煤矿矿井热湿余热深度利用研究.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０２􀆽 ０１ 基金项目 “十三五”国家重点研发计划２０１８ＹＦＢ１５０２９００ 作者简介田 勇１９８２ － ꎬ男ꎬ江苏启东人ꎬ助理工程师ꎬ从事电力系统自动化及能源动力相关专业工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０６. ００２ 煤矿矿井热湿余热深度利用研究 田 勇１ꎬ冯文生２ꎬ 修科华１ꎬ李永田２ １. 天合光能上海有限公司ꎬ上海 ２０１４０１ꎻ２. 天合智慧能源投资发展江苏有限公司ꎬ江苏 常州 ２１３０３１ 摘 要矿井湿热影响采矿工作ꎬ需采取新风交换、空调制冷或供暖满足采矿工作环境需要ꎮ 通过对平顶 山某煤矿矿井内热湿余热分析ꎬ结合河南平顶山地区冬季、夏季气象因素ꎬ利用热管技术ꎬ采取分体式空调 系统ꎬ对该余热资源进行综合利用ꎮ 结果表明ꎬ采矿工作环境得以改善ꎬ同时ꎬ巷道进出口ꎬ冬季未出现结冰 现象ꎮ 关键词新风交换ꎻ热湿余热ꎻ热管ꎻ巷道 中图分类号ＴＫ１１５ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００６􀆽 ０００５􀆽 ０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｅｅｐ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍｏｉｓｔｕｒｅ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｈｅａｔ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＴＩＡＮ Ｙｏｎｇ１ꎬＦＥＮＧ Ｗｅｎ􀆽 ｓｈｅｎｇ２ꎬＸＩＵ Ｋｅ􀆽 ｈｕａ１ꎬＬＩ Ｙｏｎｇ􀆽 ｔｉａｎ２ １. Ｔｉａｎｈｅ Ｓｏｌａｒ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬＳｈａｎｇｈａｉ ２０１４０１ꎬＣｈｉｎａꎻ ２. Ｔｉｎａｈｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０３１ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬ ｆｒｅｓｈ ａｉｒ ｅｘｃｈａｎｇｅꎬ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａ￣ ｄｏｐｔｅｄ. Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｈｅａｔ ｉｎ ａ ｃｏａｌ ｍｉｎｅꎬ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ ａｎｄ ｓｕｍｍｅｒ ｉｎ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ ａｒｅａ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅꎬ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｌｉｔ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍꎬ ｔｈｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ. Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅꎬ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｉｃｅ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｔｒａｎｃｅ ａｎｄ ｅｘｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ｗｉｎｔｅｒ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｆｒｅｓｈ ａｉｒ ｅｘｃｈａｎｇｅꎻ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔꎻ ｈｅａｔ ｐｉｐｅꎻ ｒｏａｄｗａｙ 随着矿井开采机械化、自动化水平的提高ꎬ在煤 炭开采过程中ꎬ受到井下岩石传热、井下热水和机械 散热ꎬ以及井下作业人员散热的影响ꎬ井下作业环境 日益恶化ꎮ 在冬季ꎬ坑口时常有结冰现象ꎬ严重影响 煤炭从矿内外运[１ －２]ꎮ 无论冬季还是夏季ꎬ矿井主要热源为井下气流 的自然压缩ꎬ开采设备运转放热ꎬ氧化散热ꎬ地下水 散热ꎬ周围岩石散热ꎬ运输中煤炭散热ꎬ人体放热ꎮ 但是ꎬ矿井口因环境温度过低巷道上结冰ꎬ采用电加 热方式融冰ꎬ能耗较大ꎬ同时ꎬ电火花的存在还存在 一定的危险性ꎬ必须采取防爆电热设备ꎬ工程造价较 高ꎮ 如果能将井下热湿的余热资源进行“搬运”ꎬ用 来散融冰ꎬ改善巷道工作环境有迫切需要ꎮ １ 技术模型与策略 以空气作为载体ꎬ将乏气蓄积的热量通过热管 技术和冷暖设备对余热进行深度利用ꎮ 流程可进行 简要描述ꎬ见图 １ꎮ 巷道内的气体将各种热量吸收增加了乏气焓 值ꎬ余热包括 Ｑ１压缩气体、Ｑ２设备散热、Ｑ３化 学反应散热、Ｑ４地下水热、Ｑ５岩石散热、Ｑ６ 煤炭散热、Ｑ７人体散热ꎮ 在新风风机的作用 下ꎬ吸收热量的气体ꎬ流出巷道ꎬ单位体积所蕴含的 热量大 于 单 位 体 积 的 环 境 空 气 热 量ꎬ ∫ ｔ ０ｐｖｄｔ ∫ ｔ０ ０ｐｖｄｔꎮ 即冬季里ꎬ巷道中排出的乏气温度高于巷 道外环境空气温度ꎮ 相反ꎬ在夏季ꎬ因巷道内进行空 调降温ꎬ乏气温度低于巷道外环境空气温度ꎮ 热管ｈｅａｔ ｐｉｐｅ 是至今最有效的传热元件之 一ꎬ具备将大量热量通过较小的截面积远距离输送 而无需外加动力的能力ꎮ 通常热管分为蒸发段、绝 热段、冷凝段ꎬ在蒸发段吸收热量ꎬ热管介质蒸发为 ５ 试试验验研研究究 总第 ２５０ 期 气液两相流ꎬ经过绝热段后ꎬ在冷凝段放热ꎬ将热量 传递给冷凝段外媒介[３]ꎮ 见图 ２ꎮ 图 １ 热湿余热流程示意 图 ２ 热管工作原理 电制冷设备Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ通 常是指以电为驱动动力ꎬ利用卡诺循环ꎬ实现能量从 低温向高温传递的空调热泵装置ꎬ空调热泵装置由 压缩机、热源侧换热设备、节流装置、使用侧热交换 装置构成[４]ꎮ 见图 ３ꎮ 图 ３ 空调热泵工作原理 根据热源侧和使用侧的载能介质的种类不同ꎬ 可以将空调热泵分为四类ꎬ空气/ 空气、空气/ 水、水/ 空气、水/ 水ꎮ 在制冷或制热过程中ꎬ存在如下特点 具有箱变、网络系统无定压点、各管段的阻力特性系 数并非常数、制冷剂的动力特性和传热特性存在耦 合关系ꎮ 即在压缩机、热源侧换热装置、使用侧换 热装置、膨胀阀以及管路中一直属于动不平衡状态ꎬ 又具有趋于平衡状态的趋势ꎮ 根据矿井内热源的形式ꎬ采取热管式换热器与 空调热泵技术联供的策略ꎬ来改善矿井内工作环境ꎬ 并在冬季消除巷道口结冰现象ꎮ ２ 目标函数及热力循环 ２. １ 目标函数 为达到井下热湿余热得以充分利用ꎬ同时ꎬ便于 研究ꎬ以流出巷道的湿热乏气作为研究载体ꎮ 通过 对巷道乏气的流量、温度、成分、湿度数据ꎬ以及巷道 口环境的数据的采集分析ꎬ找出相应的函数关系及 余热利用目标ꎮ 建立热湿空气热量函数为 Ｑｗꎬｇａｓ＝ ｆＣｗꎬｇａｓꎬＶｗꎬｇａｓꎬρｗꎬｇａｓꎬｔꎬ即 Ｑｗꎬｇａｓ＝ Ｃｗꎬｇａｓ􀅱Ｖｗꎬｇａｓ􀅱ρｗꎬｇａｓ ｔｈ－ ｔ０１ ρｗꎬｇａｓ＝ Ｍ/ Ｖｗꎬｇａｓ２ Ｃｗꎬｇａｓ＝ ∑ ｎ ｉ ＝１ｒｉ􀅱Ｃｉ ３ 式中Ｑｗꎬｇａｓ为乏气携带热量ꎬｋＷ􀅱ｈ/ ｈꎻＣｗꎬｇａｓ为 乏气混合气的比热容ꎬｋＪ/ ｋｇ􀅱Ｋ －１ꎻＶ ｗꎬｇａｓ为乏气 的体积流量ꎬｍ３/ ｈꎻρｗꎬｇａｓ为乏气的密度ꎬｋｇ/ ｍ３ꎻＭ 为 乏气的质量流量ꎬｋｇ/ ｈꎻｒｉ为乏气混合气中第 ｉ 种组 分的体积百分比ꎬ％ꎻＣｉ为第 ｉ 种组分的比热容ꎬｋＪ/ ｋｇ􀅱Ｋ －１ꎮ 为了使巷道不结冰ꎬ进入巷道的冷空气温度应 不低于 ２℃ꎬ若进入空气量为 