煤矿矿井热湿余热深度利用研究

田 勇，冯文生， 修科华，李永田

(1.天合光能(上海)有限公司，上海 201401；2.天合智慧能源投资发展(江苏)有限公司，江苏 常州 213031)

随着矿井开采机械化、自动化水平的提高，在煤炭开采过程中，受到井下岩石传热、井下热水和机械散热，以及井下作业人员散热的影响，井下作业环境日益恶化。在冬季，坑口时常有结冰现象，严重影响煤炭从矿内外运[1-2]。

无论冬季还是夏季，矿井主要热源为井下气流的自然压缩，开采设备运转放热，氧化散热，地下水散热，周围岩石散热，运输中煤炭散热，人体放热。但是，矿井口因环境温度过低巷道上结冰，采用电加热方式融冰，能耗较大，同时，电火花的存在还存在一定的危险性，必须采取防爆电热设备，工程造价较高。如果能将井下热湿的余热资源进行“搬运”，用来散融冰，改善巷道工作环境有迫切需要。

1 技术模型与策略

以空气作为载体，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。流程可进行简要描述，见图1。

热管(heat pipe)是至今最有效的传热元件之一，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。通常热管分为蒸发段、绝热段、冷凝段，在蒸发段吸收热量，热管介质蒸发为气液两相流，经过绝热段后，在冷凝段放热，将热量传递给冷凝段外媒介[3]。见图2。

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，利用卡诺循环，实现能量从低温向高温传递的空调热泵装置，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]。见图3。

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，可以将空调热泵分为四类，空气/空气、空气/水、水/空气、水/水。在制冷或制热过程中，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。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，又具有趋于平衡状态的趋势。

根据矿井内热源的形式，采取热管式换热器与空调热泵技术联供的策略，来改善矿井内工作环境，并在冬季消除巷道口结冰现象。

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，同时，便于研究，以流出巷道的湿热乏气作为研究载体。通过对巷道乏气的流量、温度、成分、湿度数据，以及巷道口环境的数据的采集分析，找出相应的函数关系及余热利用目标。建立热湿空气热量函数为Qw,gas=f(Cw,gas,Vw,gas,ρw,gas,t)，即：

Qw,gas=Cw,gas·Vw,gas·ρw,gas(th-t0)

(1)

ρw,gas=M/Vw,gas

(2)

(3)

式中：Qw,gas为乏气携带热量，kW·h/h；Cw,gas为乏气(混合气)的比热容，kJ/kg·K-1；Vw,gas为乏气的体积流量，m3/h；ρw,gas为乏气的密度，kg/m3；M为乏气的质量流量，kg/h；ri为乏气混合气中第i种组分的体积百分比，%；Ci为第i种组分的比热容，kJ/kg·K-1。

为了使巷道不结冰，进入巷道的冷空气温度应不低于2℃，若进入空气量为Vin，以标况下空气的物性参数作为冷负荷计算参数，满足工程精度的计算需要，则需要热量输入为Qin，用公式表示为：

Qin=CP0·Vin·ρ0×(tc1-tc2)

(4)

式中：Qin为不结冰单位时间所需热量，kW·h/h；CP0为标况空气的定压比热，取1.01 kJ/kg·K-1；Vin为空气的体积流量，m3/h；ρ0为标况空气的密度，取1.29 kg/m3；tc1为环境温度，℃；tc2为确保巷道不结冰的最低温度，℃。

为确保热量满足巷道不结冰的保障，增设热泵作为保障设备。可建立函数为：

QE,h=COP·QE

(5)

式中：QE,h为热泵供热量，kW·h/h；COP为电热转换系数，取-20℃，1个标准大气压，湿度35%时，主机COP=2.1；QE为输入的电量，kW·h。

根据公式(1)、(4)、(5)建立目标函数为：

QE,h+Qw,gas≥Qin

(6)

2.2 工艺流程

为表现更为清晰，建立工艺流程，见图4。

工艺流程可概括为：巷道内乏气经过低温热源侧换热器，在压缩机与膨胀阀作用下，将测量传递到使用侧换热器，并对新风进行加热；经过降温的乏气再经过分体式热管换热器的蒸发侧，经蒸发后，在分体式热管换热器的冷凝侧放热，对进入巷道的新风进行初步预热。

该工艺具有一定优势，可定性概括为：①降低热泵的装机容量。②巷道乏气在热泵的低温热源侧换热器换热时，温差变化较小，结霜概率建设。③降低工程造价。④利于工程维修维护。

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，该区域冬季平均低温-5℃，最低气温-12℃。采集到该矿井乏气的温度、流量分别为：th=18℃；Vw,gas=11 000 m3/h；并对成分测定和计算得到混合后的混合比热容为：Cw,gas=1.02 kJ/kg·K-1。新风进入巷道的温度取冬季平均温度tc2=-5℃，流量11 500 m3/h。

3.2 计算流程

采取二段式回收乏气所蕴含的余热，拟定分体式热管换热器回收约50%的热量，估算乏气温降低50%，夹点温度设为2℃，即分体式热管换热器自身热阻所“消纳”的温差为2℃。另外50%的乏气余热由热泵系统回收。

分体式热管换热器选型计算流程，建议选择图5所示流程。

热泵选型流程描述为：计算所需吸收的热量，判断在该温度区间工作的COP，计算输入功率，得出制热量QE,h。

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。假定散热为5%，则根据公式(6)、(1)、(4)、(5)得出，该温度为7℃。

利用的余热热量为：

=32.24 kW·h/h；

新风吸收的余热热量为：

≈29.13 kW·h/h

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，结合冬季巷道口融冰的实际需要。可利用热管与热泵技术，对乏气进行综合利用，可改善巷道口的工作环境，且系统利用率较高，达到90%以上，系统COP达到3.64，超过单独利用热泵进行余热回收。