煤矿余热资源回收利用技术的特点分析*

曹 龙

(神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西 榆林 719319)

0 引言

煤矿作为煤炭生产的主体，是能源的生产者又是直接的消费者。矿井在生产过程中产生的空压机余热、地下水余热、回风余热等低品位余热资源通常不被重视，该部分资源虽然能量品位低，但体量巨大[1]。挖掘和利用在生产消费过程中派生的清洁能源可以为矿区提供非生产性服务，从而减少煤炭的直接使用。煤矿企业矿井回风、井下涌水、空压机运行等余热通过热泵技术的再利用已经成为大型煤矿企业势在必行的研究方向。

1 空压机余热回收技术

1.1 空压机运行热量分布

空气压缩机是一种通过电能驱动机械部分运转，通过机械部分运转将常压空气压缩为高压空气的装置。煤矿所用空压机是将正常大气压的空气压缩为较高压力的空气，输送至井下，作为生产动力及出现灾害后作业人员呼吸来源使用。空压机是将输入的电能转换为两部分能量，一是空气压缩所得到的机械势能(单台压缩机标准输出工况可达65%～70%)，由于煤矿压缩空气用量不连续、不稳定、空压机输入的电能转换空气压缩所得到的机械势能实践证明只有35%～30%；二是为维持压缩空气压力状况与合理的排气温度，压缩机需保持高速旋转，空压机输入的电能大部分成为摩擦消耗转换成热能(占输入电能的65%～70%)。空气压缩机的连续运行，产生大量的热能无法排放，对设备寿命造成一定的影响。如图1所示，在空压机的运行过程中，所产生的6%～8%的热量随压缩空气排至井下，90%的热量随冷却油的降温，排至外界大气环境。这些热能都由于机器运行温度的需求，被无端地排放，造成热源浪费。

图1 空气压缩机运行热量分布Fig.1 Heat distribution during operation of air compressor

1.2 空压机余热回收技术工作原理

一般情况下，空压机余热回收装置的运行分为启动、工作、停止3种状态，系统如图2所示。当空压机余热回收装置处于启动状态时，空压机冷却油温过低，冷却油通往换热器的阀门自动关闭，冷却油在空压机本体内循环。通过与发动机运转过程中产生的热量进行交换，热量逐渐转化至冷却油中，起到设备冷却的目的。当空压机运行一段时间后，冷却油温升高至设定值，旁通阀自动打开。高温的冷却油和装置内的循环水发生热交换，完成了油温降低、循环水温升高的目的。当冷却油温降低至设定值时，旁通阀又自动关闭，重新开始空压机冷却的过程。当循环热水温度达到设定值，暂不需要吸收热量时，旁通阀自动关闭，冷却油继续在空压机内循环，余热回收装置处于停止状态，不影响空压机的正常运行。

图2 空气压缩机余热回收技术系统Fig.2 Waste heat recovery technology system of air compressor

1.3 余热回收技术对空压机运行的影响分析

空压机余热回收装置的热能来自空压机的冷却油热量。根据图2可知，换热器只是串联在空压机的油路中。装置可以通过设定冷却油温、循环水温控制旁通阀门的开闭。即使余热回收装置不工作，空压机的冷却油在本体内循环，依然能够保证空压机的正常运行。一般空压机的产气量跟机组运行的温度在一定范围内成反比，这是根据空压机的工作原理所决定的。以螺杆式空压机为例，温度每上升10 ℃，产气量就会下降5%～8%。实际使用中，经常还会因为压缩机的温度过高而导致停机现象。因余热回收技术是将空压机的冷却油温度降低，间接降低压缩机温度，继而提高产气量，减少设备因温度过高而停机的可能。因余热回收装置可间接降低空压机温度，使空压机长期处于正常温度运行状态。可大大增加空压机配件的使用寿命，节约配件的更换成本。同时，由于冷却油温长期处于正常温度范围，碳化概率将大大降低，从而增加了空压机的使用寿命。

2 热泵技术的原理与节能分析

2.1 热泵技术的主要原理

热泵技术是一种高效节能技术，主要是利用高位能将热量从低位热源中提取，又将提取的该部分热能重新用于高位热源后使用[2]。即热泵就是根据普通泵的原理，将可直接利用的低热源(如空气、土壤、水中所含的热能)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(煤、石油、天然气等)的目的[3]。该技术的特点明显，一是自身是需要消耗高位能来提供机组运行所需的能量，使机组运转；二是通过机组运转把大量低热源中的热能输送至高品位，供目标用户使用。如此，目标用户将得到机组本身消耗的高位能和运行吸取的低位能。因此，热泵技术首先不存在热量的浪费，其次消耗少量的高品位能来换取3倍甚至更高的热能。所以，热泵技术是一种高效节能的供热技术[4]。

