风井乏风余热供暖与井筒防冻保温技术研究_冉海舰.pdf

风井乏风余热供暖与井筒防冻保温技术研究冉海舰,李春平,张宇,孙建国,刘统申,蔡贵平,李金飞(内蒙古上海庙矿业有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯市 0 1 0 3 2 1)摘 要:为充分利用风井排出的乏风余热,进行了风井乏风余热供暖技术研究。在通风机出风口处安装一套风风换热系统,将进入矿井冷风加热后通过风管送至副井口,从而解决副井口供暖难、成本高的问题。将该技术应用于榆树井煤矿,应用后副井口温度范围为7 1 3,温度波动范围较小、运行较稳定,满足设计要求。风井乏风余热换热技术的提出有利于煤矿企业的绿色矿山建设。关键词:煤矿乏风;矿井回风;井口防冻;余热;节能技术0 引言能源是人类社会赖以生存和发展的基础,据2 0 1 7年的统计数据可知,我国年能源消费4 4.9亿t标准煤,能源消费结构中传统化石能源依然占据主导地位,其中:煤炭消费占6 0.4%,石油占1 8.8%,天然气占7%,一次电力及其他能源消费占比1 3.8%。这种不可持续的能源消费模式已经引发了人类社会的深刻反思和对新能源、可再生能源的强烈需求。当前,随着我国经济的快速发展,传统化石能源的使用导致环境污染问题也日益突出。发展新能源有助于解决能源不足的问题,有利于培育新的经济增长点,推动区域经济发展,有利于缓解环境保护的压力12。矿井热能源是新兴可利用能源之一,通过从高温矿井排出的热风中提取热量,为低温地区进风井口提供热量34。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56。部分学者对乏风利用进行了一定研究,蔡新国等7提出了一种水循环高效矿井乏风热泵系统方案,该系统在实际工程应用中节能环保效益显著。朱国宁等8结合宁夏银洞沟煤矿项目实际案例,采用T h r e l k e l d焓差法建立湿工况下单管换热分析模型,对运行工况进行优化分析。目前对矿井乏风的余热利用主要是采用喷淋换热技术和热管技术等,但由于成本高、运行工艺复杂等限制了其推广使用。本文通过自主设计、定制加工及集成,实现了矿井乏风余热的提取与利用。井下乏风通过2台扇风机从井下抽至地面,在扇风机和排风通道之间加装一组模块化的风风换热器,从而提取风井乏风中的热量;经过风风换热器加热的冷空气通过轴流风机和输风管道送至井筒,为井筒提供热源;经过风风换热器,被提取热量的乏风通过原排风通道排向大气。1 风风换热器技术原理风风换热器技术采用模块式设计,外部设有不锈钢外罩和空气过滤网,共计由9个换热模块组成,每3个换热模块为一套加热组,一共分为三级加热段组,三级加热段组平行安装,每两组加热段组之间串联连接。风风换热器外部有两条直径分别为2m的输风管道,每条输风管道设有4台轴流风机,负责将加热后的空气输送至井筒。风风换热器内部分为乏风流过通道和冷空气流过通道,两个通道互不相通。风井乏风进入风风换热器后,在乏风通道中流过,分别在三级加热段组中进行热交换,失去热量的乏风最后排至大气中。开动轴流风机后,风风换热器的冷空气通道呈负压状态,室外冷空气在负压作用下,通过换热器进风口的空气过滤网进入不锈钢外罩和换热器构成的预热风道中进行预热,预加热后的冷空气进入风风换热器第一级加热段组,在第一级加热段组内乏风和冷空气完成第一次热交换,加热后的冷空气再进入第二级加热段组内进行第二次热交换,一共经过三次热交换,加热后的空气再输送至井筒,其风风换热器结构示意如图1、图2所示。井筒保温采用恒温控制模式,井口设有4台暖风机,热源来自矿井水余热提取系统,风井乏风换热供暖和暖风机配合,采用P L C模糊控制技术,优先I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.037使用乏风余热,当不能满足井筒防冻时,开启井口暖风机,温度升高时,暖风机逐级停止,既可以满足井口防冻的需要,同时又可以防止能源的浪费。