白延斌，霍海紅，楊立中，呂向陽(yáng)，張曉南

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；2.北京中礦賽力貝特節(jié)能科技有限公司，北京 100083)

0 引 言

煤炭是我國(guó)的主體能源和重要原料，從1949年至今累計(jì)生產(chǎn)煤量達(dá)960 億噸以上，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了70%以上的能源，支撐國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值年均增長(zhǎng)9%以上[1]。作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)積極做出“30·60”雙碳目標(biāo)承諾。由于我國(guó)以煤為主的能源稟賦現(xiàn)狀，在保障能源安全的基礎(chǔ)上，降低煤炭消費(fèi)總量及其消費(fèi)過(guò)程中的碳排放強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必然選擇[2-3]。

在煤礦生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，供熱、制冷、井口防凍和全年洗浴負(fù)荷巨大，自建的小規(guī)模燃煤鍋爐房造成二氧化碳排放問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重，因此礦井急需尋求低碳環(huán)保的供熱技術(shù)路徑，從而徹底解決自身面臨的環(huán)保壓力并承擔(dān)起企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。暖通空調(diào)行業(yè)在為煤炭企業(yè)服務(wù)過(guò)程中，始終需要將綠色生產(chǎn)、節(jié)能提效、清潔利用、生態(tài)環(huán)保理念貫穿始終，將暖通空調(diào)工業(yè)發(fā)展為安全高效、清潔低碳的先進(jìn)產(chǎn)業(yè)。

文獻(xiàn)[4-6]對(duì)比分析了煤炭行業(yè)熱源選擇與可再生能源利用，得出余熱資源利用是未來(lái)煤礦供熱熱源選擇的主導(dǎo)方向。杜春濤針對(duì)礦井回風(fēng)噴淋換熱器氣液兩相流進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究[7]，鮑玲玲對(duì)礦井回風(fēng)熱能回收熱濕傳遞進(jìn)行了研究[8]，張培鵬針對(duì)煤礦熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為煤礦熱回收系統(tǒng)為礦井節(jié)省了經(jīng)濟(jì)支出[9]。蘇偉介紹了口孜東礦關(guān)于噴淋換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程及其系統(tǒng)組成方式[10]。呂向陽(yáng)等基于低溫?zé)峁軗Q熱技術(shù)，研發(fā)了回收礦井回風(fēng)余熱資源的換熱裝置，并應(yīng)用在陽(yáng)煤集團(tuán)一礦吳家掌風(fēng)井[11]。文獻(xiàn)[12-14]在回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)中申請(qǐng)了熱管工藝、熱管裝置、熱管系統(tǒng)及熱管控制系統(tǒng)等專(zhuān)用熱管專(zhuān)利。

利用礦井余熱資源的方式較多，多偏重某種技術(shù)在某礦的實(shí)際應(yīng)用或單純熱質(zhì)交換機(jī)理的分析。但對(duì)整體煤炭行業(yè)熱源的發(fā)展過(guò)程與不同技術(shù)的對(duì)比分析較少，本文結(jié)合某礦井實(shí)際熱源的改造，提出低碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線(xiàn)。

1 傳統(tǒng)鍋爐建設(shè)

1.1 建設(shè)內(nèi)容

相關(guān)政策規(guī)定，若要新建鍋爐房作為對(duì)現(xiàn)有熱源改造，則必須建設(shè)20 t/h以上的鍋爐房，部分地區(qū)則需要建設(shè)35 t/h及以上的鍋爐房才可以獲得批復(fù)文件。新建鍋爐房還需要配套建設(shè)水處理系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)及脫硝系統(tǒng)等。所以鍋爐系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容眾多、系統(tǒng)復(fù)雜、周期較長(zhǎng)。典型鍋爐工藝流程圖如圖1所示。

圖 1 燃煤鍋爐工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of coal-fired boiler

1.2 運(yùn)營(yíng)弊端

根據(jù)國(guó)家及地方相關(guān)政府文件，除必要保留以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰10 t/h及以下的燃煤鍋爐，禁止新建20 t/h以下的燃煤鍋爐。燃煤鍋爐熱效率低，不滿(mǎn)足節(jié)能減排,建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求，且燃煤鍋爐在使用過(guò)程中排放大量的煙塵、二氧化硫等污染物質(zhì)，是形成大氣中PM2.5的重要成分，也是霧霾天氣的重要誘因。