2.2 热泵技术的节能原理分析

根据卡诺循环原理，在理想状态下热泵的工况循环是图3所示的逆卡诺循环温熵图。依图可知，工质在高温热源(T)和低温热源(T0)间进行循环。

图3 逆卡诺循环温熵Fig.3 Temperature entropy of inverse Carnot Cycle

热泵的热力经济性指标一般由性能系数COP来表示

(1)

式中，Q为热泵向高温热源输出的能量，kW；W为向系统输入的有用功，kW。

当热泵处于制冷状态时，性能系数为

(2)

式中，QC为热泵从低温热源吸收的热量，kW。

当热泵处于制热循环的状态，性能系数则为

(3)

式(3)中，由于QC/W>0，热泵系统的性能系数COP总大于1，输出能量恒大于输入的能量，节能优势显而易见(日常生活中，电取暖的能量利用率一般接近1，一次化石能源取暖利用率则远小于1)。

换种思路，从数学角度分析热源的温度对COP的影响。根据逆卡诺循环温熵图(图3)，COP计算公式可以写作

(4)

式(4)两边对T0求导得

(5)

式(4)两边对T求导得

(6)

矿井热源一般是稳定的热源，因其井下排水、回风等均来自恒温地热，外界越是寒冷，其与大气温差就越高。热泵在制热工况运行时，相当于提高了低温热源温度，从而提高了系统的COP值。无论在何种工况下运行，COP都提高了，充分说明了热泵机组的高效节能性。

3 矿井涌水余热回收技术

3.1 水源热泵技术原理分析

水源热泵技术是采用热泵原理，通过少量的高位电能输入将水中的低位热能资源吸收并转化至高位热能用户，实现低位热能向高位热能转移的一种技术[6]。在煤矿方面，则是利用矿井水作为热源，结合热泵技术提取热量，用于场区建筑采暖、洗浴用热等。其具体工作原理如图4所示。

图4 矿井水源热泵供热原理示意Fig.4 Heating principle of mine water source heat pump

在矿井水源热泵工作时，首先，压缩机产生的制冷剂气体具有高温高压特性，气体进入冷凝器释放热量变成高压液体，释放的热量对热水供水进行加热。其次，冷凝后的制冷剂又被膨胀阀处理成低温低压液体后进入蒸发器。进入蒸发器的低温低压液体制冷剂吸收水源中的热量形成低压蒸汽。最后，低压制冷剂蒸汽又被压缩机压缩成高温高压气体，继续进入冷凝器液化释放热量，用于加热热水供水。整个过程形成一个完整的循环系统。针对煤矿行业，水源热泵系统的供热源主要是地下存水[7]。与空调原理不同的是，水的比热容要比空气高出很多。所以，水源热泵的系统性能系数COP要比空气源热泵更高更稳定。同时，因各地的地质条件和外界环境的不同，地下水质的硬度有很大差异。其中原水硬度对于设备的影响不可忽视。解决换热器的结垢、堵塞是目前水源热泵所面临的主要问题[8]。开发换热效率高、容水流量大、水流速度小、能够定期除垢的换热技术，是水源热泵技术未来发展的关键突破点。

3.2 矿井水源热泵技术的特点分析

矿井水源热泵技术是利用矿井水作为热源对其热量进行提取。矿井水常年保持水温恒定，系统利用热泵机组把矿井水中的低位热能提取出来，转化为矿区生产、生活等采暖所能够利用的高位热能，是一次能源完美的替代品。同时，因其只是进行纯粹的热交换，不存在对水体污染的问题，更加环保[9]。冬季矿井水温度一般在14～20 ℃，远高于室外的零下环境温度。这等同于提高了上述逆卡诺循环中的低温热源温度，也就提高了设备的能效比。所以，水源热泵系统比一般的热泵系统更加高效节能。因矿井水温、水量常年保持恒定，即使出现波动，也不会太大，是非常理想的稳定热源。

4 矿井回风余热回收技术

4.1 矿井回风热来源

井工煤矿因地下开采的原因，本身具有丰富的地热资源。在煤矿生产过程中需要输入源源不断的新鲜风流，以改善井下环境温度及空气质量。输入井下的新鲜风流通过与井下巷道、设备、涌水等进行热交换，最终排出的风温与井下环境温度相似。一般来说，采煤深度每向下30 m温度增加1 ℃[10]。另一方面，井下各类设备散热、涌水散热等均进入矿井回风环境中，这部分热量均属于稳定热源。所以，矿井回风热资源具有热源稳定、温度恒定的特点。目前市场上最常见的回风余热收集技术主要有直蒸式浅焓取热乏风热泵技术、直冷式深焓取热乏风热泵技术2类。下面具体论述以下2种回风余热收集技术的主要原理及性能分析。

