煤礦井筒供暖技術的研究進展

張濤(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院，重慶 400037)

0 引言

我國一次能源結構以煤炭為主導，擁有巨大的開采和消耗量。我國煤礦多分布在北方，其中大部分是井下開采，通風是礦井安全生產的重要環節，然而我國北方冬季氣溫低，大量冷風通過進風井筒輸送至礦井巷道，當空氣中的水分在井筒中凝結成冰，致使井筒堵塞，新鮮空氣無法到達井底，造成嚴重安全事故，同時，進風溫太低會造成井下生產環境惡劣，影響工人健康[1]。因此，我國北方礦井均設有井筒防凍供暖設施。

1 煤礦井筒防凍現狀

以往礦井通常采用燃煤熱風爐來加熱新鮮空氣并送入井筒的方式達到井筒防凍供暖的目的，但近年來，隨著環保政策收緊，以往的燃煤供暖方式已不符合環保要求，尤其是自2016年7月1日起，10t/h及以下在用蒸汽鍋爐和7MW及以下在用熱水鍋爐執行GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》，煤礦大部分燃煤熱風爐需要進行環保改造，在增加投資的同時，還難以完全消除污染。因此，更多以清潔能源為熱源的供暖技術逐漸被研發，煤礦井筒防凍技術正在加速變革。

2 新興的井筒防凍技術

目前興起的井筒防凍技術主要區別于熱能來源，大致可分為利用電能、利用天燃氣或煤層氣、利用其他余熱等幾類。

2.1 利用電能供熱

利用電能供熱主要有傳統的電阻或電磁鍋爐和遠紅外熱風爐，以及量子能供熱機組。

電阻或電磁鍋爐原理與常見的電阻或電磁加熱器類似，利用電阻絲發熱或電磁輻射加熱空氣，遠紅外熱風爐的原理是利用遠紅外電熱管將電能轉化為熱能加熱空氣，再將熱空氣送入井筒達到防凍目的[2]。這種技術優點在于系統簡單，無污染；缺點是電能消耗大，運行成本極高，對于相對偏遠的煤礦進風井筒可能需要重新敷設外部電路。

量子能供熱機組的原理是利用電能加熱特殊的量子液，使之保持在激活狀態下，并合理吸收量子能量和運行速度，使量子液保持不斷激活從而釋放熱量，利用釋放的熱量加熱空氣再送入進風井筒實現防凍目的。該技術已在北方冬季供暖中有所應用，優點在于無污染；缺點是管路系統較復雜，運行電耗較高。

2.2 利用天燃氣或煤層氣

天然氣和煤層氣是清潔能源，主要成分都是甲烷，其區別在于煤層氣在開采過程中混入了一定量的空氣，造成甲烷濃度(體積分數)沒有天然氣高，天然氣中的甲烷濃度在90%以上，而不同煤層氣中的甲烷濃度在1%～100%均有分布，甲烷濃度在30%以上的煤層氣與天然氣一樣可以直接燃燒使用，而甲烷濃度在30%以下的煤層氣按《煤礦安全規程》規定不能直接燃燒使用。因此，利用天然氣或煤層氣作為熱源來進行井筒防凍技術可分為燃氣鍋爐、瓦斯鍋爐(即高濃度煤層氣鍋爐)和低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖技術。

燃氣鍋爐和瓦斯鍋爐的原理是利用天然氣或煤層氣中的甲烷燃燒釋放熱量，從而加熱空氣并送入進風井筒實現防凍目的。該技術已成熟應用于民用供暖領域，優點在于技術成熟，系統相對簡單，耗電量較小；缺點是針對燃氣鍋爐，一般煤礦井筒附近沒有天然氣管路，原料輸送問題較大，而針對瓦斯鍋爐，有氮氧化物排放超標的問題。

低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖技術的原理是將低濃度煤層氣與空氣均勻混合至甲烷濃度為1%左右，通入蓄熱氧化裝置，甲烷在高溫的蓄熱氧化裝置內發生氧化反應釋放出熱量形成高溫煙氣，這些高溫煙氣部分流經蓄熱體進行蓄熱以維持裝置的自熱平衡，將另一部分高溫煙氣取出經過氣氣換熱器加熱空氣并將熱空氣送入進風井筒以達到防凍目的[3-5]。該技術是近期興起的高新技術，充分實現了煤礦低濃度煤層氣資源利用與井筒防凍需求的完美結合，其優點在于利用排空的低濃度煤層氣變廢為寶，減少甲烷排放污染的同時，該技術也實現了無污染排放，運行能耗和費用較低；缺點是初期投資較高，設備占地面積較大。

