煤礦排風余熱能提取量與井筒防凍輔熱計算

方璐綺，陳世強，2，田 峰，劉 剛，肖 亮，顧 敏

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201； 2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害控制安全生產 重點實驗室，湖南 湘潭 411201； 3.中鐵隧道勘測設計院有限公司 隧道設計院，天津 300000； 4.平安電氣股份有限公司 湖南省礦山通風與除塵裝備工程技術研究中心，湖南 湘潭 411000； 5.凡口鉛鋅礦 建筑材料廠，廣東 韶關 512300)

隨著經濟的快速發展，能源需求急劇增加，環境污染和溫室效應日趨嚴重。煤炭是我國重要的資源，在煤炭開采過程中，礦井排水、排風和空壓機等都可進行余熱回收。為建設資源節約型、環境友好型社會，礦井余熱回收技術必不可少[1-4]。

《煤礦安全規程》2016版第一百三十七條規定，進風井口以下的空氣溫度(干球溫度)必須在2 ℃以上。在我國北方，冬季室外大氣干球溫度基本低于2 ℃，為保證安全生產，需對井筒防凍進行設計，而傳統方法采用熱風爐、鍋爐、空氣加熱器等方式進行加熱[5-6]。但傳統方式運行成本較高、資源消耗量大。劉毅濤[7]采用變頻加熱機組的方式，節能效果顯著。張圣玄[8]將礦井排水余熱通過水源熱泵提取出來，用于井筒防凍設計，有效減少了運行成本。除此之外，學者們采用不同的礦井排風余熱提取技術，將礦井排風中提取出的熱量應用于井筒防凍設計，既減少了資源消耗量，也減少了排風造成的污染。左強等[9]統計測算了全國十大煤省份井筒防凍熱負荷，結果表明與鍋爐供熱對比，回風換熱技術具有更高的經濟性。不同的換熱方式產生了不同的換熱器，張振濤[10]詳細介紹了翅片式、噴淋式、板式、熱管4種換熱器的結構和作用。噴淋換熱在技術層面與能耗經濟層面具有全方位的優勢[11-12]，且噴淋水也能夠實現良好的降塵效果[13]。在采用噴淋技術進行余熱回收時，通常都會結合水源熱泵技術[14-16]。水源熱泵技術是利用少量的電能將低品位熱能轉化可直接使用的高品位熱能，是一種節能環?？稍偕男履茉醇夹g[17-19]。

本文使用中國建筑熱環境專用氣象數據集中的室外氣象參數，以內蒙古通遼市為例，計算出井筒防凍所需熱量。將噴淋熱回收技術與水源熱泵技術相結合，作為礦井排風熱量提取系統。根據經驗，假設噴淋換熱熱量提取率為60%[20]，計算礦井排風提取熱量。最后分別對井筒防凍所需熱量與礦井排風提取熱量年總量、月總量、逐日、逐時進行分析，檢驗提取熱量是否滿足所需熱量，確定所需的輔熱功率。

1 井筒防凍所需熱量

在煤礦開采過程中，當井筒進風井口空氣溫度低于2 ℃(T<275.15 K)時，井筒會出現凍結現象。為保證安全生產，則需對進風井口的空氣進行加熱，使其進風井口空氣溫度達到2 ℃。1年內，當井筒進風空氣低于2 ℃時，累計所需加熱量計算公式如下：

(1)

式中，Qin為進風井口1年內所需總熱量；Qi為進風井口每小時所需熱量。

針對井筒進風井口每小時所需熱量，利用定壓比熱容熱量公式來計算：

Qi=mcpΔti=3 600qρinΔti

(2)

式中，m為礦井每小時的通風質量；cp為空氣的定壓比熱容，取1.004 kJ/(kg·K)；Δti為第i個小時的溫差(Δt=275.15-T)；q為礦井通風量；ρin為井筒進風井口空氣的濕空氣密度。

其中，Δti為最低安全標準2 ℃與井筒進風大氣溫度的溫差；進風井口每小時通風質量m利用密度與每小時通風量進行計算。一般來說，一年四季氣溫變化較大，密度隨著空氣的溫度和濕度而改變。為保證數據的精確性，將每小時的干球溫度與實際水汽壓代入濕空氣密度公式，計算公式如下：

(3)

