间壁式换热器矿井乏风废热利用技术与工程实例研究

2020-04-20倪少军

价值工程 2020年7期

倪少军

摘要：矿井乏风中蕴含着大量的低温余热可以用于寒冷地区和夏热冬冷地区冬季井口防冻。本文在对麦垛山煤矿的余热资源进行调研和方案分析的基础上，采用了乏风废热直接换热解决井筒防冻问题的方案。

Abstract： Mine exhaust wind contains a large amount of low-temperature waste heat that can be used to prevent freezing at the wellhead in winter in cold areas and hot-summer cold-winter areas. Based on the investigation and analysis of the waste heat resources of Maidoushan Coal Mine， this paper adopts a scheme for direct heat exchange of waste air waste heat to solve the problem of antifreeze in the wellbore.

关键词：煤矿;防冻;余热;利用

0 引言

井口防冻是矿井冬季安全生产的一个重要保证，井口结冰一方面会导致有效通风面积减少、矿井通风量不足，另一方面井口结冰后掉落的冰渣可能导致井下人员的伤亡，严重时会造成卡罐、矿井停产等重大事故[1，2]。目前，矿井乏风余热利用主要手段包括热管技术、热泵技术和间壁式直接换热技术。

1 工作原理

矿井乏风间壁式换热技术为全热交换式间壁换热技术，乏风从管外通过，新风从管内通过，乏风通过金属壁与新风进行热湿交换，即由于新风温度低于矿井乏风的露点温度，矿井乏风中的水蒸气会凝结，从而释放出大量的潜热，新风从管内流过时会吸收管外的热量，温度不断升高，从而达到加热新风的目的。新风通过间壁式换热器加热至10℃以上通过保温风道送入进风井井口，与部分未加热的冷空气混合后进入井筒内，进入井筒的空气温度不低于2℃。

2 工程概况

麦垛山井田位于宁夏回族自治区中东部地区，采用2台20吨锅炉和1台10吨燃煤蒸汽锅炉进行采暖及供热。麦垛山煤矿回风井18600m3/min，湿度85%，新风最低温度-25.4℃。

3 余热资源利用方案分析

麦垛山煤矿拥有矿井水余热、矿井回风余热、电厂余热、现有锅炉供热、井下降温系统冷凝热等热源。

3.1 矿井水余热

麦垛山煤矿矿井水目前正常涌水量994.0m3/h、最大涌水量1193.0m3/h，温度20℃。若矿井水余热进行回收利用，按照提取后的温度为5℃计算，最大可提取的热量为7291kW，矿井水余热无法满足矿区供热需要。且目前矿井水从井下水仓提升后，直接排至红柳矿井水处理站统一处理，若为提取矿井水余热新建水池、泵房等设施代价过高。

3.2 矿井回风余热

麦垛山煤矿回风斜井最大回风量为310m3/s，最小回风温度18℃，湿度85%，利用风源热泵将回风余热提取后的回风温度为5℃，湿度100%。

最大可提取热量用焓差法计算可知： Qmax=M×（i2-i1）=9132kW （1）式中，M—风量，m3/s;i1—降温前焓值，kJ/kg;i2—降温后焓值，kJ/kg。

提取的回风余热虽然不足以对整个矿区进行供热，但足以解决冬季井口防冻的问题。

3.3 电厂余热

矸石电厂位于麦垛山东侧7.7km处，一期每台机组四段抽汽提供厂用汽能力为60t/h，五段抽汽厂用汽能力为40t/h。经过咨询汽机厂，此两级抽汽同时抽汽时，通过提高汽机进汽量，机组能发出铭牌功率330MW。二期工程每台汽轮机100%负荷时四段抽汽具有对外最大40t/h（蒸汽参数：0.8MPa（a），220℃）的供厂用汽（用于对外供热）的能力，可以满足麦垛山煤矿副立井的供热需要。但若采用电厂余热，电厂蒸汽凝结回水水质要求很高，满足凝结回水水质要求代价太大，在经济上不可行。

3.4 现有锅炉脱硫除尘改造

根據麦垛山煤矿锅炉烟尘监测报告，烟尘排放浓度为166mg/m3，SO2排放浓度为401mg/m3，NOx排放浓度为264mg/m3。依据《锅炉大气污染物排放标准》中大气污染物特别排放标准的规定，该锅炉房烟尘、SO2、NOx排放均超标。按照现行环保政策《宁夏大气污染防治行动计划》，20吨锅炉经过脱硫除尘改造，烟气排放达标以后，允许继续使用。通过对20吨锅炉的改造，可以解决地面建筑物采暖的问题，且该方案对原有系统改动量最小，初期投资和运行费用均为最少，较为理想。但由于供热能力有限，仅能解决地面建筑物采暖的问题。

