煤礦回風余熱用于井筒防凍的潛力分析

左 強 李 康 陳建剛 邢子文 梅 毅 張金權 李 軍

(1. 大連冷凍機股份有限公司，遼寧省大連市，116630；2. 西安交通大學能源與動力工程學院，陜西省西安市，710049；3. 武漢新世界制冷工業有限公司，湖北省武漢市，430023；4. 西安琦通新能源設備有限公司，陜西省西安市，710077)

由于先天資源稟賦原因，煤炭在我國能源結構中一直占據主導地位。2016年我國原煤產量為34.11億t，約占全球煤炭產量的45.7%。2017年我國能源消費總量為44.9億t標煤，煤炭消費占總量的60.4%。隨著我國可持續發展戰略的提出和節能、環保力度的不斷加大，煤炭在我國能源消費總量中的占比出現了逐年降低的現象，但煤炭作為國內能源首要組成部分的地位始終不變。

然而我國煤炭礦井絕大部分分布在北方寒冷地區，煤炭開采本身就是高能耗作業，通常有大量煤炭直接燃燒用于礦井井筒防凍、供暖以及生活熱水等，特別是井筒防凍，能耗通常占到礦區總能耗的40%以上。近年來，隨著我國節能環保、可持續發展戰略不斷推進，煤炭的消費方式也正在發生重大改變，分散式的小型燃煤鍋爐被限制使用，煤礦傳統的燃煤加熱方式也正面臨全面改造。但另一方面，隨著煤礦開采深度的增加，煤炭礦井也存在大量的低溫余熱資源沒有得到有效利用，尤其是煤礦回風，其含濕量接近100%，風量穩定，溫度一般在18℃～28℃，幾乎不受季節變化的影響。在冬季，煤礦回風余熱可作為優質熱源用于井筒防凍。

1 我國煤礦分布及井筒防凍需求統計

國務院在2014年發布的《能源發展戰略行動計劃 (2014-2020年)》(國辦發〔2014〕31號)(以下簡稱《行動計劃》)中確定，將重點建設晉北、晉中、晉東、神東、陜北、黃隴、寧東、魯西、兩淮、云貴、冀中、河南、內蒙古東部、新疆14個億噸級大型煤炭基地。14個煤炭基地礦區及儲量信息見表1。

由表1可以看出，2013年14個大型煤炭基地產量33.6億t，占全國總產量的91%。《行動計劃》明確，到2020年基地產量占全國的95%。除云貴基地外，其余基地均分布于長江以北地區。

表1 14個煤炭基地礦區及儲量信息

井筒防凍是指通過人工供暖確保礦井新風進口的新風溫度大于2℃，避免井口結冰。因為井口一旦結冰將存在冰塊墜落礦井的風險，嚴重危害井下作業人員和設備安全，并且井口結冰會減少通風有效截面，造成通風量不足，破壞礦井通風循環，同樣危害井下作業人員安全。《煤炭工業礦井設計規范》(GB50215—2015)中規定：當采室外計算溫度等于或低于-4℃地區的進風立井、等于或低于-5℃地區的進風斜井和等于或低于-6℃地區的進風平硐，當有淋幫水、排水管和排水溝時，應設置空氣加熱設備。

因此統計各礦區的氣候溫度特征是論證井筒是否需要防凍的必要條件，本文針對我國14個煤炭基地選取代表地區及代表煤礦，對其氣候及霜凍期進行統計。各煤炭基地氣候條件統計見表2，各煤炭基地霜凍期統計見表3。

表2 各煤炭基地氣候條件統計 ℃

表3 各煤炭基地霜凍期統計

由表3可以看出，緯度最低的云貴基地全年幾乎無霜凍，河南基地和兩淮基地的霜凍期約3個月時間，其他基地的霜凍期較長，個別地區甚至超過6個月。

將緯度為31.7的兩淮基地作為分界點，低緯度地區礦井認為無需防凍，高緯度地區需要防凍。按照省份來說，全國前十大產煤省份除貴州外，山西、內蒙、陜西、河南、山東、安徽、黑龍江、河北和寧夏地區的井工煤礦均需要采取井筒防凍措施。2016年各地區煤礦數量統計見表4，總計5674處，其中位于防凍地區的煤礦2659處，煤礦年產量合計334216萬t。從數量上看防凍地區的煤礦占比為46.86%。2016年我國煤炭產量為33.64億t，從產量上看，處于防凍地區的煤礦產量占比超過99%。

表4 2016年各地區煤礦數量統計

2 我國煤礦井筒防凍熱負荷核算

由于沒有準確的各省煤礦礦井的通風量數據，參考其他文獻可知，2014年我國原煤產量為38.74億t，礦井回風量約為326799 m3/s。根據這一數據，為了對我國煤礦井筒防凍熱負荷做初步核算，做了兩點近似假設：一是新風量與回風量相等；二是礦井產煤量與通風量成比例。基于此，核算出處于防凍地區各省煤礦總新風量，結合當地氣候條件，進而核算出我國總的煤礦井筒防凍熱負荷。

根據需要防凍措施的地區煤產量估算各個基地的總通風量，分地區統計環境溫度信息，計算加熱溫差△T，根據霜凍期估算總耗熱量換算成標煤。

熱量計算公式為見式(1)：

Q=C·m·△T

(1)