4.2 直蒸式浅焓取热乏风热泵技术

4.2.1 技术原理

直蒸式浅焓取热乏风热泵技术原理如图5所示。在风机排风口处建设一座乏风换热室，换热室侧面布置乏风换热箱，在乏风换热箱中完成低温低压制冷剂液体的蒸发吸热过程，提取乏风中的热量。液态制冷剂吸热后变为气态，进入压缩机后进一步转化为高温高压状态。高温高压气态制冷剂在水换热器中与冷水发生热交换发热后冷凝为液态，经膨胀减压阀再次降压后进入乏风换热箱。水换热器中冷水吸热变为热水供后续用户供热[11]。如此往复循环，完成整个换热过程。

图5 直蒸浅焓取热乏风热泵技术原理示意Fig.5 Technical principle of direct steam shallow enthalpy heat extraction exhaust air heat pump

4.2.2 优点及存在的问题

直蒸式浅焓取热乏风热泵技术的系统简单，主要由乏风换热箱和热泵机组2部分组成，运行可靠性高；不存在热水循环过程，耗能设备少，综合能效高；乏风取热量较大，乏风温度可取至0 ℃。然而，系统靠压缩机提供取热侧循环动力，取热箱与热泵机组之间的距离要求不宜过远，该技术对现场场地状况要求较高；取热箱与热泵机组之间高差不宜太大，系统的布置对现场场地同样有要求；存在乏风取至霜点以下除霜问题，实现双级取热难度较大；取热量大时，要求增加机组数量，从而增加各自机组的制冷剂循环管网系统，导致系统繁杂，无形中增加了运行维护成本。

4.3 直冷式深焓取热乏风热泵技术

4.3.1 技术原理

直冷式深焓取热乏风热泵技术是对直蒸式浅焓取热乏风热泵技术进行了改进，在完成一个取热循环的基础上，采用双级深焓取热技术，乏风取热后温度可低至-15 ℃，相对传统技术取热量提高2倍以上。如图6所示，系统设置乏风取热室，取热室内设置乏风取热箱，通过防冻液管路将乏风取热箱和热泵机组连通。防冻液在取热箱中吸收井下排风热量，流经热泵机组蒸发器时将吸收的热量转移至机组中的制冷剂，与下一级用户热水进行换热，每一个热交换系统都属于单独的闭式循环系统[12]。系统简单，取热效率高。同时，取热箱与机组之间距离和高差不受限制，机房位置更具灵活性。采用的无缝滚动除霜技术解决了乏风温度取至冰点以下时的系统结霜问题。

4.3.2 技术特点

直冷式深焓取热乏风热泵技术增加了工质循环泵对防冻液进行循环，取热箱与机组之间距离和高差不受限制，机房位置更具灵活性，减少工程改造难度。每一个热交换系统都属于单独的闭式循环系统，制冷剂、防冻液污染小，延长机组使用寿命，增加了系统的可靠性。多组乏风取热机组，换热效率高，取热焓差大。增加了清洗系统，通过取热器前后压差自动控制清洗频次，保证了清洗的周期性和稳定性，延长了取热器寿命。“主动给液”与“油气分离”技术，解决热泵热力系统的配液与回油问题，提升了热泵系统运行能效；循环水供热温度较传统技术高，最高可达80 ℃。

图6 直冷式深焓取热乏风热泵技术原理示意Fig.6 Technical principle of direct cooling deep enthalpy heat extraction exhaust air heat pump

5 结论

(1)阐述了空压机余热利用过程中热回收装置的工作原理及对空压机的影响，得出了因回收装置能够降低空压机冷却油温而对空压机的正常使用起到积极作用的结论。

(2)以卡诺循环原理为基础，论述了热泵技术的节能原理，得出了无论在何种工况下运行，矿井水源热泵机组的性能系数COP都有所提高，热泵系统具有高效节能的特点。

(3)对直蒸式浅焓取热乏风热泵技术、直冷式深焓取热乏风热泵技术做了详细对比，进行了优缺点分析。得出了因直冷式深焓取热乏风热泵技术采用了双级深焓取热技术的原因，在乏风取热后温度可低至-15 ℃，相对传统技术取热量提高2倍以上，具有换热效率高，取热焓差大、取热器表层积尘少、长期运行可靠、循环水温度高等特点。

(4)整体来说，利用热泵原理对煤矿余热资源进行回收利用是高效、环保、可行的。从环保运行角度，以建设低碳矿区为目标，煤矿企业矿井回风、井下涌水、空压机运行等余热通过热泵技术的再利用已经成为大型煤矿企业势在必行的研究方向。