2.3 利用其他余熱

利用其他余熱的技術主要有瓦斯發電機組余熱利用、空壓機余熱利用及空氣源熱泵技術。

瓦斯發電機組余熱利用是利用瓦斯發電過程產生的高溫煙氣余熱和套缸水余熱來加熱空氣送入進風井筒實現防凍目的，瓦斯發電是比較成熟的低濃度瓦斯利用技術，在發電機組運行的過程中會產生近600℃的高溫煙氣和熱水，采用換熱器將其中的熱量取出加熱空氣可以實現變廢為寶。該技術的優點在于技術成熟，安全可靠，無污染，投資和運行成本較低；缺點是進風井筒需要臨近瓦斯抽采泵站且建有瓦斯發電系統。

空壓機余熱利用是用水、空氣等介質將空壓機運行過程產生的排放熱量取出并收集，來加熱空氣送入進風井筒實現防凍目的。該技術優點在于無污染，投資低，電耗少，系統簡單；缺點是進風井筒附近需建設有較大的空壓系統。

空氣源熱泵技術是利用逆卡諾原理，以極少的電能，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變為高溫熱能再經換熱器加熱空氣并送入進風井筒實現防凍目的[6]。該技術有無污染和無需依附其他產熱設備的優點；但存在環境溫度越低，能效比越低的缺點，較難適應北方冬季寒冷天氣。

綜合以上技術來看，各類技術各有優勢。利用電能供熱技術都能實現無污染，而且系統簡單，但普遍存在電耗較高問題，而且煤礦井筒進風量一般較大，所需的井筒防凍負荷基本都在5000kW以上，利用電能供熱運行成本較高；利用天然氣和較高濃度的煤層氣供熱技術成熟，運行成本較低，但消耗了優質能源，且不能完全實現污染零排放；利用低濃度煤層氣蓄熱氧化技術供熱，雖然初期系統投資較大，但實現了變廢為寶，節能減排，符合當下環保要求；利用其他余熱技術，所需配套設施較多，能否滿足和匹配防凍負荷需求需要重點考察。

3 應用情況

為了解決煤礦井筒防凍和環境污染問題，眾多新興技術的研發和應用都取得了較好的效果，這些技術即可單獨使用，也可聯合使用。利用電能供熱技術成熟完善，煤礦常常將其作為其他防凍方式的補充使用。

2020年，陜西省榆林市榆樹灣煤礦建成投產了2臺中正SZS燃氣鍋爐和1臺WNS燃氣鍋爐，用以解決煤礦冬季井筒防凍和建筑供暖，經檢測鍋爐尾氣中氮氧化物14～17mg/m3，低于30mg/m3的環保標準，減少燃煤8000t/a。

2017年，山西省陽泉市陽煤五礦小南莊瓦斯泵站建成了一套低濃度煤層氣蓄熱氧化井筒加熱裝置，系統處理量60000m3/h，供熱能力近5000kW，減排瓦斯2.6×106m3/a，相當于減排3.6×104t二氧化碳；2018年，山西省陽泉市陽煤一礦楊坡堰瓦斯泵站工業廣場建成一套處理量160000m3/h，供熱能力近11000kW的低濃度煤層氣蓄熱氧化利用裝置，成功解決了井筒防凍和建筑供暖問題。

2018年，山西省蒲縣華勝煤業有限公司建成投產了23臺空氣源熱泵機組，并輔助配備電加熱鍋爐解決了井筒防凍問題。

在實際應用過程中，由于不同技術所需的配套環境、技術、設備不同，投資及運行成本不同，需要根據不同煤礦進風井筒的場地和環境特點選擇合適的工藝技術。

4 工藝優化改進方向

這些新興的煤礦井筒防凍供暖技術雖然有大規模鋪開應用之勢，但各項技術均有不同程度的缺陷，企業科研和開發以及煤礦應用人員還應加大攻關力度，不斷優化改進，使之更好為煤礦服務，為環保服務。

例如，針對電阻或電磁爐、遠紅外熱風爐供熱技術能耗高的缺點，可以加大更高效率的電能向熱能轉化設備的研發；針對瓦斯鍋爐氮氧化物排放超標問題，可以從優化鍋爐結構入手降低反應的停留時間，或者在原料瓦斯氣中增加助燃劑等方式，提高瓦斯氣的氧化率以提高裝置效率[7]；針對低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖技術設備投資高、占地大的缺點，可以從研發小型撬裝集成化設備、研究提高原料氣進氣甲烷濃度等入手，減小設備占地面積，減少設備投資；針對余熱利用技術需要依附其他設備設施的特點，在新建礦井時，可以綜合考慮進風井筒附近資源，匹配建立瓦斯發電機組和空氣源熱泵機組。

5 結語

目前，隨著環保力度加大，北方各個煤礦對以往的燃煤熱風爐的改造和替代正在加速開展，各項新興的井筒防凍供暖技術也在積極研究和優化。在實施過程中，應以井筒防凍供暖需求結果為導向，優先考慮無污染或少污染的工藝技術，再依據實施地環境、資源及現有配套設施，選擇能耗和運行成本較小的技術方案，真正實現節能減排，保護環境的終極目標。