3.5 井下降温系统冷凝热

麦垛山煤矿利用井下制冷降温的冷凝热进行井口空气加热，能够达到投资效益的最大化。但副立井能利用井下降温的热量仅有1680kW，不满足采暖需要。若采用该余热需要增加热泵系统，使采暖系统更加复杂，故障点增加。经多方面比较，麦垛山煤矿最终采用脱硫除尘改造解决地面建筑物采暖，再采用乏风废热直接换热供暖解决井筒防冻问题。

4 间壁式换热器设计

4.1 换热器选型

按照设计工况，单台间壁式换热器换量为3500kW，共总换热量为7000kW。机组采用工业级PLC，全中文微电脑控制器，可编程序控制器的用户运行程序可以方便地调整，可以根据不同的天气变化和井口温度自动调节运行满足用户的多种要求，机组配换热器进风过滤装置，换热器计算参数见表1。

4.2 换热器换热面积确定

由于矿井回风换热侧的换热属于湿工况下换热，在湿工况下，由于壁面凝水的生成，使得其换热工况变得较为复杂。考虑到凝结水对对流换热系数的影响，对上式（2）进行修正，修正后的换热器总传热系数

相当于矿井回风侧对流传热系数增大了ξ倍。取hf=50W/m2·K，hx=60W/m2·K，ξ取1.2。

矿井回风用间壁式换热器材质为0.8mm厚不锈钢304，导热系数为17.4W/m·K，则总传热系数K=30W/（m2·K）。

传热温差取对数平均温差：考虑到富裕系数取单台换热器换热面积1800m2，FFH3500型换热器由7个模块组成，总换热面积12600m2。

4.3 风道设计

4.3.1 新风风道

新风风道设计采用镀锌钢板，厚度选用1.2mm厚，架空敷设。保温采用采用高压聚乙烯高倍发泡体橡塑材料保温，保温层厚度50mm，保温外侧采用0.5mm厚钢板作为保护层。

根据风量，麦垛山煤矿副立井新风风道取直径1.5m圆型风道6趟，单个风管风速为15.8m/s，风道系统阻力173Pa。

4.3.2 回风风道

回风水汽较大，具有腐蚀性，因此回风风道采用4mm厚Q235钢板，架空敷设，采用高压聚乙烯高倍发泡体橡塑材料保温，保温外侧采用0.5mm厚钢板作为保護层，保温层厚度50mm。回风风道阻力位30Pa，换热器阻力为100Pa。总回风侧系统阻力为130Pa。根据现有风机性能曲线，增加130Pa阻力，风机工况点仍在设计效率范围内，回风侧无需增加风机。

4.4 通风风机

回风侧风机：由于新增回风侧换热系统阻力不影响通风机运行，不再新增风机。

新风侧风机：选用6台YTHL-12C型风机，单台风机流量120000m3/h，风压1200Pa，功率55kW。风机采用变频控制，根据室外温度进行调节，以调整加热后的新风进风量。

4.5 冷凝水系统

系统温度最低时，最大冷凝水析出量约5t/h，日冷凝水析出总量120t/d，冷凝水直接外排。

4.6 非供热季节反风通风系统转换系统

系统安装在回风塔顶部的风道密封门，冬季关闭，矿井回风经引风风道提取热量后，排入大气中。在春、夏、秋非采暖季节，密封门处于开启状态，不影响风机正常运行。

5 运行效果

麦垛山煤矿间壁式换热系统自2018年11月1日投入运行，实测数据见图2。

由图2可以看出，矿井乏风温度基本稳定，在15.9 ～ 19.9℃之间变化;室外温度有较大变化，最低值达到了-18℃;井口温度受气温的影响有一定波动，最低温度为2.7℃，满足了井口温度高于2℃的规范要求。

6 结语

间壁式矿井乏风利用技术已在国家能源集团宁夏煤业公司的麦垛山煤矿等5家煤矿6对矿井井口防冻改造服务项目投入运行，取得较好的效果，在较低能耗及运行费用的情况下确保了井口防冻系统在极端低温下安全可靠的运行。