管构成。 3 . 4回风井和进风井活动门快速开启系统回风井和进风井活动门快速开启系统 1本系统需在冬季将矿井回风口封闭， 然后将 矿井回风引入新设风道及换热装置后再排出；为适 156 机械管理开发 jxglklbjb 第35卷 4 - 1回风进出口 时刻 4 -2新风进出口 图4回风和新风进出口的温度变化曲线图 根据上图中的变化趋势分析如下 1 热管换热器热交换性能良好， 在新风进风 -10丈时加热后的新风温度达到3.2 温升达13.2 ， 热管换热器收到了良好的热能回收效果。 2 热管换热器传热工质的启动和运行正常， 热 管运行温度与冷侧和热侧的温度响应特性良好。 3 热管换热器蒸发侧壁面温度与回风温度的温 应风井场地每年的反风演练需要，在矿井回风口封 闭结构的侧面设置了可自由开启的液压活动门， 确 保 4 min之内实现活动门完全开启。 2本系统在冬季正常运行时， 进风井原有12扇 窗户是完全封闭的,而当非采暖季或反风演练时， 则 要 求 12扇窗户完全打开， 因此设计了一套气压快速 启动系统,动力气体来自厂区空压机。 4应用效果 通 过 2017年 12月 共 计 192组数据的结果， 绘 制回风和新风进出口的温度变化曲线图， 见图4。 差较小， 热管蒸发侧热交换性能良好， 吸热和导热效 率很高。 4 热管换热器冷侧壁面温度和新风温度近乎一 致,热管冷凝侧热交换性能良好， 放热效率很高。 5 热管的热交换性能能随回风侧和进风侧温差 动态变化， 换热效果呈现良好的正相关性， 即 随着 温差的增加， 低温热能回收效率增加。 通过两个采暖季的应用，该系统在极端天气下 室外温度-18T时 ） ，仍然可满足进风温度 的要求。为提高系统的可靠性， 系统配备电辅热， 在 环境温度低于-19尤时开启， 辅助新风加热。 5经济效益及社会效益 5 _ 1经济效益 应用低温热管技术以来， 每年可节约燃煤3 2001 左右， 折合燃煤费用160万元左右， 加上电费、 维护 费 、 水处理费、 燃煤运输、 人工工资、 环保运行费用等 每年约259.6万元，加上锅炉脱硫脱销的运行费用 约 60万元， 共 计 320.12万元左右， 扣除热管系统风 机运行的电费和维护费共计22.8万元， 热管换热系 统比燃煤热风炉每年节约297.32万元。 5 . 2社会效益 据相关资料,每节约1 t标煤消耗量， 相应可减 排二氧化碳2.6 t,减排二氧化硫8.5 kg,减排氮氧化 物 7.4 kg， 减排粉尘颗粒物11 kg。计算可得,每年可 减少二氧化碳排放约5 940 t、 粉尘排放约25 t、 二氧 化硫排放约20 t和氮氧化物排放约17 t。 6结论 1 通过试验项目的实际运行情况， 系统热能回 收率高、 运行费用低、 系统简单、 可靠性高， 能够满足 大多风井场地冬季井口防冻要求， 无需消耗煤炭,较 好地解决了燃煤锅炉的污染物排放问题。 2 本项目在矿井回风余热回收专用相变热管、 热交换系统风阻平衡技术等方面实现突破，极大地 推动了热管技术的大型化工程应用。 至今为止， 本技 术已在阳煤集团一矿、 二矿、 五矿、 开元公司和神东 集团进行工程化实施， 它的适用面广、 可应用于全国 同类矿井， 具有一定推广价值。 参考文献 [ 1 ] 庄骏， 张红. 热管技术及其T 程利用[M]. 北京化学工业出版社, 2000. 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Key words high gas; coal roadway excavation; gas control 上接第156页） Application and Research of Low Temperature Heat Pipe Technology in Recovery of Return Heat from Coal Mine Zhang Qiang Yangquan Coal Industry Group Co. , Ltd. , Yangquan Shanxi 045000 Abstract Based on the characteristics of mine return air waste heat in Yangquan mining area, the project uses the characteristics of high heat conductivity and isothermal property of heat pipe, takes environmental protection freon as heat conduction medium and carbon steel pipe with aluminum fin as structure, through theoretical calculation of heat supply and demand relationship, develops a set of mine return air low temperature waste heat recovery device to recycle mine return air waste heat, completely replaces the traditional hot air stove for wellhead heating, and realizes the purpose of energy saving and emission reduction. Key words low temperature heat pipe; waste heat recovery; heat transfer module 上接第158页） Study on Grouting Reinforcement Technology of Soft Coal Roadway Floor under Dynamic Pressure Wang Jianfeng Hongsheng Construction Engineering Co. , Ltd. , Jincheng Shanxi 048006 Abstract Aiming at the problems of large deation of roof and floor of roadway affected by dynamic pressure in pingshang coal industry, the authors put forward the u.se of federal reinforcement material to reinforce two sides and floor slab by grouting, and makes real-time observation on the change of surrounding rock after grouting on site. The results show that after grouting reinforcement of 151101 roadway floor, the maximum displacement of left and right two sides is 84 mm, the maximum floor bulging of roadway floor is 158 mm, and the change of two sides and floor is within the allowable range of design, which indicates that grouting reinforcement effectively controls the roadway floor drum. Key words dynamic pressure effect; grouting reinforcement; surrounding rook characteristics