淺談煤礦新能源在井筒防凍的應用

胡文青 山西文龍中美環能科技股份有限公司

1 項目背景

根據《國務院關于印發節能減排“十三五”規劃的通知》，推動能源結構優化。加強煤炭安全綠色開發和清潔高效利用，推廣使用優質煤、潔凈型煤，推進煤改氣、煤改電，鼓勵利用可再生能源、天然氣、電力等優質能源替代燃煤使用。因地制宜發展海島太陽能、海上風能、潮汐能、波浪能等可再生能源。到2020年，煤炭占能源消費總量比重下降到58%以下，電煤占煤炭消費量比重提高到55%以上，非化石能源占能源消費總量比重達到15%，天然氣消費比重提高到10%左右。

煤礦作為一次能源產出大戶，也是耗能大戶，用于解決工業場地建筑物采暖、井筒防凍、全年職工洗浴用熱的耗熱量數值非常大，而同時煤礦也蘊含大量可再生能源，其中包括淺層地下水、生活污水、礦井中水、礦井總回風等低品位熱能，以及空壓機，洗浴水廢熱等余熱資源，其潛力大，環境污染低，可持續利用，是有利于人與自然和諧發展的重要能源。采用換熱技術或熱泵技術充分回收礦井廢熱資源的新能源系統用于解決建筑采暖、井筒防凍以及洗浴技術成熟，節能顯著，經濟效益明顯，環保效益突出，是利國利民的一項舉措。是被錄入《國家重點節能低碳技術推廣目錄》。

為防止冬季井筒及提升設備結冰，保證礦井安全生產，對井筒進風采取加熱措施。根據GB50215—2015《煤炭工業礦井設計規范》，供暖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、排水溝或排水管時，應設置空氣加熱設備。進風井井筒防凍作為保障生產的重要環節，在新能源供熱系統作為主要熱源下持續穩定運行顯得尤為重要。

2 供熱方式

從煤礦開拓方式來講，進風井包括以下三種形式：立井、斜井、平硐。從進風井功能劃分可分為：專用進風井、行人斜井、兼有提升輸料功能的斜（立）井。從熱風送入地點可分為：有井口房的和無井口房兩種形式。加熱后新風送入進口房混風或直接進入井筒混風，達到混風溫度≥2℃，從而滿足井筒防凍要求。

由于煤礦廢熱資源普遍存在熱源溫度低情況，故以此為熱源供熱溫度均偏低，考慮經濟性，一般通過熱泵供熱時為50/40℃，通過空氣加熱機組加熱后達到10℃～25℃后，送入井口房，與冷風摻混，達到2℃及以上，送入井筒。

3 空氣加熱機組結構形式

空氣加熱機組主要包括四部分：過濾器、換熱器、風機（選配）、機組框架面板。

圖1 空氣加熱機組結構簡圖

3.1 過濾器

機組過濾器采用雙層錦綸凸網+不銹鋼框架，后側拆卸，初始阻力＜50Pa，終阻力＜100Pa。

3.2 換熱器

換熱器按熱源溫度50℃，回水溫度40℃設計。采用銅管串鋁翅片，機組配套防凍流程熱交換器，銅管串鋁片雙翻邊結構，機械脹管，剛性好，熱交換效率高，風阻和水阻力小。磷脫氧紫銅管φ9.52，管壁厚為1.1mm，翅片厚度為0.213mm。初始風阻＜50Pa，最大風阻＜150Pa，翅片間距3mm。采用超親水鋁箔防腐材料。常規氣密檢測壓力為2.0MPa，運行最大工作壓力為1.6MPa。

3.3 風機

根據項目實際情況，選用地面防爆型或煤安等級的風機。

3.4 機組框架面板

采用模塊式框架結構，優質鋁合金為原材料，框梁是由特制的軋制設備軋制而成的閉口型鋁型材，截面形狀為矩形，型材內部充注阻燃高壓發泡聚氨酯保溫材料，箱板內外層為彩鋼板，且外面采用覆膜防護，因此其耐折性、耐候性好，抗腐蝕、耐酸、堿、鹽，15年不褪色；內部為阻燃型高密度聚氨酯高壓發泡保溫材料，有良好的隔聲、阻燃、防潮效果，厚度不小于30mm，壁板導熱系數λ≤0.024kcal/（m·h·K），容重≥45kg/m3，熱阻為2.1(m2·K)/W，并能提供檢測報告，具備較高強度和鋼度以及隔熱性能，大大提高了機組外殼的剛度，箱體相對變形量在1000Pa時每米長度≤10mm。箱體內貼消音棉，噪聲＜75dB（A）。

該空氣加熱機組有如下特點：

（1）采用風機強制對流方式，風量大，換熱效率高。

（2）有消音裝置，噪聲不超過75dB。

（3）帶除塵過濾功能，可拆卸式過濾網定期清洗，保證進入干凈空氣。

4 低溫工況下空氣加熱機組及系統設計

4.1 低溫工況下空氣加熱機組設計

礦用空氣加熱機組是實現井筒防凍的主要設備，其構成主要包括：過濾段、換熱段、風機段。

過濾段作為新風流經的第一道屏障，起到過濾新風的作用。一般礦井空氣加熱室設置于井口房附近，或直接與井口房聯建，周圍空氣粉塵高，在運行過程會堵塞過濾網，使得進風側風阻增大，流經換熱器風速降低，所以在實際使用過程要注意觀察過濾網積灰情況，及時清理。

