竖井乏风废热提取用于井口防冻的现场实测

孙猛，姜官军，冯继哲，马天泽，周琳

1）中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116；2）中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116；3）山东美天能源科技股份有限公司，山东泰安 271019

对于冬季气温会降至0℃以下的夏热冬冷地区、寒冷地区和严寒地区，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；另一方面井口结冰坠落后的冰柱和冰块可能导致井下人员的伤亡，危及排水管道和动力电缆的安全，严重时会造成卡罐和矿井停产等重大事故．中国的煤炭矿井绝大部分分布在北方寒冷（严寒）地区，十大产煤省份除贵州外，黑龙江、山西、河北、内蒙、陕西、河南、安徽、山东和宁夏地区的井工煤矿均需要采取井筒防冻措施．从产量上看，处于防冻地区的煤矿产量占比超过全国总产量的85%［1］．

传统矿井井筒防冻加热技术是通过燃煤锅炉将进风空气温度提高到2℃以上．近年来，随着中国节能环保战略的不断推进，分散式的中小型燃煤锅炉被限制使用，如改为燃气锅炉，运行成本将大幅上升，存在燃气供应不足的较大风险．随着中国“碳达峰、碳中和”目标和能耗双控措施的提出，加快能源转型，谋划碳中和目标下能源转型的最优战略路径，努力实现减碳和经济发展并行不悖，是一项十分艰巨的任务［2］，寻找稳定的清洁能源已成为当务之急.

实际上，矿井中蕴含着大量的余热资源可供利用，包括矿井乏风废热、矿井排水余热和井下降温系统冷凝热等［3-7］.其中，矿井乏风是一种稳定、较优质的余热资源．一方面，煤矿需要不间断通风，乏风风量全年保持稳定；另一方面，用于煤矿通风的空气不断与煤矿的巷道、机电设备和淋水等进行热交换，乏风中富含大量水的潜热．

自2007年山东新矿集团孙村煤矿千米立井矿井乏风废热井口防冻项目取得工业性试验成功以来，矿井乏风换热技术领域研发出了风-水喷淋换热技术［8］、风-制冷剂直膨式换热技术［9］、风-介质-风间壁换热技术（热管技术）［10］和乏风-新风间壁式直接换热技术．其中，乏风-新风间壁式直接换热技术从2013年起在山东省微山矿业集团欢城煤矿1号和2号井开始应用，神华宁夏煤业集团有限公司的枣泉煤矿、羊场湾煤矿、麦垛山煤矿、金凤煤矿和金家渠煤矿等5家煤矿的6对矿井井口防冻改造服务项目也采用了新型乏风-新风间壁式换热器，并于2018年起运行至今.为了分析井口防冻项目运行效果，本研究对该6对矿井的新风温度、乏风温度、加热后新风温度和入井新风温度等进行了现场实测.

1 工程概况

宁夏回族自治区某煤矿13和14采区（以下简称13和14采区）新建进、回风立井及相应的地面建筑，新建进风立井正常生产最大进风量为170.84 m³/s，回风井最大乏风量为235 m³/s．13和14采区冬季原采用2台功率为7.0 MW的燃煤锅炉采暖.2016年，宁夏回族自治区环境保护厅依据《大气污染防治行动计划》，要求银川对于具备拆除条件的2.0×104kg以下燃煤采暖小锅炉实施拆除．由于13和14采区距离主工业场地和周边的电厂均较远（10 km以上），采用周围电厂余热和太阳能不可行，采用制氮压缩机余热提供的热量不足，蓄热电锅炉性能系数（coefficient of performance，COP；制热量与输入功率的比值）低（1.5～1.8）、年运行费用高，对可供采用的喷淋换热、热管换热和乏风-新风换热方案进行综合比较（表1）后，最终采用乏风-新风间壁式直接换热技术和空压机余热利用技术代替燃煤锅炉，对采用乏风-新风间壁式换热器将新风加热后用于井口防冻，利用空压机余热解决地面建筑采暖问题．

表1 可行性方案比较Table 1 Comparison of feasible schemes

2 技术原理

为了准确获得换热器的换热状况及井口安全情况，对13和14采区自2018-11-01至2019-03-01期间1个供暖季的乏风温度（tf）、新风温度（tx）、加热后新风温度（tx-h）及井口温度（tr）进行现场实测，乏风-新风间壁式换热技术原理见图1．换热器采用管壳式，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，释放出大量的潜热，新风从管内流过时会吸收管外的热量，温度升高，从而达到加热新风的目的．新风经间壁式换热器加热后再由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℃．

图1 竖井乏风-新风直接换热加热井口技术原理Fig.1 Principle of heating wellhead technology through direct heat transfer technology between exhaust wind and fresh air.

