淺談煤礦新能源在井筒防凍的應(yīng)用

胡文青 山西文龍中美環(huán)能科技股份有限公司

1 項目背景

根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十三五”規(guī)劃的通知》，推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。加強(qiáng)煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用，推廣使用優(yōu)質(zhì)煤、潔凈型煤，推進(jìn)煤改氣、煤改電，鼓勵利用可再生能源、天然氣、電力等優(yōu)質(zhì)能源替代燃煤使用。因地制宜發(fā)展海島太陽能、海上風(fēng)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(dá)到15%，天然氣消費比重提高到10%左右。

煤礦作為一次能源產(chǎn)出大戶，也是耗能大戶，用于解決工業(yè)場地建筑物采暖、井筒防凍、全年職工洗浴用熱的耗熱量數(shù)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(fēng)等低品位熱能，以及空壓機(jī)，洗浴水廢熱等余熱資源，其潛力大，環(huán)境污染低，可持續(xù)利用，是有利于人與自然和諧發(fā)展的重要能源。采用換熱技術(shù)或熱泵技術(shù)充分回收礦井廢熱資源的新能源系統(tǒng)用于解決建筑采暖、井筒防凍以及洗浴技術(shù)成熟，節(jié)能顯著，經(jīng)濟(jì)效益明顯，環(huán)保效益突出，是利國利民的一項舉措。是被錄入《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》。

為防止冬季井筒及提升設(shè)備結(jié)冰，保證礦井安全生產(chǎn)，對井筒進(jìn)風(fēng)采取加熱措施。根據(jù)GB50215—2015《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》，供暖室外計算溫度等于或低于-4℃地區(qū)的進(jìn)風(fēng)立井、等于或低于-5℃地區(qū)的進(jìn)風(fēng)斜井和等于或低于-6℃地區(qū)的進(jìn)風(fēng)平硐，當(dāng)有淋幫水、排水溝或排水管時，應(yīng)設(shè)置空氣加熱設(shè)備。進(jìn)風(fēng)井井筒防凍作為保障生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在新能源供熱系統(tǒng)作為主要熱源下持續(xù)穩(wěn)定運行顯得尤為重要。

2 供熱方式

從煤礦開拓方式來講，進(jìn)風(fēng)井包括以下三種形式：立井、斜井、平硐。從進(jìn)風(fēng)井功能劃分可分為：專用進(jìn)風(fēng)井、行人斜井、兼有提升輸料功能的斜（立）井。從熱風(fēng)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(fēng)送入進(jìn)口房混風(fēng)或直接進(jìn)入井筒混風(fēng)，達(dá)到混風(fēng)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(jīng)濟(jì)性，一般通過熱泵供熱時為50/40℃，通過空氣加熱機(jī)組加熱后達(dá)到10℃～25℃后，送入井口房，與冷風(fēng)摻混，達(dá)到2℃及以上，送入井筒。

3 空氣加熱機(jī)組結(jié)構(gòu)形式

空氣加熱機(jī)組主要包括四部分：過濾器、換熱器、風(fēng)機(jī)（選配）、機(jī)組框架面板。

圖1 空氣加熱機(jī)組結(jié)構(gòu)簡圖

3.1 過濾器

機(jī)組過濾器采用雙層錦綸凸網(wǎng)+不銹鋼框架，后側(cè)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(shè)計。采用銅管串鋁翅片，機(jī)組配套防凍流程熱交換器，銅管串鋁片雙翻邊結(jié)構(gòu)，機(jī)械脹管，剛性好，熱交換效率高，風(fēng)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(fēng)阻＜50Pa，最大風(fēng)阻＜150Pa，翅片間距3mm。采用超親水鋁箔防腐材料。常規(guī)氣密檢測壓力為2.0MPa，運行最大工作壓力為1.6MPa。

3.3 風(fēng)機(jī)