燃煤鍋爐屬于國(guó)家及地方政府明令禁止建設(shè)及限期拆除范圍內(nèi)。若國(guó)家環(huán)保政策標(biāo)準(zhǔn)提高，需繼續(xù)提高鍋爐的建設(shè)噸位來(lái)滿(mǎn)足要求。鍋爐是否能夠獲得審批并通過(guò)建設(shè)備案存在很大的政策風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)即使獲得批準(zhǔn)將來(lái)依然存在停用的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有鍋爐房建筑體積規(guī)模以及煙囪均不滿(mǎn)足要求，若新建燃煤鍋爐房，則需要重新改擴(kuò)建，使得投資費(fèi)用昂貴。并且，燃煤鍋爐在非采暖季處于低負(fù)荷運(yùn)行，效率偏低，將造成設(shè)備浪費(fèi)，投資、運(yùn)行費(fèi)用高?；谌济哄仩t的上述問(wèn)題，部分礦井在選擇熱源時(shí)考慮用燃?xì)忮仩t來(lái)替代，然而選擇燃?xì)忮仩t首要面臨的問(wèn)題是氣源問(wèn)題，在偏遠(yuǎn)礦區(qū)天然氣一直無(wú)法充足供應(yīng)，再者運(yùn)行費(fèi)用的昂貴使得企業(yè)望而止步。

1.3 運(yùn)營(yíng)成本與碳排放

按照液化天然氣(LNG)5元/Nm3，管道天然氣4元/Nm3，煤炭600元/t，天然氣的碳排放系數(shù)2.165，燃煤的碳排放系數(shù)2.660計(jì)算，將不同燃料每生產(chǎn)1噸蒸汽(700 kW/h)的鍋爐的運(yùn)行成本與碳排放量列于表1。

表1 不同燃料鍋爐小時(shí)燃料成本與碳排放核算Tab.1 Hourly fuel cost and carbon emission accountingof boilers with different fuels

從表1可以看出，單位蒸噸(700 kW/h)使用天然氣的碳排放量為162 kg，使用燃煤的碳排放量為333 kg。按照1個(gè)采暖季120 d計(jì)算，單位蒸噸鍋爐碳排放量為575 t，1臺(tái)20 t/h的燃煤鍋爐1個(gè)采暖季的碳排放量約為11 508 t。因此繼續(xù)使用燃料鍋爐始終解決不了碳排放問(wèn)題，也是碳中和背景下不再提倡的熱源選擇方式。

2 熱泵系統(tǒng)余熱回收

2.1 余熱資源

煤炭在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生巨大的余熱資源，主要包含礦井回風(fēng)(乏風(fēng))和礦井排水。回風(fēng)是一種潛力巨大且清潔的余熱資源，溫度全年維持在20 ℃左右，可結(jié)合熱泵技術(shù)充分利用。礦井實(shí)際運(yùn)行中回風(fēng)排風(fēng)量大，溫濕度相對(duì)較高，因此在冬季供熱季節(jié)充分合理地利用該部分余熱資源，可以較好地滿(mǎn)足實(shí)際用熱需求。利用換熱裝置高效回收回風(fēng)流中的熱量，回風(fēng)流與換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量傳遞，通過(guò)換熱器將回風(fēng)流中的熱量進(jìn)行置換利用，之后將熱量輸送至熱泵主機(jī)進(jìn)行二次提溫后供熱。

礦井回風(fēng)是一種穩(wěn)定的余熱資源，結(jié)合不同余熱利用技術(shù)綜合回收余熱資源，可帶來(lái)豐厚的回報(bào)。將煤礦回風(fēng)中低溫(16～20 ℃)熱能加以利用，為煤礦或周?chē)脩?hù)提供高溫(45～55 ℃)熱能,可獲得節(jié)能和減排的雙向收益[15-16]。