图1 风风换热器结构示意侧视图(单位:m m)图2 风风换热器结构示意俯视图(单位:m m)2 风井乏风提取热载荷计算2.1 不同阶段矿井需要的热载荷榆树井煤矿位于内蒙古自治区西南部鄂尔多斯市鄂托克前旗政府西侧约6 3k m,西距宁夏回族自治区银川市4 2k m。该地区的光能丰富,热量适中,降水稀少,为温带干旱区,年采暖总天数1 4 9d,极端最低温度平均值-2 2.5,极端最低温度值-2 7,最大冻土深度1.0 3m,冬季室外平均风速1.7m/s。现阶段榆树井煤矿进风量为6 3 0 0m3/m i n,近年冬季极限最低温度-2 7 左右。现阶段需要的热负荷计算式见式(1)。Q=LCP(tj-tw p)(1)式中,Q为现阶段所需热负荷,k W;CP为比热容,k J/(k g);L为进风量,m3/m i n;为空气密度,k g/m3。考虑1 7%2 0%的风量从主井进风,8 0%8 3%的风量从副井进风,按照平均风量分配1 8.58 1.5,现阶段热量分配为:主井热负荷为3 9 3 41 8.5%=7 2 8k W,副井热负荷为3 9 3 48 1.5%=3 2 0 6k W。该矿主井前期进风量为2 0m3/s,后期主井进风量调整2 9m3/s;副井前期进风量为8 7m3/s,后期副井进风量调整1 2 0m3/s。进风温度按照冬季极限最低温度-2 2.5 考虑,保证井口不结冰的安全性要求是达到矿井井口的送风温度为2。Qc 1=8 7 1.2 8 4 1.0 1(2+2 2.5)=2 7 6 4.2(2)Qc 2=1 2 0 1.2 8 4 1.0 1(2+2 2.5)=3 8 1 2.7(3)Qc 3=2 0 1.2 8 4 1.0 1(2+2 2.5)=6 3 5.5(4)Qc 4=2 9 1.2 8 4 1.0 1(2+2 2.5)=9 2 1.4(5)式中,Qc 1、Qc 2、Qc 3、Qc 4分别为副井初期、副井后期、主井初期、主井后期保温负荷,k W。风井排风量现阶段约6 4 0 0m3/m i n,排风温度1 7 2 0,根据矿井设计,副井初期进风8 7m3/s,主井初期进风2 0m3/s,合计约6 4 2 0m3/m i n;副井后期进风1 2 0m3/s,主井后期进风2 9m3/s,合计约8 9 4 0m3/m i n。2.2 不同阶段风井乏风提取热载荷冬季室外的新风经风风换热机组后,由风机提取,通过风管输送至需要保温的井口,但是对风井与需保温的井口有距离的限制,不宜超过3 0 0m,距离越长,风阻越大、热损失越高,最关键的是投资造价增高,投资收益合理性下降。榆树井煤矿主井离进风副井2 8 0m,适合使用风风换热提供副井的井口保温。根据榆树井煤矿提供的数据,榆树井煤矿矿井排风量为6 4 0 0m3/m i n,排风温度2 0 左右,湿度为一般为9 5%,按照8 5%计算,矿井排风焓值为5 2.1 4k J/k g,空气密度1.2k g/m3。余热利用温差按1 5 计算,提热后矿井排风温度降到7,湿度为1 0 0%,排 风 焓 值 为2 2.8 5 k J/k g,空 气 密 度 为1.2 5 9k g/m3。Qt=v11i1-v22i2(6)式中,Qt为不同阶段风井乏风提取热载荷,k W;v为矿井进风风量,m3/s;i1为热空气的焓值;i2为提热后空气的焓值,k J/k g。现阶段可提取乏风热负荷Qt 1为3 7 5 1k W;矿井初期可提取乏风热负荷Qt 2为3 7 6 2k W;矿井后期可提取乏风热负荷Qt 3为5 2 4 0k W。该方式运行费用较低,属于免费能源,但只能用于井口保温,耗电量仅为风机耗电,耗电量很少。适用距离为3 0 0m以内,该区域排风机距离进风井2 8 0m,可以实施。考虑管路损失及污垢系数,按照系统损失1 0%计算。