換熱段，可以由多組換熱器構成，其通過低溫水加熱新風（冷風），使之達到10℃～25℃。由于熱源溫度低，采用常規的鋼制換熱器傳熱系數低，同等換熱量的情況下，換熱面積大，金屬耗量大，安裝臺數多，對于井口房及其周邊用地緊張情況下顯然是行不通的。而在同等條件下，銅的傳熱系數是鋼的換熱系數的兩倍多，故一般低溫型空氣加熱機組采用銅鋁翅片結構形式，且考慮事故狀態快速切斷水路、排水要求，設計采用豎管型，行業稱之為防凍型。

空氣加熱機組是否配套風機要結合實際情況配置，當可利用礦井通風機提供熱風流通動力時，可不設風機，否則需配置軸流或離心風機作為動力源。離心風機設于空氣加熱器后端，軸流風機設于空氣加熱器前端，但要注意軸流風機同空氣加熱器之間距離要滿足新風擴散需求，一般講二者之間的凈距不少于600mm，且采用風機墻形式，使流經換熱器表面新風均勻。否則新風直接沖刷換熱器表面，尤其是前兩排換熱管，致使局部風速過高，耗熱量過大，從而發送換熱管凍裂事故。一般設計流經換熱器表面風速不得超過4m/s。

礦用空氣加熱機組配套風機需根據所使用環境不同采用防爆（或煤安）型或普通型，根據《煤炭安全規程》相關規定，井口房20m范圍之內不得有明火，為了加強對電氣設備的安全監管，許多煤企要求在井口房20m范圍內使用防爆甚至帶有煤安標志的風機。

4.2 低溫工況下空氣加熱系統設計要點

空氣加熱機組風量計算要以送風溫度和室外設計新風溫度二者溫差作為設計值，其中換熱器出口熱風溫度要滿足以下要求：吸入式送風至井口房，出風溫度為10℃～20℃，壓入式送入井口房，出風溫度為20℃～25℃。風壓不大于50Pa。設計時要充分考慮海拔高度和溫度對空氣密度的影響，計算時要進行修正。入井空氣比熱容和密度取2℃對應的，同時風量要考慮1.1的修正系數，選用風機時揚程要考慮1.2修正系數。

無風機系統設計時為了確保空氣流經換熱器表面速度不超過4m/s，進風側設計進風室，安裝百葉窗。百葉窗下緣距室外地面宜為1.2m～1.5m，且需要適當采取秋冬季節落葉等雜物對進風口堵塞的措施。同時為了防止井口房大門打開后，新風直接吹至換熱器后面排管，引起換熱管凍裂，需采取以下措施。（1）及時關閉大門；（2）在大門外安裝門斗，門斗向外開啟的門方向要結合當地季風風向和大門方向確定，應避開季風方向且不同于大門的方向。

系統設計多臺空氣加熱機組供熱時，要確保中間間隙密閉，防止冷風短路。

基于煤礦安全生產考慮，將地面與井下分割為兩個防火分區，此外根據GB/T50466—2018《煤炭工業供熱通風與空氣調節設計標準》規定，空氣加熱系統熱風道穿越隔墻和樓板處，應設置公稱動作溫度為70℃的防火閥。當空氣加熱機組出口直接面向井口房，機組出風口要設置必要的防護網，以免人員對翅片造成擠壓變形，從而影響送風風道。

5 使用中存在問題及解決方案

在實際運行過程中，空氣加熱機組銅管凍裂情況時有發生，究其原因主要包括以下幾個。

（1）局部集氣，水流通不暢，熱量小，管壁凍裂；

（2）銅管內有雜質，導致管道截面小，熱源少，管壁凍裂；

（3）室外冷風溫度低于設計值，熱源不足，熱量小，管壁凍裂。

針對上述問題，我們在反復的實踐運行中總結出一套可操作的經驗，既用于空氣加熱器凍裂的應急處理，同時又提出在空氣加熱機組結構設計中優化方案。

（1）換熱器前一排或兩排換熱管采用鋼鋁翅片，以此作為預熱器，避免室外空氣溫度過低造成換熱器凍管情況發生。

（2）采用乙二醇溶液作為循環媒介，乙二醇溶液濃度可根據項目所屬區域室外氣溫情況確定。

（3）有風機送風的空氣加熱機組，要進行聯控設計，當回水溫度低于一定溫度后，迅速停止運行風機，可有效避免強制換熱對換熱器換熱量的影響。

（4）換熱器進水管安裝排氣閥，出水管安排泄水閥。當換熱器排水時，需同時打開排氣閥和泄水閥。排氣閥建議建議采用不少于DN20的球閥。

除此之外，為了避免空氣加熱機組運行中存在各類問題，進水管按照必要的過濾器，多組換熱器各分支均需安裝進出水關斷閥等，當單片換熱器出現凍管情況下，可以通過切斷閥門，防止凍裂事故影響擴大。同時空氣加熱系統總進水管需按照流量監測和溫度檢測設施，當系統停止運行或供水溫度低于莫設定值時，需聯動關掉風機，甚至根據事故原因及時排空換熱器內水及關閉機組進風。

6 結束語

綜上所述，新型的煤礦用空氣加熱機組在各類低溫工況下可穩定可靠運行，擴寬了新能源熱源使用范圍，值得全面推廣。