根據(jù)項目實際情況，選用地面防爆型或煤安等級的風(fēng)機(jī)。

3.4 機(jī)組框架面板

采用模塊式框架結(jié)構(gòu)，優(yōu)質(zhì)鋁合金為原材料，框梁是由特制的軋制設(shè)備軋制而成的閉口型鋁型材，截面形狀為矩形，型材內(nèi)部充注阻燃高壓發(fā)泡聚氨酯保溫材料，箱板內(nèi)外層為彩鋼板，且外面采用覆膜防護(hù)，因此其耐折性、耐候性好，抗腐蝕、耐酸、堿、鹽，15年不褪色；內(nèi)部為阻燃型高密度聚氨酯高壓發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)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(qiáng)度和鋼度以及隔熱性能，大大提高了機(jī)組外殼的剛度，箱體相對變形量在1000Pa時每米長度≤10mm。箱體內(nèi)貼消音棉，噪聲＜75dB（A）。

該空氣加熱機(jī)組有如下特點：

（1）采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流方式，風(fēng)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(wǎng)定期清洗，保證進(jìn)入干凈空氣。

4 低溫工況下空氣加熱機(jī)組及系統(tǒng)設(shè)計

4.1 低溫工況下空氣加熱機(jī)組設(shè)計

礦用空氣加熱機(jī)組是實現(xiàn)井筒防凍的主要設(shè)備，其構(gòu)成主要包括：過濾段、換熱段、風(fēng)機(jī)段。

過濾段作為新風(fēng)流經(jīng)的第一道屏障，起到過濾新風(fēng)的作用。一般礦井空氣加熱室設(shè)置于井口房附近，或直接與井口房聯(lián)建，周圍空氣粉塵高，在運行過程會堵塞過濾網(wǎng)，使得進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)阻增大，流經(jīng)換熱器風(fēng)速降低，所以在實際使用過程要注意觀察過濾網(wǎng)積灰情況，及時清理。

換熱段，可以由多組換熱器構(gòu)成，其通過低溫水加熱新風(fēng)（冷風(fēng)），使之達(dá)到10℃～25℃。由于熱源溫度低，采用常規(guī)的鋼制換熱器傳熱系數(shù)低，同等換熱量的情況下，換熱面積大，金屬耗量大，安裝臺數(shù)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(shù)是鋼的換熱系數(shù)的兩倍多，故一般低溫型空氣加熱機(jī)組采用銅鋁翅片結(jié)構(gòu)形式，且考慮事故狀態(tài)快速切斷水路、排水要求，設(shè)計采用豎管型，行業(yè)稱之為防凍型。

空氣加熱機(jī)組是否配套風(fēng)機(jī)要結(jié)合實際情況配置，當(dāng)可利用礦井通風(fēng)機(jī)提供熱風(fēng)流通動力時，可不設(shè)風(fēng)機(jī)，否則需配置軸流或離心風(fēng)機(jī)作為動力源。離心風(fēng)機(jī)設(shè)于空氣加熱器后端，軸流風(fēng)機(jī)設(shè)于空氣加熱器前端，但要注意軸流風(fēng)機(jī)同空氣加熱器之間距離要滿足新風(fēng)擴(kuò)散需求，一般講二者之間的凈距不少于600mm，且采用風(fēng)機(jī)墻形式，使流經(jīng)換熱器表面新風(fēng)均勻。否則新風(fēng)直接沖刷換熱器表面，尤其是前兩排換熱管，致使局部風(fēng)速過高，耗熱量過大，從而發(fā)送換熱管凍裂事故。一般設(shè)計流經(jīng)換熱器表面風(fēng)速不得超過4m/s。

礦用空氣加熱機(jī)組配套風(fēng)機(jī)需根據(jù)所使用環(huán)境不同采用防爆（或煤安）型或普通型，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，井口房20m范圍之內(nèi)不得有明火，為了加強(qiáng)對電氣設(shè)備的安全監(jiān)管，許多煤企要求在井口房20m范圍內(nèi)使用防爆甚至帶有煤安標(biāo)志的風(fēng)機(jī)。