即最终计算数据为:矿井现阶段可提取乏风热负荷Qt 1为3 3 7 6k W;矿井初期可提取乏风热负荷Qt 2为3 3 8 5k W;矿井081采矿技术2 0 2 3,2 3(2)后期可提取乏风热负荷Qt 3为4 7 1 6k W。通过计算分析,采用风风换热系统基本可以满足不同阶段井口所需要的热载荷。3 风风换热系统投资预算分析从热量平衡分析,现阶段满足3 2 0 6k W即可实现井口保温,随着矿井生产的进行,井口保温的负荷会有两次变化,分别为前期3 7 6 2k W和后期的5 2 4 0k W。现阶段的热量约是后期热量的1/2。为了方便现场安装和今后的检修与系统扩容,风风换热机组采用模块式设计。风风换热器的整体外形尺寸为长1 1.4m、宽8.6 8m、高8.2 5m。共计由9个换热模块组成,每3个换热模块为一套加热组,一共分为3级加热段组,3组模块平行安装,每两组模块之间用串联连接。新风侧总流道长度为1 7.9m。该风风换热器标准换热量为5 2 0 0k W,最大提热量为5 8 0 0k W。乏风有效通风截面积为3 1.3 9 5m2,风速为6.3 7m/s。新风风量为8 2m3/s,出风温度为6。本期现按照3个模块,以后再另行增加。风风换热系统关键参数见表1。表1 风风换热系统关键参数额定换热量/k W新风量/(m3/m i n)进风温度/矿井排风量/(m3/m i n)出风温度/配电功率/k W电源/V外形尺寸/mm1 7 8 04 9,预留8 0 1 0 0-2 7-2 05 82 71 1 0 1 8 03 8 01 1 4 0 0 8 6 8 0 8 2 5 0 设计风风换热系统投资参考机型为S I E 3 8 0-9/3-3/2.5-3 A-1 7 8 0/3;热侧进出风温度27,风量1 4 9m3/s,冷端4 9m3/s,进出风温度-2 76,标准提热量1 7 8 0k W,最大提热量1 9 3 5k W。可3级组合,以保证矿区供暖效果。风风换热系统投资预算见表2。设计采用风风换热器,风井乏风直接与冷空气热交换,减少“冷媒”热传递过程中的热损失;冷空气通过预热提温后,再经过3级热交换,实现对乏风热量的最大限度提取;模块化设计,随着井下巷道的延伸,矿井风量增加,具备后续扩展能力。副井口供暖恒温控制技术,风风换热器配合暖风机,采用P L C模糊控制技术,优先使用免费的乏风余热,实现清洁能源的有效利用,高效节能。本文介绍的风井乏风余热换热供暖和井筒防冻保温技术在国内外研究较少,该技术的推广对于清洁能源综合利用和矿山绿表2 风风换热系统投资预算设备名称数量单价/万元模块式风风换热器机组1台2 8 7.3排风道改造-3 8.2风风换热器基础-6 2.2引风风机2台1 2.9新风进风道2 9 0m0.5设备运输费-1 6.5设备组装费-7 2电源、配电接线-2 0合计6 6 7.0色发展具有重要意义。4 工业应用效果验证在风井乏风余热换热供暖和井筒防冻保温系统中,分别在8:0 0和2 3:0 0对副井口的温度进行了测量,副井口的温度测量数据见表3,副井口的温度变化情况如图3所示。表3 副井口的温度测量数据日期上午时间温度/晚间时间温度/1 1月2日8:3 01 22 3:0 01 31 1月1 6日7:5 61 12 3:0 01 31 1月2 8日8:0 092 3:0 01 21 2月2日8:0 572 3:0 01 11 2月1 4日8:1 21 12 3:0 01 21 2月2 3日8:0 31 02 3:0 01 11月1 0日8:0 092 3:0 091月1 0日8:0 582 3:0 01 01月2 1日8:0 592 3:0 01 02月4日8:0 082 3:0 082月1 1日8:0 082 3:0 092月2 0日8:0 092 3:0 093月6日8:0 082 3:0 01 03