煤礦井筒防凍燃煤爐清潔能源替代方案

羅申國

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西 太原 030001）

1 概述

西山煤電集團公司為了進一步改善礦區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量，承擔(dān)更多的社會責(zé)任，擬利用集中供熱、燃?xì)忮仩t、乏風(fēng)氧化機組、空氣源熱泵、礦井回風(fēng)空氣源熱泵和紅外線電加熱熱風(fēng)爐等多種清潔能源技術(shù)替代前山礦區(qū)和古交礦區(qū)9座煤礦井筒防凍燃煤爐供熱，將環(huán)保工作由末端治理向污染預(yù)防和生產(chǎn)全過程控制轉(zhuǎn)變，從源頭減少廢物產(chǎn)生，打造生態(tài)西山，使西山成為首個無鍋爐化礦區(qū)。

2 煤礦井筒防凍供熱現(xiàn)狀分析

西山煤電前山和古交礦區(qū)9座礦井共有進風(fēng)井60個，其中已建成投運54個，新建6個。其中58個進風(fēng)井均需設(shè)置井筒防凍設(shè)施，總通風(fēng)量30萬m3/min，井筒防凍總熱負(fù)荷169MW，折蒸汽量241t。已建成進風(fēng)井總通風(fēng)量25萬m3/min，井筒防凍總熱負(fù)荷144MW，折蒸汽量205t，利用燃煤熱風(fēng)爐供熱28個（燃煤熱風(fēng)爐61臺），乏風(fēng)氧化機組供熱2個，瓦斯電廠余熱供熱2個，紅外線電加熱2個，工業(yè)場地燃煤鍋爐供熱13個，集中供熱4個。井筒防凍供熱設(shè)施中，燃煤熱風(fēng)爐占58.59%，燃煤鍋爐占28.98%，燃煤熱風(fēng)爐和燃煤鍋爐占到了87.57%，清潔能源供熱只占12.43%。

3 各種清潔能源替代方案及特點

目前，可用于煤礦井筒防凍替代燃煤爐的清潔能源供給方案主要有集中供熱、空壓機和瓦斯電廠余熱、燃油燃?xì)忮仩t、乏風(fēng)氧化機組、低溫廢熱回收熱泵、紅外線電加熱熱風(fēng)爐等，下面對各種方案的技術(shù)路線及特點做一下簡述。

3.1 集中供熱

利用城鎮(zhèn)供暖集中供熱管網(wǎng)提供的高溫?zé)崴?jīng)二次換熱后通過熱水型空氣加熱機組加熱空氣，供井筒防凍，供熱可靠，節(jié)約投資，運行費用低，井筒防凍能利用集中供熱的首選集中供熱。

3.2 空壓機和瓦斯電廠余熱

空壓機運行過程中會散發(fā)大量的熱量，由循環(huán)冷卻水帶走，通過加裝板式換熱器換取40℃洗浴熱水，或利用水源熱泵技術(shù)回收產(chǎn)生50～60℃熱水，用于供暖。瓦斯電廠余熱主要有高溫?zé)煔狻⒏滋姿椭欣渌酂崛糠帧８邷責(zé)煔鉁囟容^高，通過余熱鍋爐回收可產(chǎn)生蒸汽或高溫?zé)崴糜诎l(fā)電或供熱；缸套水余熱可通過板式換熱器換取85/60℃熱水，供采暖或洗浴熱水；中冷水溫度約45℃，可通過板式換熱器換取洗浴熱水或利用水源熱泵技術(shù)回收產(chǎn)生50～60℃熱水，用于供暖。空壓機和瓦斯電廠余熱持續(xù)穩(wěn)定，投資省，優(yōu)先考慮使用。