4.2 低溫工況下空氣加熱系統(tǒng)設(shè)計要點

空氣加熱機(jī)組風(fēng)量計算要以送風(fēng)溫度和室外設(shè)計新風(fēng)溫度二者溫差作為設(shè)計值，其中換熱器出口熱風(fēng)溫度要滿足以下要求：吸入式送風(fēng)至井口房，出風(fēng)溫度為10℃～20℃，壓入式送入井口房，出風(fēng)溫度為20℃～25℃。風(fēng)壓不大于50Pa。設(shè)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(jìn)行修正。入井空氣比熱容和密度取2℃對應(yīng)的，同時風(fēng)量要考慮1.1的修正系數(shù)，選用風(fēng)機(jī)時揚程要考慮1.2修正系數(shù)。

無風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計時為了確保空氣流經(jīng)換熱器表面速度不超過4m/s，進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)計進(jìn)風(fēng)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(dāng)采取秋冬季節(jié)落葉等雜物對進(jìn)風(fēng)口堵塞的措施。同時為了防止井口房大門打開后，新風(fēng)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(guān)閉大門；（2）在大門外安裝門斗，門斗向外開啟的門方向要結(jié)合當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)風(fēng)向和大門方向確定，應(yīng)避開季風(fēng)方向且不同于大門的方向。

系統(tǒng)設(shè)計多臺空氣加熱機(jī)組供熱時，要確保中間間隙密閉，防止冷風(fēng)短路。

基于煤礦安全生產(chǎn)考慮，將地面與井下分割為兩個防火分區(qū)，此外根據(jù)GB/T50466—2018《煤炭工業(yè)供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，空氣加熱系統(tǒng)熱風(fēng)道穿越隔墻和樓板處，應(yīng)設(shè)置公稱動作溫度為70℃的防火閥。當(dāng)空氣加熱機(jī)組出口直接面向井口房，機(jī)組出風(fēng)口要設(shè)置必要的防護(hù)網(wǎng)，以免人員對翅片造成擠壓變形，從而影響送風(fēng)風(fēng)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(jī)組銅管凍裂情況時有發(fā)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(nèi)有雜質(zhì)，導(dǎo)致管道截面小，熱源少，管壁凍裂；

（3）室外冷風(fēng)溫度低于設(shè)計值，熱源不足，熱量小，管壁凍裂。

針對上述問題，我們在反復(fù)的實踐運行中總結(jié)出一套可操作的經(jīng)驗，既用于空氣加熱器凍裂的應(yīng)急處理，同時又提出在空氣加熱機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)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(yù)熱器，避免室外空氣溫度過低造成換熱器凍管情況發(fā)生。

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

（3）有風(fēng)機(jī)送風(fēng)的空氣加熱機(jī)組，要進(jìn)行聯(lián)控設(shè)計，當(dāng)回水溫度低于一定溫度后，迅速停止運行風(fēng)機(jī)，可有效避免強(qiáng)制換熱對換熱器換熱量的影響。

（4）換熱器進(jìn)水管安裝排氣閥，出水管安排泄水閥。當(dāng)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(jī)組運行中存在各類問題，進(jìn)水管按照必要的過濾器，多組換熱器各分支均需安裝進(jìn)出水關(guān)斷閥等，當(dāng)單片換熱器出現(xiàn)凍管情況下，可以通過切斷閥門，防止凍裂事故影響擴(kuò)大。同時空氣加熱系統(tǒng)總進(jìn)水管需按照流量監(jiān)測和溫度檢測設(shè)施，當(dāng)系統(tǒng)停止運行或供水溫度低于莫設(shè)定值時，需聯(lián)動關(guān)掉風(fēng)機(jī)，甚至根據(jù)事故原因及時排空換熱器內(nèi)水及關(guān)閉機(jī)組進(jìn)風(fēng)。

6 結(jié)束語

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