2.2 熱泵系統(tǒng)特性

熱泵作為礦井回風(fēng)余熱回收的主要方式之一，其具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，每投入1 kW·h, 可以產(chǎn)生相當(dāng)于4 kW·h的熱量, 與直接用電熱方法相比, 節(jié)約了75% 的用電量； 與傳統(tǒng)的燃煤、燃油鍋爐相比, 節(jié)約了50%～ 65% 的能耗, 極大地降低了運(yùn)行成本。用回風(fēng)噴淋換熱制取的熱水和溫水一年四季溫度相對(duì)穩(wěn)定,其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng),是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。另外，由于換熱后水溫度較恒定，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更穩(wěn)定可靠,也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性，不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。

1) 優(yōu)點(diǎn)：綠色環(huán)保。熱泵系統(tǒng)使用的能源為電能和大量環(huán)境低溫?zé)崮? 從根本上杜絕了煙氣及污染物的排放。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、燃油等鍋爐房系統(tǒng),沒(méi)有燃燒過(guò)程,避免了排煙污染；供冷時(shí)省去了冷卻水塔,避免了冷卻塔的噪聲及霉菌污染，不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。另外，一機(jī)多用。一套設(shè)備不僅能提供生活熱水，又能供熱制冷，簡(jiǎn)化了設(shè)備及工程量。

2) 缺點(diǎn)：熱泵回風(fēng)余熱結(jié)合回風(fēng)擴(kuò)散塔設(shè)置取熱系統(tǒng)，取熱系統(tǒng)一般為噴淋換熱系統(tǒng)或直接蒸發(fā)式取熱系統(tǒng)。

利用噴淋式系統(tǒng)必須在回風(fēng)擴(kuò)散塔搭建噴淋換熱設(shè)備，噴淋換熱設(shè)備的大小受到回風(fēng)擴(kuò)散塔的影響，對(duì)噴淋換熱效率造成一定程度的影響。噴淋換熱適用于高溫型礦井，水溫在50～55 ℃運(yùn)行時(shí)為最佳工況，系統(tǒng)無(wú)法提供60 ℃以上的高溫水。需要改造現(xiàn)有供熱管網(wǎng)及末端用熱設(shè)備才能達(dá)到最佳效果。對(duì)于熱負(fù)荷比較大的礦井，由于受到風(fēng)量與水量熱交換效率的限制，噴淋換熱無(wú)法保證整個(gè)礦區(qū)最大熱負(fù)荷需求。噴淋換熱系統(tǒng)存在堵塞問(wèn)題，需要定期維護(hù)。

利用直接蒸發(fā)式系統(tǒng)相當(dāng)于把空氣源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器單獨(dú)拆出建設(shè)在礦井回風(fēng)口，相對(duì)于集中式水源熱泵機(jī)組其能效大幅度降低。搭建該系統(tǒng)需要結(jié)合擴(kuò)散塔布置蒸發(fā)器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)產(chǎn)生一定阻力。一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)只考慮供熱，沒(méi)有協(xié)同設(shè)計(jì)制冷，且制熱運(yùn)行時(shí)能效普遍低于2.5。同時(shí)系統(tǒng)相對(duì)噴淋式-水源熱泵系統(tǒng)投資較高。冬季頻繁的融霜、除霜使系統(tǒng)的極端工況供熱量無(wú)法保證，在能效降低的同時(shí)不能滿(mǎn)足極端負(fù)荷的使用要求。

2.3 熱泵系統(tǒng)實(shí)踐

大柳塔礦隸屬于中國(guó)神華集團(tuán)能源股份有限公司神東煤炭分公司，位于陜西省榆林市神木縣境內(nèi)。年平均氣溫5 ℃，極端最低氣溫-28.1 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃。大柳塔礦白家渠風(fēng)井區(qū)距礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)約20 km，井區(qū)設(shè)有回風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)井各一座?；仫L(fēng)井實(shí)測(cè)回風(fēng)量778 080 m3/h，冬季回風(fēng)溫度15.75～19.44 ℃，回風(fēng)濕度90%；進(jìn)風(fēng)井設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量420 012 m3/h。原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)井口防凍采用3臺(tái)8 t的燃煤熱風(fēng)爐供熱，年耗煤3 600 t，年碳排量9 576 t[17-18]。

