煤礦井筒防凍燃煤爐清潔能源替代方案

羅申國

（煤炭工業太原設計研究院，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環境空氣質量，承擔更多的社會責任，擬利用集中供熱、燃氣鍋爐、乏風氧化機組、空氣源熱泵、礦井回風空氣源熱泵和紅外線電加熱熱風爐等多種清潔能源技術替代前山礦區和古交礦區9座煤礦井筒防凍燃煤爐供熱，將環保工作由末端治理向污染預防和生產全過程控制轉變，從源頭減少廢物產生，打造生態西山，使西山成為首個無鍋爐化礦區。

2 煤礦井筒防凍供熱現狀分析

西山煤電前山和古交礦區9座礦井共有進風井60個，其中已建成投運54個，新建6個。其中58個進風井均需設置井筒防凍設施，總通風量30萬m3/min，井筒防凍總熱負荷169MW，折蒸汽量241t。已建成進風井總通風量25萬m3/min，井筒防凍總熱負荷144MW，折蒸汽量205t，利用燃煤熱風爐供熱28個（燃煤熱風爐61臺），乏風氧化機組供熱2個，瓦斯電廠余熱供熱2個，紅外線電加熱2個，工業場地燃煤鍋爐供熱13個，集中供熱4個。井筒防凍供熱設施中，燃煤熱風爐占58.59%，燃煤鍋爐占28.98%，燃煤熱風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、燃油燃氣鍋爐、乏風氧化機組、低溫廢熱回收熱泵、紅外線電加熱熱風爐等，下面對各種方案的技術路線及特點做一下簡述。

3.1 集中供熱

利用城鎮供暖集中供熱管網提供的高溫熱水，經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大量的熱量，由循環冷卻水帶走，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回收產生50～60℃熱水，用于供暖。瓦斯電廠余熱主要有高溫煙氣、缸套水和中冷水余熱三部分。高溫煙氣溫度較高，通過余熱鍋爐回收可產生蒸汽或高溫熱水，用于發電或供熱；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回收產生50～60℃熱水，用于供暖。空壓機和瓦斯電廠余熱持續穩定，投資省，優先考慮使用。

3.3 燃油燃氣熱風爐

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。瓦斯濃度要求不低于30%，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儲罐。煤層氣熱風爐、液化石油氣熱風爐和燃油熱風爐一次投資小，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、風井場地交通便利、不受天氣影響燃料運輸、電源供應不足的風井可以采用煤層氣熱風爐。瓦斯鍋爐不存在燃料成本和運輸問題，風井場地有瓦斯抽放泵站且抽放瓦斯濃度大于30%的應優先采用。

3.4 乏風氧化機組

利用礦井通風中含有的風排瓦斯（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或空氣摻混至濃度1.0%，通過乏風氧化機組氧化，回收余熱產生蒸汽或熱風，用于供熱或井筒防凍。乏風氧化機組投資和運行成本綜合費用較低，風井場地有瓦斯抽放泵站的應優先考慮，低濃度瓦斯與礦井乏風或空氣摻混至1%后通過乏風氧化機組氧化供熱。

3.5 低溫廢熱回收熱泵

礦井中可以利用的低溫熱源主要有礦井回風、井下排水、洗浴廢水、水環真空泵循環水等。

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

礦井回風水源熱泵：通過在回風井擴散塔頂部安裝噴水裝置，將礦井回風中的低溫熱能轉移到水中，再通過水源熱泵提取熱量，產生40～45℃熱水，可用于冬季供暖和井筒防凍、夏季制冷、全年供應洗浴熱水。礦井回風水源熱泵技術需要大量水與礦井回風進行熱交換，并對擴散塔改造，增加回風與水換熱循環系統。

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

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用。礦井回風風量、風溫、相對濕度等參數相對穩定，乏風含熱量大，可達40kJ/kg，熱泵能效比高（礦井回風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），但回風中含有瓦斯、粉塵，水分大，設備需考慮防爆功能，礦井回風熱能提取設備需考慮除塵和防凍。空氣源熱泵使用環境空氣較潔凈，較礦井回風熱泵少一套換熱系統，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備，設備裝機容量大，耗電量大。故有礦井回風時，通風機房附近有場地布置乏風提取設備時，首先考慮采用礦井回風空氣源熱泵。

3.6 紅外線電加熱熱風爐

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，用風機將熱風送到井口，用于井筒防凍。紅外線電加熱熱風爐只需接上電源，將空氣加熱至60℃以上，利用現有熱風道送入井下，系統簡單，一次投資少，自動化程度高，不存在循環水供熱系統管路防凍問題，安全可靠性高。官地礦安家溝風井和白家莊礦冶峪風井現使用紅外線電加熱爐，運行效果很好。在無瓦斯、無低溫熱源、電源容量能滿足要求的情況下建議采用。

4 各方案技術經濟比較

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 各方案技術經濟比較

綜上所述：（1）井筒防凍能實現集中供熱的首先考慮集中供熱，比較穩定可靠；（2）有空壓機和瓦斯電廠余熱的，盡可能考慮利用，節約投資，同時節約能源，余熱利用屬國家鼓勵項目；（3）有瓦斯泵站抽放瓦斯或風排瓦斯濃度在0.4%以上的，可考慮使用瓦斯鍋爐或乏風氧化機組，投資較少，運行成本低，瓦斯充分利用；（4）在電源容量滿足、供暖負荷不大、現有井筒防凍為熱風爐供暖的風井，采用紅外線電加熱爐，利用現有熱風爐房布置紅外線電加熱爐，通過現有管道送至井筒內，投資少，系統簡單，運行可靠；（5）在電源受限條件下，有礦井回風和布置場地的，選用礦井回風空氣源熱泵方案，裝機容量少，節省電能，沒有回風的選用空氣源熱泵加電加熱方案。

60座進風井中，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爐替代，10座擬利用礦井回風源熱泵替代，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 結語

通過以上分析，利用清潔能源技術替代西山煤電本部9座礦井現有燃煤爐供井筒防凍方案在技術上是可行的。本方案所選用的各種清潔能源替代技術均已有運行實例，技術成熟，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，減少區域污染物排放總量，對改善礦區環境起到積極作用。規劃有瓦斯抽放泵站或瓦斯電廠的風井場地，建議加快抽放泵站和瓦斯電廠建設進度，以便利用抽放的瓦斯和電廠余熱供井筒防凍，減少重復投資，同時獲得發電收益。在采暖季對各進風井進行溫度監測和記錄，以作為下一步井筒防凍改造設計設備選型依據。