3.3 燃油燃?xì)鉄犸L(fēng)爐

利用瓦斯、煤層氣、柴油、液化石油氣等作為燃料，直接提供熱風(fēng)。瓦斯?jié)舛纫蟛坏陀?0%，就近從抽放泵站管輸送；煤層氣需要通過管道輸送或壓縮后汽車運輸，柴油和液化石油氣通過汽車運輸，柴油、壓縮煤層氣和液化石油氣需在鍋爐房旁建設(shè)儲罐。煤層氣熱風(fēng)爐、液化石油氣熱風(fēng)爐和燃油熱風(fēng)爐一次投資小，但燃料成本較高，且冬季雨雪天氣燃料運輸存在問題。三者相比，液化煤層氣綜合費用低，在無其他可替代熱源、風(fēng)井場地交通便利、不受天氣影響燃料運輸、電源供應(yīng)不足的風(fēng)井可以采用煤層氣熱風(fēng)爐。瓦斯鍋爐不存在燃料成本和運輸問題，風(fēng)井場地有瓦斯抽放泵站且抽放瓦斯?jié)舛却笥?0%的應(yīng)優(yōu)先采用。

3.4 乏風(fēng)氧化機組

利用礦井通風(fēng)中含有的風(fēng)排瓦斯（CH4濃度≥0.5%）或者利用抽放泵站抽放的低濃度瓦斯與礦井乏風(fēng)或空氣摻混至濃度1.0%，通過乏風(fēng)氧化機組氧化，回收余熱產(chǎn)生蒸汽或熱風(fēng)，用于供熱或井筒防凍。乏風(fēng)氧化機組投資和運行成本綜合費用較低，風(fēng)井場地有瓦斯抽放泵站的應(yīng)優(yōu)先考慮，低濃度瓦斯與礦井乏風(fēng)或空氣摻混至1%后通過乏風(fēng)氧化機組氧化供熱。

3.5 低溫廢熱回收熱泵

礦井中可以利用的低溫?zé)嵩粗饕械V井回風(fēng)、井下排水、洗浴廢水、水環(huán)真空泵循環(huán)水等。

空氣源熱泵：直接利用空氣源熱泵提取室外環(huán)境空氣熱量，產(chǎn)生40～50℃熱水，送至進口房通過空氣加熱機組用于井筒防凍。

礦井回風(fēng)水源熱泵：通過在回風(fēng)井?dāng)U散塔頂部安裝噴水裝置，將礦井回風(fēng)中的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)移到水中，再通過水源熱泵提取熱量，產(chǎn)生40～45℃熱水，可用于冬季供暖和井筒防凍、夏季制冷、全年供應(yīng)洗浴熱水。礦井回風(fēng)水源熱泵技術(shù)需要大量水與礦井回風(fēng)進行熱交換，并對擴散塔改造，增加回風(fēng)與水換熱循環(huán)系統(tǒng)。

礦井回風(fēng)空氣源熱泵：利用乏風(fēng)取熱室和乏風(fēng)取熱箱直接提取乏風(fēng)中的熱量，將蒸發(fā)器置于回風(fēng)井口上方，充分提取回風(fēng)井中乏風(fēng)的熱量，機組在冬季運行工況下的能效比達3.7，與水源熱泵相當(dāng)。

三種熱泵方案的投資和運行費用相差不大，在煤礦井筒防凍中都有應(yīng)用。礦井回風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、相對濕度等參數(shù)相對穩(wěn)定，乏風(fēng)含熱量大，可達40kJ/kg，熱泵能效比高（礦井回風(fēng)源熱泵能效比均能達到3.5～3.7，而空氣源熱泵能效比在2.2左右），但回風(fēng)中含有瓦斯、粉塵，水分大，設(shè)備需考慮防爆功能，礦井回風(fēng)熱能提取設(shè)備需考慮除塵和防凍。空氣源熱泵使用環(huán)境空氣較潔凈，較礦井回風(fēng)熱泵少一套換熱系統(tǒng)，投資略低，但能效比低，空氣源熱泵機組需按極端最低溫度進行配置設(shè)備，設(shè)備裝機容量大，耗電量大。故有礦井回風(fēng)時，通風(fēng)機房附近有場地布置乏風(fēng)提取設(shè)備時，首先考慮采用礦井回風(fēng)空氣源熱泵。