式中，ρ為濕空氣密度；P為大氣壓，取101 325 Pa；T為干球溫度，T=t+273.15；φ為相對濕度；Ps為飽和水汽壓。

為了確定式(3)中濕空氣參數，利用中國建筑熱環境分析專用氣象數據庫[21]，導出所在城市的典型氣象年逐時參數：時刻、干球溫度(t)、實際水汽壓(φPs)。將提取后的數據導入Excel表格，篩選出干球溫度(t)低于2 ℃的數據組。其中，所篩選出數據組的總個數為式(1)中的n個小時，i為逐時。最后，將所篩選出的數據組代入式(3)，得到式(2)所需的逐時濕空氣密度ρi。

2 礦井排風提取熱量

為了對比分析礦井排風提取熱量與井筒防凍所需熱量，在同樣的條件下(井筒進風井口空氣干球溫度低于2 ℃)，計算出提取熱量。1年內，礦井排風累計提取熱量計算公式如下：

(4)

式中，Qout為礦井排風1年內提取總熱量；Qj為礦井排風每小時提取的熱量。

礦井排風不僅具有顯熱熱量，更是存在大量的潛熱，所以礦井排風提取熱量用焓計算。在噴淋換熱過程中，礦井排風與水進行能量交換，能量由焓值高的排風傳向焓值低的水，排風焓值下降，水焓值上升。本文采用極值計算的方法，假設理想狀態下水的初始狀態焓值(4 ℃水的焓值)為礦井排風的末狀態焓值，hw=h2′。噴淋換熱過程中，由于換熱時間短、風水之間的阻力等因素的影響，其換熱效率為60%，則每小時提取熱量計算公式如下：

Qj=0.6(h1-h2′)m=0.6(h1-h2′)ρout×3 600q

(5)

式中，ρout為擴散塔內的濕空氣密度(礦井排風氣體密度)；h1為換熱前礦井排風焓值；h2′為礦井排風的末狀態焓值。

換熱前礦井排風焓值，其計算公式如下：

h1=1.01t+0.001d(1.84t+2 500)

(6)

式中，t為排風干球溫度；d為含濕量。

根據換熱前礦井排風溫度T1和相對濕度φ1，查表可得飽和水汽壓Ps1，代入式(3)，得換熱前礦井排風氣體的濕空氣密度ρ1。

換熱后礦井排風實際焓值，計算公式如下：

h2=(h1-h2′)×(1-60%)+h2′

(7)

式中，h2為換熱后礦井排風實際焓值。

噴淋換熱后，由于噴淋水的作用，礦井排風相對濕度增加，φ2=100%，根據礦井排風換熱后實際焓值h2，查表得干球溫度T2、飽和水汽壓Ps2，代入式(3)，得換熱后礦井排風氣體的濕空氣密度ρ2。

本文中，礦井排風熱量提取利用噴淋換熱技術，換熱過程在擴散塔內進行。而擴散塔內既包含了換熱前礦井排風氣體，也包含了換熱后礦井排風氣體。因此，式(5)擴散塔內的礦井排風氣體密度ρout，其計算公式如下：

(8)

式中，ρ1為換熱前礦井排風氣體濕空氣密度；ρ2為換熱后礦井排風氣體濕空氣密度。

最后，根據計算結果，對比分析井筒防凍所需熱量與礦井排風提取熱量。

3 內蒙古通遼市熱量計算與對比分析

內蒙古通遼市某煤礦為現代化井工礦，礦井自動化程度高，其生產規模約為120萬t/a，礦井排風量約為200 m3/s，排風溫度約為18 ℃，排風相對濕度約為95%。首先，由中國建筑熱環境專用分析氣象數據庫，導出內蒙古通遼市典型氣象年逐時參數，提取所需參數：時刻、干球溫度(t)、實際水汽壓(φPs)，總共有8 760 h的數據。其次，篩選出干球溫度低于2 ℃時的數據，總共有3 413 h的數據。

3.1 年度熱量計算與對比分析

計算井筒防凍年度總所需熱量Qi為35 802.25 GJ。排風干球溫度(t1)為18 ℃，T1=291.15 K，相對濕度φ1=95%，查焓濕表可得，含濕量d=12.3 g/kg，Ps1=2.064 3 kPa。4 ℃水的焓值為hw=17.41 kJ/kg，t2=10.35 ℃，Ps2=1.257 6 kPa。計算礦井排風提取熱量Qj為57 484.35 GJ。供需差為礦井排風提取熱量減去井筒防凍所需熱量的差值，即ΔQ=21 682.10 GJ。