Ｖｉｎꎬ以标况下空气的物 性参数作为冷负荷计算参数ꎬ满足工程精度的计算 需要ꎬ则需要热量输入为 Ｑｉｎꎬ用公式表示为 Ｑｉｎ＝ ＣＰ０􀅱Ｖｉｎ􀅱ρ０ ｔｃ１－ ｔｃ２４ 式中Ｑｉｎ为不结冰单位时间所需热量ꎬｋＷ􀅱ｈ/ ｈꎻＣＰ０为标况空气的定压比热ꎬ取 １. ０１ ｋＪ/ ｋｇ􀅱Ｋ －１ꎻ Ｖｉｎ为空气的体积流量ꎬｍ３/ ｈꎻρ０为标况空气的密度ꎬ 取 １. ２９ ｋｇ/ ｍ３ꎻｔｃ１为环境温度ꎬ℃ꎻｔｃ２为确保巷道不 结冰的最低温度ꎬ℃ꎮ 为确保热量满足巷道不结冰的保障ꎬ增设热泵 作为保障设备ꎮ 可建立函数为 ＱＥꎬｈ＝ ＣＯＰ􀅱ＱＥ５ 式中ＱＥꎬｈ为热泵供热量ꎬｋＷ􀅱ｈ/ ｈꎻＣＯＰ 为电 热转换系数ꎬ取 － ２０℃ꎬ１ 个标准大气压ꎬ湿度 ３５％ 时ꎬ主机 ＣＯＰ ＝２. １ꎻＱＥ为输入的电量ꎬｋＷ􀅱ｈꎮ 根据公式１、４、５建立目标函数为 ＱＥꎬｈ＋ Ｑｗꎬｇａｓ≥Ｑｉｎ６ ２. ２ 工艺流程 为表现更为清晰ꎬ建立工艺流程ꎬ见图 ４ꎮ 工艺流程可概括为巷道内乏气经过低温热源 侧换热器ꎬ在压缩机与膨胀阀作用下ꎬ将测量传递到 使用侧换热器ꎬ并对新风进行加热ꎻ经过降温的乏气 再经过分体式热管换热器的蒸发侧ꎬ经蒸发后ꎬ在分 ６ ２０２０ 年 ６ 月 田 勇等煤矿矿井热湿余热深度利用研究 第 ２９ 卷第 ６ 期 体式热管换热器的冷凝侧放热ꎬ对进入巷道的新风 进行初步预热ꎮ 该工艺具有一定优势ꎬ可定性概括为①降低热 泵的装机容量ꎮ ②巷道乏气在热泵的低温热源侧换 热器换热时ꎬ温差变化较小ꎬ结霜概率建设ꎮ ③降低 工程造价ꎮ ④利于工程维修维护ꎮ 图 ４ 工艺流程 ３ 工程案例 ３. １ 工程背景 试验案例为河南平顶山某煤矿ꎬ该区域冬季平 均低温 －５℃ꎬ最低气温 －１２℃ꎮ 采集到该矿井乏气 的温度、流量分别为ｔｈ＝１８℃ꎻＶｗꎬｇａｓ＝１１ ０００ ｍ３/ ｈꎻ 并对成分测定和计算得到混合后的混合比热容为 Ｃｗꎬｇａｓ＝ １. ０２ ｋＪ/ ｋｇ􀅱Ｋ －１ꎮ 新风进入巷道的温度取 冬季平均温度 ｔｃ２＝ －５℃ꎬ流量１１ ５００ ｍ３/ ｈꎮ ３. ２ 计算流程 采取二段式回收乏气所蕴含的余热ꎬ拟定分体 式热管换热器回收约 ５０％ 的热量ꎬ估算乏气温降低 ５０％ꎬ夹点温度设为 ２℃ꎬ即分体式热管换热器自身 热阻所“消纳”的温差为 ２℃ꎮ 另外 ５０％的乏气余热 由热泵系统回收ꎮ 分体式热管换热器选型计算流程ꎬ建议选择图 ５ 所示流程ꎮ 热泵选型流程描述为计算所需吸收的热量ꎬ判 断在该温度区间工作的 ＣＯＰꎬ计算输入功率ꎬ得出制 热量 ＱＥꎬｈꎮ ３. ３ 结 果 校核经过分体式热管换热器与热泵后的乏气出 口最低温度ꎮ 假定散热为 ５％ꎬ则根据公式６、 １、４、５得出ꎬ该温度为 ７℃ꎮ 利用的余热热量为 ＱＦ＝１. ２９３ １. ０２ １１ ０００ １５ －７ ３ ６００ ＝３２. ２４ ｋＷ􀅱ｈ/ ｈꎻ 新风吸收的余热热量为 ＱＸ＝１. ２９ １. ０１ １１ ５００ ２ － －５ ３ ６００ ≈２９. １３ ｋＷ􀅱ｈ/ ｈ 分体式热管换热器与热泵构成的系统效率 η ＝ ２９. １３ ３２. ２４ １００％ ＝９０％ 高品位电能输入估算ꎬＱＥ＝ ＱＸ ２ /２. ０１ ＝８ ｋＷꎬ系 统 ＣＯＰ ＝２９. １３/８ ＝３. ６４ꎮ 图 ５ 分体式热管换热器设计流程 ４ 结 语 通过对煤矿巷道内乏气余热资源的分析ꎬ结合 冬季巷道口融冰的实际需要ꎮ 可利用热管与热泵技 术ꎬ对乏气进行综合利用ꎬ可改善巷道口的工作环 境ꎬ且系统利用率较高ꎬ达到 ９０％以上ꎬ系统 ＣＯＰ 达 到 ３. ６４ꎬ超过单独利用热泵进行余热回收ꎮ 参考文献 [１] 白 银ꎬ王长彬. 高家堡煤矿热湿源分析与控制技术研 究[Ｊ]. 能源与环保ꎬ２０１７ꎬ３９５１７０ －１７４. [２] 严荣林ꎬ侯贤文. 矿井空调技术[Ｍ]. 北京煤炭工业出 版社ꎬ１９９４. [３] 李永田. 双管程热交换器换热特性研究[Ｊ]. 工业加热ꎬ ２０１７ꎬ４６３９ －１１. [４] 蒋能照ꎬ刘道平. 水源􀅱地源􀅱水环热泵空调技术及应 用[Ｍ]. 北京机械工业出版社ꎬ２００７. [责任编辑王伟瑾] ７ ２０２０ 年 ６ 月 田 勇等煤矿矿井热湿余热深度利用研究 第 ２９ 卷第 ６ 期