3.6 紅外線電加熱熱風(fēng)爐

利用電能通過紅外電熱管直接將空氣遞增加熱到一定溫度，用風(fēng)機將熱風(fēng)送到井口，用于井筒防凍。紅外線電加熱熱風(fēng)爐只需接上電源，將空氣加熱至60℃以上，利用現(xiàn)有熱風(fēng)道送入井下，系統(tǒng)簡單，一次投資少，自動化程度高，不存在循環(huán)水供熱系統(tǒng)管路防凍問題，安全可靠性高。官地礦安家溝風(fēng)井和白家莊礦冶峪風(fēng)井現(xiàn)使用紅外線電加熱爐，運行效果很好。在無瓦斯、無低溫?zé)嵩础㈦娫慈萘磕軡M足要求的情況下建議采用。

4 各方案技術(shù)經(jīng)濟比較

各種井筒防凍清潔能源替代方案（按6t/h鍋爐供熱量為例）比較詳見下表1。

表1 各方案技術(shù)經(jīng)濟比較

綜上所述：（1）井筒防凍能實現(xiàn)集中供熱的首先考慮集中供熱，比較穩(wěn)定可靠；（2）有空壓機和瓦斯電廠余熱的，盡可能考慮利用，節(jié)約投資，同時節(jié)約能源，余熱利用屬國家鼓勵項目；（3）有瓦斯泵站抽放瓦斯或風(fēng)排瓦斯?jié)舛仍?.4%以上的，可考慮使用瓦斯鍋爐或乏風(fēng)氧化機組，投資較少，運行成本低，瓦斯充分利用；（4）在電源容量滿足、供暖負(fù)荷不大、現(xiàn)有井筒防凍為熱風(fēng)爐供暖的風(fēng)井，采用紅外線電加熱爐，利用現(xiàn)有熱風(fēng)爐房布置紅外線電加熱爐，通過現(xiàn)有管道送至井筒內(nèi)，投資少，系統(tǒng)簡單，運行可靠；（5）在電源受限條件下，有礦井回風(fēng)和布置場地的，選用礦井回風(fēng)空氣源熱泵方案，裝機容量少，節(jié)省電能，沒有回風(fēng)的選用空氣源熱泵加電加熱方案。

60座進風(fēng)井中，其中2座不需考慮井筒防凍，9座目前即為清潔能源供熱，10座擬利用集中供熱替代，16座擬利用紅外線電加熱熱風(fēng)爐替代，10座擬利用礦井回風(fēng)源熱泵替代，2座擬利用空氣源熱泵替代，7座擬利用電廠余熱替代，3座擬利用瓦斯鍋爐替代，1座擬利用污水源熱泵替代。

5 結(jié)語

通過以上分析，利用清潔能源技術(shù)替代西山煤電本部9座礦井現(xiàn)有燃煤爐供井筒防凍方案在技術(shù)上是可行的。本方案所選用的各種清潔能源替代技術(shù)均已有運行實例，技術(shù)成熟，上級變電站容量可以滿足要求，不需改造。項目實施后，可減排大量煙塵和二氧化硫，減少區(qū)域污染物排放總量，對改善礦區(qū)環(huán)境起到積極作用。規(guī)劃有瓦斯抽放泵站或瓦斯電廠的風(fēng)井場地，建議加快抽放泵站和瓦斯電廠建設(shè)進度，以便利用抽放的瓦斯和電廠余熱供井筒防凍，減少重復(fù)投資，同時獲得發(fā)電收益。在采暖季對各進風(fēng)井進行溫度監(jiān)測和記錄，以作為下一步井筒防凍改造設(shè)計設(shè)備選型依據(jù)。