由上述計算結果可知，1年內礦井排風總提取熱量足夠供給井筒防凍所需熱量，并多出約2.1×1010kJ的熱量。根據現行行業標準，1 t標準煤產生29.26 GJ的能量，多余熱量相當于741 t標準煤。除此之外，減少了(總所需熱量)約1 223 t標準煤的燃燒。

3.2 月熱量計算與對比分析

由于室外氣象參數隨著季節的變化，每月井筒進風空氣的溫度低于2 ℃的時間也不同。因此，通過計算每月內礦井排風提取熱量與井筒防凍所需熱量的月總量，驗證礦井排風提取熱量月總量是否能夠滿足井筒防凍所需熱量。熱量計算結果見表1。

表1 月份熱量計算Tab.1 Heat calculation of a month

由表1可知，內蒙古通遼市1年內共有8個月礦井井筒進風溫度低于2 ℃，且每個月內礦井排風提取熱量月總量皆可滿足井筒防凍所需熱量月總量。隨著1—12月大氣溫度先升高后降低，井筒防凍所需熱量和礦井排風提取熱量先減小后增大，與大氣溫度呈相反趨勢。1—3月和9—11月，多余熱量呈上升趨勢，3—9月和11—12月，多余熱量呈下降趨勢。

3.3 最不利供需月逐日分析

為驗證每日內礦井排風提取能量是否滿足井筒防凍所需熱量，將年總量改為日總量計算。其中，以最不利供需月1月份數據為例，繪制最不利供需月逐日熱量如圖1所示。

由圖1可知，在1月份的11、12、13、17、18、23、25、29日共8 d，內蒙古通遼市某煤礦礦井排風提取熱量不能滿足井筒防凍所需熱量。除上述日期，1月份每日內，每小時大氣溫度基本處于2 ℃以下。由于礦井排風內熱濕能量的穩定性，礦井排風提取熱量呈穩定趨勢?？偹锜崃颗c多余熱量呈相反趨勢。因此，1月份有8 d需為井筒防凍額外供給熱量。

對其他月份進行計算得出：12月份，有7 d礦井排風提取能量不能滿足井筒防凍所需熱量；剩余6個月，每日礦井排風提取熱量皆可滿足井筒防凍所需熱量。因此，1年內內蒙古通遼市某煤礦有15 d仍需額外供給熱量。

圖1 最不利供需月逐日熱量Fig.1 Most unfavorable supply and demand monthly calories

內蒙古通遼市位于東北地區，處于嚴寒地帶。相對于內蒙古通遼市偏南的華北等地區，其大氣溫度高于通遼市，理論上，其礦井排風提取熱量應足夠供給井筒防凍所需熱量。

3.4 最不利供需日逐時分析

由圖1可知，13日內井筒防凍總所需熱量為1月份最大值，大于礦井排風提取熱量，根據13日內每小時內井筒防凍所需熱量與礦井排風提取熱量，繪制最不利供需日逐時熱量如圖2所示。

圖2 最不利供需日熱量逐時功率Fig.2 Most unfavorable supply and demand daily heat hourly power

由圖2可知，每小時內礦井排風提取熱量趨于穩定，井筒防凍所需熱量與多余熱量趨勢相反。13日內，有6 h礦井排風提取熱量滿足井筒防凍所需熱量。因此，為滿足最不利供需日每小時內井筒防凍所需熱量，需額外補充加熱功率約為3 200 kW。

4 結論

以內蒙古通遼市某煤礦為例，通過計算井筒防凍所需熱量與礦井排風提取熱量，得出以下結論。

(1)通過年度總熱量的對比得出，礦井排風提取熱量足夠供給井筒防凍所需熱量。分析最不利供需月與最不利供需日發現，個別月內、個別日需額外供給熱量。因此，礦井排風熱量提取具有實用價值和巨大潛力。

(2)礦井排風熱量提取功率約為4 700 kW，除個別日外，基本可滿足井筒防凍所需熱量。通過最不利供需日內逐時分析發現，需額外補充加熱功率約為3 200 kW。

(3)礦井排風所提取熱量，直接應用于本礦井的井筒防凍，其經濟成本相對較低，且減少了大量的資源消耗。其中，內蒙古通遼市某煤礦1年可減少約1 223 t標準煤的燃燒。同時也減少了碳排放量，符合綠色經濟的發展戰略。