式中：C——空氣比熱，取值1.0 kJ/kg·K；

m——空氣質量，kg；

△T——溫差，按照通風空氣從環境溫度T加熱至2℃溫差計算，△T=2-T。

環境溫度及全年防凍時間根據各地氣候信息及霜凍期信息統計。取空氣密度為1.29 kg/m3，標煤熱值為29300 kJ/kg，根據2016年產量數據各地區煤礦井筒防凍能耗計算見表5。

表5 根據2016年產量數據各地區煤礦井筒防凍能耗計算

由表5可以看出，需要井筒防凍的地區煤炭年總產量為33.42億t，計算總通風量為308771 m3/s，計算總熱負荷為5936824.46 kW，計算總能耗折合標煤約為192萬t。

3 煤礦回風余熱利用風風換熱技術及其經濟性分析

風風換熱技術是直接利用礦井高含濕回風與室外冷空氣換熱用于進風口井筒防凍的新技術，煤礦回風余熱回收風風換熱系統原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，室外新鮮空氣通過間壁式熱交換器與礦井回風直接進行熱交換，通過風道將換熱后的新風直接送入進風井，該系統適用于進出風井之間距離較近的礦井。

風風換熱技術充分利用礦井回風余熱，僅有風機耗能，因此其節能效果極為明顯。礦井回風余熱利用風風換熱技術的難點在于通風量大、回風側阻力損失要求不超過100 Pa、換熱系數要求高。作者所在的技術團隊經過技術攻關，成功開發出純逆流高效風風換熱塔，并已利用此技術對中國神華寧夏煤業集團棗泉、羊場灣、麥垛山、金鳳和金家渠這5個礦進行了節能改造，并取得了良好的效果。中國神華寧夏煤業集團礦井回風余熱利用風風換熱系統現場圖如圖2所示。

圖1 煤礦回風余熱回收風風換熱系統原理圖

圖2 中國神華寧夏煤業集團礦井回風余熱利用風風換熱系統現場圖

風風換熱技術作為煤礦回風余熱用于井筒防凍的新技術，具有顯著的節能效果。由于節能環保要求，各地加強了對燃煤、燃油鍋爐的治理，分散式、低效率、高排放污染的燃煤、燃油鍋爐被限制使用，各大煤礦企業都在逐步推進煤礦傳統燃煤鍋爐供熱方式的改造工作。將風風換熱技術與燃氣鍋爐供熱方式井筒防凍的運行能耗費用進行對比，進一步對風風換熱技術的經濟性進行分析。風風換熱技術的能耗成本只有風機電耗，燃氣鍋爐供熱的能耗成本包括風機電耗和燃料成本。由于燃氣鍋爐供熱用于井筒防凍時，通常將風溫加熱至40℃～60℃左右，在井口房再與室外冷風混合至2℃以上進入進風井，因此風機的實際送風量遠小于進風量。燃煤、燃氣鍋爐加熱方式時，根據項目經驗每10萬m3/h風量熱風機的功耗約22 kW。天燃氣熱值取36 MJ/Nm3，燃氣鍋爐效率取0.95。

參照項目經驗，10萬m3/h的新風量，新風側保持1000 Pa通風壓力時，配置新風風機功耗約為40 kW。由此初步測算，防凍地區“風—風換熱系統”經濟性對比見表6。風風換熱系統的總能耗僅為416660 kW，參考表5所示的總負荷5936824 kW，采用風風換熱能耗約僅占總負荷的7%。若全國防凍地區煤礦采用風風換熱系統進行井筒防凍，年總耗電量為10.68億kWh，折合標煤為13.1萬t，節省折合標煤為：192-13.1=178.9萬t。

表6 防凍地區“風—風換熱系統”經濟性對比

續表

由表6可以看出，從能效比來看，系統最高能效比高達17.9。風風換熱系統按每1000 kW換熱量的投資成本為200萬元估算，與燃氣加熱方式比較，全國大部分地區風風換熱系統的投資回報期都在4 a時間內，安徽、江蘇兩地由于環境溫度相對較高供暖時間短，投資回收時間較長，風風換熱系統經濟性不高。青海則由于天然氣價格較低，投資回報期需5 a以上。但可以看出，全國大部分地區風風換熱系統運行費用相比燃氣加熱方式降低十分明顯，并且由于煤礦大多地處偏遠，如果需要建設燃氣管道其費用也非常高昂，因此作為目前煤礦供熱改造方案，風風換熱系統相比于燃氣系統具有更高的經濟性。

4 結論

本文對國內煤炭礦井分布進行了詳細調研，對煤礦井筒防凍熱負荷進行了統計和測算。按照省份來說，全國前十大產煤省份除貴州外，山西、內蒙、陜西、河南、山東、安徽、黑龍江、河北、寧夏地區的井工煤礦均需要采取井筒防凍措施。從數量上看防凍地區的煤礦占比46.86%，從產量上看，處于防凍地區的煤礦產量占比超過99%。國內煤礦井筒防凍年總能耗折合標煤192萬t，占據煤礦能耗的主要部分。

本文將風風換熱技術與燃氣鍋爐供熱方式井筒防凍的運行能耗費用進行了詳細對比，進一步對風風換熱技術在全國各地煤礦的經濟適用性進行了分析。結果表明，風風換熱系統在全國大部分防凍地區系統能效比大于10，最高達17.9。與燃氣加熱方式比較，全國大部分地區風風換熱系統的投資回收期都在4年時間內。

因此在我國當前能源結構發生調整、煤炭消費方式發生轉變的大背景下，作為目前煤礦供熱改造方案，風風換熱系統具有良好的節能效果和非常好的經濟效益，值得全國推廣應用。