銀洞溝煤礦乙二醇間壁式換熱井口防凍系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

朱國寧，鮑玲玲，趙 旭，王景剛，張昌建,3

（1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.北京中礦賽力貝特節(jié)能科技有限公司，北京 100083；3.河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

為保證煤礦順利生產(chǎn)與作業(yè)，需要消耗大量的熱量用于井口防凍。傳統(tǒng)的燃煤、燃?xì)忮仩t與電熱風(fēng)爐在使用過程中需要消耗大量煤炭，其熱效率低，能量損失嚴(yán)重，同時也會對環(huán)境造成污染[1-3]。為響應(yīng)國家能源政策與碳中和目標(biāo)[4-5]，如何合理利用礦井回風(fēng)低溫余熱資源尤為重要。礦井回風(fēng)噴淋換熱器因具有換熱效率高，阻力小而被廣泛應(yīng)用[6]。但長時間的運行會造成管道阻塞，蒸發(fā)器腐蝕等問題。近年來，熱管技術(shù)因其高效取熱能力被廣泛應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域提取余熱資源[7-9]，并針對不同現(xiàn)場問題提出了分體式與整體式熱管技術(shù)[10-12]，但應(yīng)用范圍較窄，占地面積較大，不能滿足礦區(qū)供暖等需求。同時，熱管本身在傳熱極限上存在安全性隱患[2]。針對上述問題，提出一種乙二醇間壁式換熱技術(shù)，基于熱平衡理論對寧夏銀溝煤礦礦井回風(fēng)低溫余熱綜合回收利用項目進行方案設(shè)計，通過建立單管換熱分析模型，對運行工況進行優(yōu)化分析，得到該系統(tǒng)滿足井口防凍用熱需求。

1 乙二醇間壁式換熱工作原理

乙二醇間壁式換熱是通過對流方式及熱傳導(dǎo)方式進行傳熱[13-15]，其類型為氣-液翅片管式換熱器。在乙二醇熱交換器內(nèi)，通過利用低溫?fù)Q熱工質(zhì)與回風(fēng)之間進行非接觸熱交換，間壁式換熱技術(shù)使得管內(nèi)低溫溶液與回風(fēng)之間換熱更充分。同時換熱工質(zhì)經(jīng)提升溫度后作為熱泵機組熱源側(cè)介質(zhì)，釋放熱量后降溫循環(huán)至熱交換器內(nèi)，使得回風(fēng)溫度降至更低。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的乙二醇溶液作為循環(huán)介質(zhì)，能夠防止管路結(jié)冰狀況，系統(tǒng)取熱效果更穩(wěn)定。乙二醇間壁式換熱工作原理圖如圖1。

由圖1 可知，恒溫高濕的礦井回風(fēng)由源擴散塔設(shè)置引流風(fēng)道橫向通風(fēng)，在引流風(fēng)道內(nèi)設(shè)置乙二醇熱交換器，將礦井回風(fēng)降溫后排至大氣；翅片管內(nèi)低溫乙二醇溶液吸熱后升溫，進入熱泵機組蒸發(fā)側(cè)進行熱量釋放，后降溫循環(huán)至乙二醇熱交換器，實現(xiàn)熱量傳遞。

2 礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)

該項目為寧夏固原銀洞溝煤礦低溫余熱綜合回收利用項目。據(jù)調(diào)研，該井區(qū)設(shè)有主井1 座，進風(fēng)量為1 132 m3/min；副井1 座，進風(fēng)量為3 716 m3/min；回風(fēng)井1 座，回風(fēng)量為5 157 m3/min。當(dāng)?shù)囟咀罾湓伦畹推骄鶞囟葹?20 ℃。按照要求，井口加熱后溫度應(yīng)≥2 ℃。礦方最初采用3 臺10 t/h 燃煤鍋爐提供熱量，但燃煤鍋爐熱效率低，同時燃燒釋放的污染物也會對環(huán)境造成污染。為響應(yīng)國家對能源環(huán)保問題的實施，通過實際情況分析，最終采用乙二醇間壁式換熱技術(shù)回收礦井回風(fēng)低溫余熱資源。