原有系統(tǒng)高能耗高污染問(wèn)題一直困擾著使用方，因此在2014—2015年期間改建為噴淋換熱熱泵系統(tǒng)，替代原有3臺(tái)8 t燃煤熱風(fēng)爐系統(tǒng)，通過(guò)節(jié)省煤炭資源，減少污染物排放，降低運(yùn)行費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能減排的目的，并回收了礦井回風(fēng)的余熱資源。該項(xiàng)目當(dāng)年被列入國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃及投資計(jì)劃。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)井筒防凍負(fù)荷5 335 kW，熱源由8臺(tái)HE640型渦旋型水源熱泵機(jī)組提供，供回水溫度為50 ℃/40 ℃。根據(jù)室外氣溫，自動(dòng)或人工控制水源熱泵機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。通過(guò)搭建噴淋換熱系統(tǒng)，建設(shè)熱泵機(jī)房，配套井口加熱器輸送熱風(fēng)，系統(tǒng)取代了原有燃煤熱風(fēng)鍋爐。通過(guò)2015年最冷月連續(xù)測(cè)試實(shí)際井口房溫度一直維持在5 ℃以上，井口溫度實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖 2 井口溫度測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.2 Wellhead temperature test data

圖3為熱泵機(jī)房實(shí)物圖。作為冬季井口防凍熱源，回風(fēng)源熱泵替代燃煤熱風(fēng)鍋爐，折算年耗電量為1 770 MW·h，年換算碳排放1 180 t[19]。年節(jié)約煤3 600 t，年凈減碳8 369 t，取得了較好的社會(huì)效益。

圖 3 熱泵機(jī)房Fig.3 The room of heat pump

隨著礦區(qū)開(kāi)采深度的進(jìn)展，白家渠風(fēng)井場(chǎng)地的進(jìn)風(fēng)量與回風(fēng)量在2020年后發(fā)生了較大變化，回風(fēng)量由原來(lái)的778 080 m3/h變?yōu)? 140 000 m3/h，進(jìn)風(fēng)量由原來(lái)的420 012 m3/h變?yōu)?60 000 m3/h。因此原有系統(tǒng)的噴淋換熱系統(tǒng)阻力附加值增加，水滴飄逸嚴(yán)重，熱泵主機(jī)供熱能力嚴(yán)重不足，影響到現(xiàn)場(chǎng)部分時(shí)間段的安全生產(chǎn)，必須考慮補(bǔ)充新熱源,并且現(xiàn)場(chǎng)失修、結(jié)冰現(xiàn)象嚴(yán)重，此系統(tǒng)的工作工況已不是最佳工況。

2.4 應(yīng)用建議

熱泵系統(tǒng)的供熱介質(zhì)為熱水，因此采用熱泵系統(tǒng)供熱，采暖末端必須配備散熱設(shè)備，井筒防凍系統(tǒng)需要配合井口加熱器進(jìn)行設(shè)置。所以熱泵系統(tǒng)適用于供冷/供熱、供洗浴熱水場(chǎng)合。

在北方地區(qū)冬季使用噴淋式換熱系統(tǒng)結(jié)冰現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重，需要慎重設(shè)計(jì)。對(duì)于其他熱泵裝置的取熱器，取熱溫度不能太低，因?yàn)榕棚L(fēng)溫度過(guò)低，冷凝水易發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而且回風(fēng)取熱裝置的取熱溫度設(shè)置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的能效比急劇下降，因此在設(shè)計(jì)使用熱泵系統(tǒng)的時(shí)候要充分考慮用戶(hù)側(cè)的需求，取熱側(cè)參數(shù)需要合理設(shè)定。

3 熱管系統(tǒng)余熱回收

3.1 熱管原理

熱管換熱器換熱原理示意圖如圖4所示。熱管主要由熱管管殼、吸液芯、蒸汽腔、工質(zhì)等4部分組成。熱管按照工作過(guò)程可劃分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段等3個(gè)部分。