由于空气的热容较小，如何强化乏风与新风之间的换热是该技术的核心问题．由于冬季新风温度较低，新风从换热管内流过时会造成换热器表面温度低于矿井乏风的露点温度，矿井乏风进入换热器时，乏风中的水蒸气会凝结而释放出潜热．如果凝结水能很好地湿润壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结方式称为膜状凝结．膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的潜热必须穿过液膜才能传到冷却壁面上，这时，液膜层就成为传热的主要热阻．如果凝结水不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面形成一个个小液珠，称为滴状凝结．与膜状凝结相比，滴状凝结是一种高效传热方式，其凝结过程在现有传热现象中具有较高的传热系数，该传热系数是相应膜状凝结传热系数的几倍至几十倍［11］，其主要原因是滴状冷凝时冷凝表面呈疏水性，使经过合并后的大液滴在形成连续的液膜前就从表面上脱落下来，热乏风能够持续不断地与换热器冷表面直接接触，换热强度远远大于膜状冷凝．本项目采用的乏风-新风直接换热技术在乏风侧换热面喷涂双层军用纳米高分子材料（采用环氧改性有机硅树脂作为涂层的底层材料，纳米SiO2-环氧改性有机硅树脂复合涂层作为面层材料），接触角为153.69°，表面疏水能力达到最佳，强化了全热交换能力，同时具有减少煤灰附着、耐腐蚀的作用，解决了煤灰、粉尘附着后换热器换热效率下降和换热器的长期腐蚀问题．乏风和新风采用交叉逆流方式（图2）．通过金属壁面换热，新风在管内流动，乏风从管外绕流．通过多次试算，可以得到最佳的新风、回风速度搭配及相应的流道尺寸，从而达到最大换热能力和最小阻力的平衡.

3 现场实测效果

乏风温度、新风温度、加热后新风温度及其井口温度变化曲线见图2．乏风温度为从回风井井口排出的空气温度，空气温度随空气波动较小，最低值为10.2℃，最高值为22.4℃，平均值为18.1℃．乏风的相对湿度在85%～90%，风量为235 m3/s，乏风内蕴含着较大的能量．新风温度在1个供暖季内呈现较大波动，最低温度为-20.5℃，最高温度为23℃，平均温度为-3.0℃．加热后的新风温度随气温有大致相同的变化趋势，但是波动幅度明显减少，最低温度为8.4℃，最高温度为21.6℃，平均温度为14.6℃．井口温度为加热后新风在井口与少量外界新风混合后的空气温度，其变化趋势和加热后新风的变化趋势几乎相同，最低温度为2.1℃，最高温度为17.5℃，平均温度为8.5℃，满足井口温度不低于2℃的煤矿规范要求．

图2 乏风温度、新风温度、加热后新风温度及井口温度变化曲线Fig.2 Exhaust wind temperature，fresh air temperature，heated fresh air temperature and wellhead air temperature versus running time.

4 经济和社会效益分析

乏风-新风换热器取热量为

其中，ρ为空气密度；c为空气比热容；t1为加热后新风温度；t2为室外新风温度；q为新风风量.

根据实测新风温度和加热后新风温度，按照式（1）计算乏风-新风换热器逐时换热量变化趋势，结果见图3.由图2和图3可见，逐时换热量随着新风温度的降低而升高，随着新风温度的升高而降低，与气温的变化有较大相关性．整个供暖季最大换热量为5476.4 kW，平均换热量为3190.7 kW，整个供暖季累计换热量为8.928×106kW·h.

图3 乏风-新风换热器逐时换热量变化曲线Fig.3 Hourly heat transfer curve of exhaust air-fresh air heat exchanger.

该工程共设置6台风机用于将新风输送至副井井口，每台风机的功率为55 kW，供暖季每台风机的运行时长见表2．这6台风机在该供暖季的累计运行时间为13427.93 h，总耗能为738536.2 kW·h．由于该乏风-新风换热器的能耗仅仅是新风风机的能耗，故可计算出乏风-新风换热器的平均COP为8.928×106/738536.2=12.1，与 常 用 锅 炉COP（表3）进行对比可见，采用乏风-新风间壁式直接换热技术仅消耗少量的电能，即可把乏风中的大量热量提取出来，故具有显著的经济性．

表2 新风风机累计运行时间Table 2 Total running time of each fresh air fan

表3 不同取热方式COP对比Table 3 COP comparison of different heat taking methods

该矿13和14采区原冬季井筒防冻系统为两台1.0×104kg燃煤热水锅炉，年耗原煤1.0128×107kg，运行费用高达1025.66万元．2018年起改用“风-风换热”系统后，井口保温效果达到设计指标，矿井排风系统运行平稳，未受任何影响．通过替代原有2.0×104kg燃煤锅炉，年减排二氧化碳1.8810×107kg、氮氧化物4.8×104kg、二氧化硫4.8×104kg.由于乏风通过换热器时会凝结为水，可使矿井乏风中的矿尘随凝结水流至换热器底部，减少向大气直接排放2.178×104kg矿尘．该系统每个供暖季运行费用仅为225.85万元，同比天然气锅炉系统节省426.65万元，同比燃煤锅炉系统节省799.81万元．

结语

采用间壁式乏风-新风直接换热技术将矿井乏风的余热提取后加热新风用于煤矿井口防冻，仅需要为新风机提供少量的电能，即可把乏风中的大量热量提取出来（传热过程无需消耗能量），运行费用低，且运行过程无废水、废气及废渣等污染，是一项绿色环保、高效节能的新技术，能为建设现代化新型绿色矿山提供技术支撑．

间壁式乏风-新风直接换热技术目前取得了初步成功，但在强化滴状凝结换热机制、乏风和新风温湿度对换热效果的影响、气流组织合理分配、减阻及耐腐蚀等方面还需展开进一步研究．

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