2.1 熱平衡計算

1）礦井回風(fēng)余熱熱量QY。礦井回風(fēng)中含有較大的濕量，其換熱過程包括顯熱交換和潛熱交換[16]。實際工程應(yīng)用的換熱器回風(fēng)側(cè)翅片表面會產(chǎn)生由水蒸氣凝結(jié)而匯聚成的水膜，因此回風(fēng)側(cè)為析濕工況，換熱過程為冷卻減濕過程。采用焓差計算礦井回風(fēng)中所提取的熱量。冬季礦井回風(fēng)溫度為15 ℃，相對濕度為90%左右，根據(jù)高效乙二醇換熱器的換熱效率，通過該方式提取熱量后排風(fēng)溫度降溫至2 ℃，相對濕度在95%。代入數(shù)據(jù)計算可知，從礦井回風(fēng)中可提取熱量為3 031.88 kW?？紤]余熱利用率為90%，在傳輸過程中熱量損失約為5%。最終經(jīng)熱泵提升溫度后輸出熱量為3 402.34 kW。礦井回風(fēng)可利用余熱量QY由式（1）計算：

式中：h2為回風(fēng)取熱前比焓，kJ/kg；h1為回風(fēng)取熱后比焓，kJ/kg；ρ1為回風(fēng)平均空氣密度，kg/m3；L1為回風(fēng)量，m3/s。

2）井口防凍所需熱負(fù)荷QF。由《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：進風(fēng)井口以下的空氣溫度必須在2 ℃以上。根據(jù)設(shè)計要求，主井進風(fēng)溫度不低于15 ℃，副井進風(fēng)溫度不低于5 ℃。調(diào)研參考該地區(qū)近10 年溫度變化情況，最冷月最低平均溫度為-20 ℃。代入數(shù)據(jù)，通過計算可知：主井井口防凍所需熱量QF1為758.31 kW，副井井口防凍所需熱量QF2為1 178.06 kW。井口防凍所需總熱量QF為2 563.37 kW。井口防凍所需熱量QF由式（2）計算：

式中：c 為空氣定壓比熱容，J/（kg·℃）；ρ2為礦井進風(fēng)平均空氣密度，kg/m3；t2為冬季井筒進風(fēng)加熱后溫度，℃；t1為最冷月最低平均溫度，℃；L2為井筒進風(fēng)風(fēng)量，m3/s。

3）熱平衡分析。根據(jù)當(dāng)?shù)囟咀罾湓伦畹推骄鶞囟?20 ℃計算，井口防凍所需熱負(fù)荷為2 563.37 kW。礦井回風(fēng)所能提取的余熱經(jīng)熱泵提升溫度后，供熱側(cè)實際提供熱量為3 402.34 kW。能夠滿足最冷月最低平均溫度為-20 ℃時的用熱需求。據(jù)該地區(qū)氣象參數(shù)資料可知，礦區(qū)極少出現(xiàn)溫度低于-20℃情況。為避免極端天氣的出現(xiàn)，在井口設(shè)置2 臺280 kW 和3 臺300 kW 電輔助加熱器，當(dāng)室外溫度低于-20 ℃且井口進風(fēng)溫度低于設(shè)計溫度時，啟動電加熱器，進一步保證系統(tǒng)供熱的可靠安全性。

2.2 乙二醇間壁式換熱設(shè)備與選型

礦井回風(fēng)余熱回收用乙二醇換熱系統(tǒng)核心裝置為乙二醇間壁式換熱器，同時采用熱泵機組對提取的熱量轉(zhuǎn)移進行應(yīng)用。為監(jiān)測乙二醇濃度的穩(wěn)定性，需要配置乙二醇濃溶液全自動補液穩(wěn)壓裝置。