(a) 重力式熱管

(b) 分體式熱管圖 4 熱管換熱器Fig.4 The heat pipe heat exchanger

熱管工作過(guò)程：蒸發(fā)段的液態(tài)工質(zhì)吸收熱源的熱量后在氣液分界面上迅速蒸發(fā)汽化；汽態(tài)工質(zhì)在微小的壓差下經(jīng)絕熱段迅速到達(dá)冷凝段；冷凝段的氣態(tài)工質(zhì)向被加熱介質(zhì)放出熱量后迅速冷凝成液態(tài)；液態(tài)工質(zhì)經(jīng)吸液芯回流至蒸發(fā)段，再次在蒸發(fā)段吸熱汽化，熱量從一端傳到了另一端[20-21]。因此也將熱管換熱系統(tǒng)稱(chēng)為無(wú)動(dòng)力換熱熱管裝置。

3.2 熱管優(yōu)點(diǎn)

1)導(dǎo)熱性高。熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，導(dǎo)熱能力很高。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位質(zhì)量的熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量[22-23]。

2) 等溫性?xún)?yōu)良。熱管內(nèi)的蒸汽處于飽和狀態(tài)，一定的飽和蒸汽溫度對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的飽和蒸汽壓力，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段產(chǎn)生的壓降很小，熱管具有優(yōu)良的等溫性。

3) 熱流密度可變性。熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。

4) 熱流方向的可逆性。一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱都可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。

5) 熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能。熱管可作為熱二極管或熱開(kāi)關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。

6) 可控?zé)峁芎銣靥匦浴Ｆ胀峁艿母鞑糠譄嶙杌旧喜浑S輸入熱量的變化而變化，因此當(dāng)輸入的熱量有變化時(shí)，熱管各部分的溫度亦隨之變化。后來(lái)發(fā)展的可變熱管使冷凝段的熱阻與輸入的熱量成反比，因此熱管在輸入熱量大幅度變化的情況下，內(nèi)部介質(zhì)蒸汽溫度變化極小，實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫可控性[24-26]。

3.3 熱管缺點(diǎn)

結(jié)合礦井通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)熱管換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)后可以滿(mǎn)足井筒防凍需求[27-28]。熱管系統(tǒng)直接回收回風(fēng)余熱后的供熱介質(zhì)為熱風(fēng)，熱管換熱系統(tǒng)只能滿(mǎn)足井筒負(fù)荷占據(jù)主導(dǎo)地位或者主要熱負(fù)荷需求為井筒防凍負(fù)荷的場(chǎng)所。熱管換熱器需要保證換熱管徹底密封無(wú)泄漏，否則整個(gè)熱管將失效不再工作。熱管換熱系統(tǒng)需要搭建新、回風(fēng)道進(jìn)行冷熱風(fēng)的交換，因此需要建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井相對(duì)距離不能太遠(yuǎn)，一般要求不超過(guò)200 m，否則投資造價(jià)昂貴[29-31]。

3.4 熱管系統(tǒng)實(shí)踐

3.4.1 實(shí)施內(nèi)容

白家渠風(fēng)井場(chǎng)地?zé)嶝?fù)荷主要是井筒防凍負(fù)荷，且后期進(jìn)風(fēng)量急劇增加導(dǎo)致熱負(fù)荷由設(shè)計(jì)之初的5 335 kW增加到8 383 kW，新增加熱負(fù)荷3 048 kW。因此原有熱泵系統(tǒng)無(wú)法保證現(xiàn)場(chǎng)用熱需求?；谏鲜銮闆r，2020年對(duì)白家渠風(fēng)井場(chǎng)地?zé)嵩催M(jìn)行了二次改造。

按照進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量660 000 m3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，極端最低氣溫-30 ℃，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷8 383 kW。系統(tǒng)配置22套熱管換熱器，單臺(tái)熱管換熱量400 kW，合計(jì)供熱能力8 800 kW。拆除現(xiàn)有噴淋換熱系統(tǒng)裝置，新建非供熱季節(jié)通風(fēng)轉(zhuǎn)換模塊、熱管換熱平臺(tái)、自動(dòng)清洗裝置、冷凝水回收系統(tǒng)、等靜壓風(fēng)室、自動(dòng)控制系統(tǒng)及棧橋風(fēng)道等系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)2020—2022年2個(gè)采暖季節(jié)的連續(xù)觀測(cè)運(yùn)行，系統(tǒng)很好地滿(mǎn)足了井筒防凍熱負(fù)荷需求。2021—2022年采暖季系統(tǒng)附加電耗不超過(guò)50 000 kW/h，相比熱泵系統(tǒng)年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用80余萬(wàn)元，運(yùn)行能耗大幅度降低，在滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)需求的同時(shí)圓滿(mǎn)完成了企業(yè)減碳任務(wù)，該系統(tǒng)年碳排放量接近“0”。熱管系統(tǒng)的實(shí)施，使得風(fēng)井場(chǎng)地?zé)峁芄?yīng)實(shí)現(xiàn)了零碳供熱。

