文/赵和凡

煤矿矿井回风是煤矿生产中的主要低温热源，寒冷地区的矿井回风温度多在20℃左右，相对湿度90%左右。此外，矿井回风受井下围岩及煤壁换热影响为主，热参数受季节性影响较小，最冷月与最热月的矿井回风的平均温度差大约3℃左右，湿度基本不变，因此矿井回风的焓值相对较高且潜热较大。目前，国内矿井回风余热提取主要利用喷淋式直接换热与表冷器间壁式换热两种方式。本文以冀中能源峰峰集团梧桐庄矿为例，从多方面对比分析两类矿井回风余热提取利用方式的优劣，从而确定更为合理高效的矿井回风利用系统。

一、矿井回风余热提取利用方式

1.矿井回风参数

梧桐庄矿矿井回风风量400m3/s，最冷月2月份扩散塔出口测试干球温度16.0℃，相对湿度90%；12月份干球温度18.5℃，相对湿度 88%；1月份干球温度17.5℃，相对湿度88%。煤矿用热负荷主要包含井口防冻、建筑供暖、洗浴热水，矿井回风余热主要用于井口防冻及建筑供暖。

2.矿井回风余热利用的系统形式

矿井回风余热提取技术主要有两种：其一，采用表面式换热器与矿井回风换热，采用间壁换热使得管内制冷剂与管外湿空气换热，提取回风余热；其二，采用喷淋式换热器，喷淋水与湿空气直接接触换热提取回风余热；然后利用热泵技术吸收提取的回风余热提升热能品位供应热水，满足供热的需求。

二、两种矿井回风余热利用系统的技术对比分析

1.矿井回风换热器提取余热能力对比

（1）喷淋换热。矿井回风取热量设计时按照最不利矿井回风温度最低值计算。矿井回风最低温度16℃，相对湿度90%，目前实际工程的喷淋换热技术提取能力的回风温差可达到8～10℃，设计时出风温度7℃，相对湿度100%，换热水的进出水温5℃/12℃。

矿井回风中可以提取的热量：

h1：回风换热前的空气焓，kJ/kg；

h2：回风换热后的空气焓，kJ/kg；

G：回风质量流量，kg/s。

（2）表面换热。通过查阅厂家资料，空气源热泵空气侧换热器（表冷器）换热温差最大约8℃，处理后空气相对湿度95%。此时，矿井回风可以提取的热量Q=(h1-h2)×G=(41.93-23.95)×400 ×1.212=8716.7kW。

从计算结果对比分析可知，正常设计工况下喷淋换热提取的余热比表面换热最大提取能力高7%，且喷淋换热的提取余热的能力还有较大空间可以挖掘，而表面换热能力提高已接近最大。喷淋换热在余热提取能力方面优于表面换热。

2.矿井回风换热系统对比

（1）喷淋换热系统。喷淋换热器主要管材为不锈钢管，单个换热塔喷淋换热设备重量约4t，喷头约3000个，L×W×H=11000mm×11000mm ×2000mm。 换 热 能 力10000kW，喷水量约1100m3/h，喷淋循环水泵选择4台3用1备，功率30kW。换热水循环水泵4台3用1备，功率55kW。高精度水过滤器2台。单个换热间12m×12m的金属风管长度约30m，扩散口尺寸约12m×12m×5m。回风换热循环水池，地下保温水池，有效容积450m3，风阻为80Pa。

（2）表面换热系统。表面换热器主要由铜管与缠绕铝翅片组成，采用8排管，翅片间距10mm，加喷淋除污系统，400kW换热量的表冷器 规 格 3300mm×3000mm×360mm，22组，单组重量约0.5吨。喷淋除污循环水泵选择2台1用1备，功率15kW。换热间尺寸约L×W ×H=40m×30m×15m， 风 阻 为190.4Pa。因该系统风阻较大，无法直接使用，必须加配同等风量规模，余压240Pa的多台风机，风机总功率200kW。

通过对比分析可知，喷淋换热系统结构较为简单，风阻较小，且喷淋可去除煤矿乏风中的固体颗粒物，净化空气；而表面换热系统体积较大，风阻较大，加强换热的缠绕翅片易积灰使得风阻增大，改为光管换热势必增大换热器尺寸、增加数倍风阻、增耗铜管数量。因此，喷淋换热系统在结构、风阻、耗材等方面优势显著。

3.热泵供热系统对比

（1）喷淋换热回风源热泵系统。回风可提取热量9342kW,工况水源侧进出水温度12/5℃,用户侧供回水温度 45/40℃,选择 4台SGHP3100M型热泵机组，制热量3139kW,压缩机输入功率658kW。机组水源侧工况进出水温度15/5℃,与回风换热系统基本匹配。用户侧水泵5台水泵，流量520m3/h，水泵扬程42m，功率75kW。热泵供热系数约4.25。机组不要求防爆，其供热量为12216.5kW。

（2）表面换热回风源热泵系统。回风可提取热量8716.7kW,用户侧供回水温度45/40℃,没有成品机组可用，必须研究定制。焓差室试验3.5P样机，制热系数4.2，压缩机输入功率3.2kW。依据试验样品机试验参数，表面换热回风源供热量为11440kW，压缩机电输入功率约2740kW。用户侧水泵5台，流量520m3/h，水泵扬程42m，功率75kW，效率77%。

经过数据对比可知，喷淋换热的热泵系统的供热系数略高，循环水泵耗电功率相同，而喷淋换热回风源热泵系统的供热量高出约7%。

三、经济与社会效益对比分析

1.初投资。根据回风换热系统的构成、厂家咨询、国家预算定额及已有工程案例等，分别估算两类系统的初投资。经过计算表明，表面换热的投资高出喷淋换热764万元，其中换热器与热泵投资占高出费用的90%，喷淋换热方式仅在循环水泵投资投资方面高于表面换热方式。

2.耗能对比。矿井井口防冻、建筑采暖总负荷约17000kW,采暖天数150天，并有洗浴热水负荷，水源热泵负荷远小于井口防冻与建筑采暖的总负荷。因此，采暖季矿井回风换热系统需要全负荷运行才能满足需求。参考矿井所在地区的综合电价0.61元/kWh，计算出两种方式的能耗结果，在供热能力相同的情况下，表面换热方式其全年能耗比喷淋换热方式多消耗50吨标准煤。因此，喷淋换热在能耗对比上具有较小优势。

3.运行费用对比。两种方式运行中，热泵设备维护与管路维修费用相同，换热水除污与表面换热器除灰系统的维护费用也基本相同，两类热泵系统运行均需3人即可，主要费用差别在于能耗费用，工业用电参考矿井所在地区的综合电价 0.61元/kWh。

喷淋换热矿井回风源热泵系统采暖季运行费用：1231.92×0.61=751.47万元。

表面换热矿井回风源热泵系统采暖季运行费用：1272.60×0.61=776.29万元。

根据计算结果，喷淋换热矿井回风源热泵系统采暖季节省费用24.82万元。

四、结语

通过分析矿井喷淋换热与表面换热矿井回风源热泵系统的提取热量、热泵效能、热泵系统的运行效果等技术因素与投资、能耗、经济效益等因素，喷淋换热矿井回风源在技术层面与能耗经济层面具有全方位的优势，因而具有大范围推广使用的经济价值与良好的社会效益。现有的工程实施中，在淮北、徐州、山东、河南、河北、山西等矿区的多个煤矿已运行的喷淋换热矿井回风源热泵系统效果较好，取得了较好的节能减排的社会效益与经济效益。