1）換熱設(shè)備參數(shù)。乙二醇間壁式換熱器類型為氣-液翅片管式換熱器。因煤礦現(xiàn)場回風(fēng)井距離較遠(yuǎn)，并考慮礦井環(huán)境溫度范圍變化，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的乙二醇溶液作為液態(tài)循環(huán)工質(zhì)。為考慮翅片管管材的經(jīng)濟性與液態(tài)工質(zhì)的相容性，最終選用金屬鋁為管殼材料，內(nèi)管材料為碳鋼的雙金屬復(fù)合軋制翅片管。通過設(shè)計與計算，換熱器管排采用正三角形叉排布置方式，單管全長為3 m，每排管布置數(shù)目分別為13 根和12 根排列，共10 臺換熱器，每臺換熱器2 組，每組6 排。總管數(shù)1 520 根，傳熱面積5 746 m2。換熱系統(tǒng)管內(nèi)乙二醇循環(huán)溶液吸熱和回風(fēng)側(cè)回風(fēng)放熱按逆流方式布置。翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Finned tube structure parameters

2）其他設(shè)備選型。選用乙二醇滿液式螺桿熱泵機組2 臺，制熱功率為2 120 kW，總功率為1 009.4 kW；其他設(shè)備主要包括：①功率為3 kW 的風(fēng)機輪值轉(zhuǎn)換裝置4 套；②主進風(fēng)井功率為280 kW 電輔助加熱裝置2 臺；③副進風(fēng)井功率為300 kW 的電輔助加熱裝置3 臺；④功率為7.5 kW 乙二醇濃溶液全自動補液穩(wěn)壓裝置1 臺。其中電輔熱裝置外形尺寸根據(jù)主、副進風(fēng)井風(fēng)道尺寸確定，分別為1 200 mm×2 000 mm×500 mm 與1 200 mm×1 500 mm×500 mm，安裝在百葉風(fēng)口內(nèi)側(cè)，風(fēng)機出口側(cè)。

2.3 系統(tǒng)布置形式

相較于乙二醇間壁式換熱的工作原理，實際工程應(yīng)用中需要考慮回風(fēng)井的距離問題以及換熱器周圍風(fēng)道的形狀產(chǎn)生的阻力對換熱效果的影響。礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)流程圖如圖2。

圖2 礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)流程圖Fig.2 Process flow of mine return air waste heat recovery system

由乙二醇熱交換裝置與回風(fēng)井組成的余熱回收系統(tǒng)，回風(fēng)經(jīng)引流風(fēng)道橫掠翅片管束，能夠減少氣流阻力的影響，使換熱效果更充分。通過換熱介質(zhì)管路將熱量傳輸至水源熱泵主機，對管路的保溫以及采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%乙二醇溶液作為循環(huán)介質(zhì)，不僅能夠克服由于回風(fēng)井距離遠(yuǎn)問題，以及冬季極端低溫天氣造成管路凍結(jié)的危險。同時循環(huán)乙二醇溶液提取回風(fēng)余熱能夠使回風(fēng)溫度降至更低，充分利用余熱資源，經(jīng)取熱后的回風(fēng)直接排向室外。

2.4 系統(tǒng)運行控制方式

1）季節(jié)和風(fēng)機輪值轉(zhuǎn)換方式。當(dāng)冬季處于供暖期間，通過關(guān)閉引流風(fēng)道頂部的密閉型保溫風(fēng)閥，開啟通風(fēng)擴散塔口的密閉型風(fēng)閥，礦井回風(fēng)經(jīng)引流風(fēng)道引入乙二醇熱交換回收裝置，與乙二醇循環(huán)溶液進行熱量交換后排放。在非供暖期間，打開引流風(fēng)道頂部的2 座密閉型保溫風(fēng)閥和通風(fēng)機擴散塔口的密閉型風(fēng)閥，礦井回風(fēng)沿擴散塔直接排放。