3.4.2 技術(shù)對(duì)比

熱管換熱系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 熱泵-熱管系統(tǒng)對(duì)比Tab.3 Comparison of heat pump heat pipe system

從表2可以看出，熱管換熱系統(tǒng)的低運(yùn)行費(fèi)用與低碳排放的實(shí)現(xiàn)，主要在于熱管換熱系統(tǒng)通過(guò)無(wú)動(dòng)力熱管換熱裝置直接提取回風(fēng)熱量，然后將熱量傳熱給送風(fēng)氣流。系統(tǒng)只搭建了熱管換熱平臺(tái)與回風(fēng)及送風(fēng)風(fēng)道，沒(méi)有任何循環(huán)動(dòng)力部件，送風(fēng)系統(tǒng)主要靠井筒原有負(fù)壓室井口送風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的回風(fēng)道主要靠礦井既有通風(fēng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。

熱管系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要為在極端天氣出現(xiàn)時(shí)的電輔熱耗電量，整個(gè)系統(tǒng)的配電量約為熱泵系統(tǒng)的1/10。熱泵系統(tǒng)只要運(yùn)行，熱泵主機(jī)、循環(huán)泵、空氣加熱機(jī)組就需要耗電，而熱管系統(tǒng)平時(shí)運(yùn)行則沒(méi)有耗能部件，是一種風(fēng)風(fēng)直接換熱的熱回收裝置。因此其節(jié)能性與低碳性得到了充分發(fā)揮。

3.5 應(yīng)用建議

無(wú)動(dòng)力熱管換熱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)零碳清潔供熱，但其應(yīng)用有一定的限制條件。首先其適用于進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井場(chǎng)地相對(duì)距離不遠(yuǎn)，通常不超過(guò)200 m，否則系統(tǒng)的長(zhǎng)距離輸送風(fēng)道投資造價(jià)過(guò)高。其次熱管換熱系統(tǒng)的產(chǎn)出介質(zhì)是熱風(fēng)，且熱風(fēng)的溫度通常只能保證井筒防凍系統(tǒng)的送風(fēng)溫度需求≥2 ℃，因此熱管換熱系統(tǒng)的使用主要用來(lái)解決井筒防凍用熱需求。再者熱管換熱系統(tǒng)在使用的時(shí)候，蒸發(fā)段置于回風(fēng)氣流中，通常礦井排風(fēng)中為低熱潮濕氣流，使用中會(huì)產(chǎn)生冷凝水的排放，需要做冷凝水保溫排放措施，防止結(jié)冰。

4 結(jié) 語(yǔ)

分析了礦井回風(fēng)井場(chǎng)地從熱源燃煤熱風(fēng)爐—回風(fēng)源熱泵系統(tǒng)—新型無(wú)動(dòng)力熱管直接換熱系統(tǒng)的熱源改造過(guò)程，并對(duì)應(yīng)分析了高碳排放—低碳排放—零碳排放的技術(shù)路線(xiàn)實(shí)踐過(guò)程。該礦供熱改造系統(tǒng)的碳排放從9 576 t/a降至1 180 t/a到最后徹底實(shí)現(xiàn)近“0”碳排放。實(shí)踐證明，熱管換熱技術(shù)可充分利用礦井排風(fēng)中蘊(yùn)含的余熱能。具有工藝流程簡(jiǎn)單、技術(shù)路線(xiàn)短、低溫?zé)崮艿幕厥绽寐矢?、運(yùn)行費(fèi)用低和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，為礦井回風(fēng)低溫?zé)崮艿幕厥绽锰峁┝艘粭l高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠的技術(shù)途徑。礦井回風(fēng)余熱利用尚有其他不同種類(lèi)的取熱形式與系統(tǒng)搭建方式，不同系統(tǒng)方案有各自適合的條件。