2）熱泵循環(huán)控制方式。礦井回風(fēng)通過換熱裝置與乙二醇溶液進行熱量交換后，乙二醇溶液作為熱泵熱源側(cè)的循環(huán)介質(zhì)進入熱泵機組，實現(xiàn)熱量傳送。溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測和補液、穩(wěn)壓采用乙二醇溶液全自動補液穩(wěn)壓裝置，自動檢測進行溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力、自動補液、補水、維持恒壓運行；循環(huán)水泵為工頻控制運行；供熱側(cè)循環(huán)水泵采用變頻控制運行，當(dāng)回水溫度低于設(shè)定最低溫度時，調(diào)高供電頻率，進而使循環(huán)流量增大；反之，降低供電頻率，減小循環(huán)流量；通過PLC 自動控制，實時監(jiān)測溫度變化情況。

對于乙二醇間壁式換熱系統(tǒng)在設(shè)計應(yīng)用過程中，要考慮換熱機組及管道防凍問題、非供暖季風(fēng)機系統(tǒng)切換問題以及翅片管換熱裝置的清洗問題。

3 系統(tǒng)運行優(yōu)化

該系統(tǒng)于2018年12 月建成投用，現(xiàn)場配置PLC 自動控制系統(tǒng)對溫度進行實時監(jiān)測。通過對前期系統(tǒng)實際運行情況的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，間壁式換熱器在長時間運行狀況下，其換熱效果出現(xiàn)不穩(wěn)定，換熱能力不足等問題。基于上述問題，分別從間壁式換熱器結(jié)構(gòu)與管內(nèi)乙二醇換熱工質(zhì)的幾何參數(shù)進行分析；采用數(shù)值模擬的方法，基于Threlkeld 焓差法建立濕工況下單管換熱分析模型，利用MATLAB 編程軟件進行迭代計算，進而確定其最佳運行工況并進行調(diào)試驗證。

3.1 模型分析

采用多路溫度記錄儀與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對實際運行數(shù)據(jù)24 h 記錄與采集，數(shù)據(jù)處理采用Threlkeld焓差法進行分析。以回風(fēng)側(cè)翅片管管外表面積為計算依據(jù)，忽略換熱管管壁熱阻，基于焓差的總傳熱系數(shù)與換熱器各部分熱阻關(guān)系式如下：

式中：Uo為基于焓差的總傳熱系數(shù)，kg/（m2·s）；A0為總表面積，m2；Ap，i為管內(nèi)表面積，m2；Ap，o為管外表面積，m2；Af為翅片表面積，m2；Dc為管外徑，m；Di為管內(nèi)徑，m；br為管內(nèi)壁與管內(nèi)流體溫度的飽和空氣焓差和溫差的比率；bp為管內(nèi)外壁溫度的飽和空氣焓差和溫差的比率；bw，p為基于翅片表面冷凝水膜平均溫度下飽和空氣曲線的斜率；hi為管內(nèi)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；kp為管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Lp為換熱管長，m；ho為濕式外表面的總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ηf，wet為濕翅片效率；bw，m為換熱器翅片管外水膜平均溫度Tw，m下飽和空氣曲線的斜率；Cp，a為濕空氣比熱容，J/（kg·K）；yw為水膜厚度，m；kw為水膜的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；hs為回風(fēng)側(cè)換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

通過假定翅片水膜表面平均溫度Tw,m，進行迭代計算。根據(jù)假定的數(shù)值利用式（5）計算水膜表面平均溫度下的飽和空氣焓is,w,m，并與假設(shè)值進行比較。進而判斷迭代過程是否收斂。最后確定Tw,m的準(zhǔn)確值。根據(jù)修正的濕翅片效率，在水膜平均溫度為Tw,m下的飽和空氣焓迭代方程式如下：

式中：ia,m為平均空氣焓，kJ/kg；ir,m為平均溶液溫度下的飽和空氣焓，kJ/kg。

回風(fēng)進、出口溫度變化對比圖如圖3。

圖3 回風(fēng)進、出口溫度變化對比圖Fig.3 Comparison of return air inlet and outlet temperature changes

由圖3 可知，模擬的進、出口溫度與實測的進、出口溫度在整體上并未出現(xiàn)偏差。但在實際工程中，實測的回風(fēng)進口溫度變化范圍在16.0～16.8 ℃，而模擬的回風(fēng)進口溫度為恒定16.5 ℃。同時室外環(huán)境溫度的變化也會影響回風(fēng)進口溫度的變化，影響換熱器換熱量。因此模擬的回風(fēng)出口溫度存在一定波動。

3.2 工況優(yōu)化

對于間壁式換熱技術(shù)而言，影響換熱器的換熱效果主要為回風(fēng)橫掠翅片管束的換熱器結(jié)構(gòu)與管內(nèi)乙二醇溶液的幾何參數(shù)。通過采用逐排法對不同傳熱過程下各環(huán)節(jié)溫度、回風(fēng)側(cè)傳熱系數(shù)與翅片效率的變化進行分析，能夠直接反應(yīng)換熱器換熱效果在結(jié)構(gòu)上的變化問題。換熱器為逆流換熱器，回風(fēng)進口溫度為16.5 ℃，相對濕度為70%；乙二醇溶液進口溫度為-2 ℃時，各環(huán)節(jié)溫度變化曲線如圖4，回風(fēng)側(cè)傳熱系數(shù)與翅片效率變化曲線如圖5。

圖4 各環(huán)節(jié)溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curves in session

圖5 回風(fēng)側(cè)傳熱系數(shù)與翅片效率變化曲線Fig.5 Variation curves of heat transfer coefficient and efficiency on the return air side

由圖4 可知，對于換熱器的管排結(jié)構(gòu)，不同傳熱過程的各環(huán)節(jié)溫度變化存在明顯的差異?；仫L(fēng)側(cè)翅片表面的溫度低于回風(fēng)的露點溫度。在第12 排時，回風(fēng)側(cè)翅片表面水膜的平均溫度為2.5 ℃。不同于干工況條件，圖5 顯示全濕工況下回風(fēng)側(cè)傳熱系數(shù)隨著管排排數(shù)的增加逐漸降低，翅片效率逐漸增大。為防止該地區(qū)在極端低溫天氣時，出風(fēng)口管排翅片水膜溫度低于0 ℃翅片管出現(xiàn)結(jié)冰的風(fēng)險，其換熱器管排排數(shù)應(yīng)控制在12 排以內(nèi)。

為進一步提升換熱器的換熱效果，確定最佳運行工況。分別從管內(nèi)乙二醇溶液流速以及溶液入口溫度的變化進行分析。乙二醇溶液進口溫度在-2～5℃；乙二醇溶液進口流速在1.49～4.64 m/s 時，不同進口溫度不同流速對換熱量的影響如圖6。

圖6 不同進口溫度不同流速對換熱量的影響Fig.6 Effect of different inlet temperatures and flow rates on heat exchange

由圖6 可知，在不同進口溫度下，隨著流體流速的增加，換熱器的換熱量出現(xiàn)明顯提升。當(dāng)流體進口溫度為-2 ℃，管內(nèi)側(cè)乙二醇溶液流速增加到4.64 m/s 時，其單管換熱量最高能達到1 329.66 W。但由于流體流速的持續(xù)增加會造成管內(nèi)阻力的增大。使得換熱器的換熱效果存在上述等問題。因此，流速最佳變化范圍在1.49～2.76 m/s。

3.3 實際運行情況

針對模擬優(yōu)化后所確定的運行工況，現(xiàn)場進行了實際變工況的測試與分析。溫度測試裝置采用多路溫度記錄儀24 h 不間斷進行自動記錄。通過結(jié)合PLC 自動控制系統(tǒng)的監(jiān)測，每間隔5 min 記錄1 次，對2020 年12 月14 日0：00 至16 日12：00 連續(xù)60 h 的測試數(shù)據(jù)進行分析整理，得到系統(tǒng)運行變化情況。60 h 回風(fēng)換熱器溫度變化曲線如圖7，60 h 井口溫度變化曲線如圖8。

圖7 60 h 回風(fēng)換熱器溫度變化曲線Fig.7 Temperature curves of 60 h return air heat exchanger

圖8 60 h 井口溫度變化曲線Fig.8 Temperature change graph of 60 h wellhead

由圖7 和圖8 可知，在優(yōu)化工況運行下的乙二醇間壁式換熱器，其加熱后井口溫度均在5 ℃以上，能夠滿足《煤安規(guī)程》所規(guī)定的井口進風(fēng)溫度，同時還達到了礦方所要求溫度。井口溫度的變化趨勢與室外溫度的變化趨勢一致，說明系統(tǒng)運行穩(wěn)定。當(dāng)室外溫度低于-15 ℃，井口溫度仍能達到5 ℃，換熱器的出口翅片管處并未出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。同時回風(fēng)進出口溫差與乙二醇溶液進出口溫差呈動態(tài)變化。說明的換熱器在優(yōu)化工況后具有良好的換熱能力，運行效果穩(wěn)定。

4 環(huán)保與經(jīng)濟效益

低溫余熱回收系統(tǒng)的運行費用主要為風(fēng)機和水泵等運轉(zhuǎn)類耗電設(shè)備所用電費。除此之外，還包括人工費、設(shè)備維修費等。按照冬季采暖季180 d 計算，系統(tǒng)每天開啟24 h，電價0.55 元/kWh。乙二醇換熱系統(tǒng)耗電費用為239.8 萬元。當(dāng)室外溫度低于-20℃時，開啟電輔熱系統(tǒng)，按每年溫度低于-20 ℃時間30 d，每天18 h 計算。井口防凍電輔熱耗電費用為43.36 萬元。其中設(shè)備維修費用為18 萬元/年，人工費用為30 萬元/年。其他費用121.49 萬元。低溫余熱回收系統(tǒng)運行總費用為452.65 萬元。

采用傳統(tǒng)燃煤鍋爐運行所消耗的燃煤費，電費，維修費，人工費以及排渣、脫硫脫硝除塵運行費用共計658 萬元。相較于燃煤鍋爐，每年可以節(jié)約運行費用205.35 萬元。同時燃煤鍋爐耗煤量巨大，每年產(chǎn)出4 279.36 t 碳粉塵、2 2287.2 t CO2、251.4 t SO2、125.7 t NOx等污染物污染環(huán)境。因此采用乙二醇間壁式低溫余熱回收系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟環(huán)保效益，而且對于改善礦區(qū)的大氣環(huán)境具有顯著的效果。

5 結(jié) 語

針對礦井進風(fēng)井口防凍安全問題，提出了一種乙二醇間壁式換熱技術(shù)提取排風(fēng)余熱加熱進風(fēng)井口的方法，利用熱平衡理論結(jié)合實際工程案例進行方案設(shè)計與應(yīng)用研究，并通過數(shù)值模擬方法對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行工況進行優(yōu)化分析。

1）設(shè)計采用乙二醇溶液作為管內(nèi)循環(huán)工質(zhì)能夠?qū)⒒仫L(fēng)溫度降至更低。并且乙二醇溶液能夠防止極端天氣管道結(jié)冰等風(fēng)險。同時該系統(tǒng)克服了回風(fēng)井在高處、距離遠(yuǎn)、占地面積大等安裝環(huán)境限制問題。

2）管內(nèi)傳熱工質(zhì)的入口溫度為-2 ℃，流速為1.49～2.76 m/s 時，乙二醇間壁式換熱器在優(yōu)化工況下的運行效果良好。當(dāng)室外溫度低于-15 ℃時，仍能夠保證進風(fēng)井口溫度為5 ℃以上，同時乙二醇間壁式換熱器換熱效果穩(wěn)定，能夠滿足冬季井口防凍熱需求。

3）相比傳統(tǒng)采用燃煤鍋爐年運行費用節(jié)約205.35 萬元，在經(jīng)濟上能夠帶來效益。同時，該系統(tǒng)能夠大幅度減少粉塵顆粒和CO2、SO2、NOx等污染物的排放，環(huán)保效益顯著。