煤礦井筒供暖技術(shù)的研究進(jìn)展

張濤(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 瓦斯研究分院，重慶 400037)

0 引言

我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主導(dǎo)，擁有巨大的開(kāi)采和消耗量。我國(guó)煤礦多分布在北方，其中大部分是井下開(kāi)采，通風(fēng)是礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，然而我國(guó)北方冬季氣溫低，大量冷風(fēng)通過(guò)進(jìn)風(fēng)井筒輸送至礦井巷道，當(dāng)空氣中的水分在井筒中凝結(jié)成冰，致使井筒堵塞，新鮮空氣無(wú)法到達(dá)井底，造成嚴(yán)重安全事故，同時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫太低會(huì)造成井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，影響工人健康[1]。因此，我國(guó)北方礦井均設(shè)有井筒防凍供暖設(shè)施。

1 煤礦井筒防凍現(xiàn)狀

以往礦井通常采用燃煤熱風(fēng)爐來(lái)加熱新鮮空氣并送入井筒的方式達(dá)到井筒防凍供暖的目的，但近年來(lái)，隨著環(huán)保政策收緊，以往的燃煤供暖方式已不符合環(huán)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(zhí)行GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，煤礦大部分燃煤熱風(fēng)爐需要進(jìn)行環(huán)保改造，在增加投資的同時(shí)，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(shù)逐漸被研發(fā)，煤礦井筒防凍技術(shù)正在加速變革。

2 新興的井筒防凍技術(shù)

目前興起的井筒防凍技術(shù)主要區(qū)別于熱能來(lái)源，大致可分為利用電能、利用天燃?xì)饣蛎簩託?、利用其他余熱等幾?lèi)。

2.1 利用電能供熱

利用電能供熱主要有傳統(tǒng)的電阻或電磁鍋爐和遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐，以及量子能供熱機(jī)組。

電阻或電磁鍋爐原理與常見(jiàn)的電阻或電磁加熱器類(lèi)似，利用電阻絲發(fā)熱或電磁輻射加熱空氣，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐的原理是利用遠(yuǎn)紅外電熱管將電能轉(zhuǎn)化為熱能加熱空氣，再將熱空氣送入井筒達(dá)到防凍目的[2]。這種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)污染；缺點(diǎn)是電能消耗大，運(yùn)行成本極高，對(duì)于相對(duì)偏遠(yuǎn)的煤礦進(jìn)風(fēng)井筒可能需要重新敷設(shè)外部電路。

量子能供熱機(jī)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(tài)下，并合理吸收量子能量和運(yùn)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(jìn)風(fēng)井筒實(shí)現(xiàn)防凍目的。該技術(shù)已在北方冬季供暖中有所應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)污染；缺點(diǎn)是管路系統(tǒng)較復(fù)雜，運(yùn)行電耗較高。

2.2 利用天燃?xì)饣蛎簩託?/h3>

天然氣和煤層氣是清潔能源，主要成分都是甲烷，其區(qū)別在于煤層氣在開(kāi)采過(guò)程中混入了一定量的空氣，造成甲烷濃度(體積分?jǐn)?shù))沒(méi)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(guī)程》規(guī)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(lái)進(jìn)行井筒防凍技術(shù)可分為燃?xì)忮仩t、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(shù)。

燃?xì)忮仩t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(jìn)風(fēng)井筒實(shí)現(xiàn)防凍目的。該技術(shù)已成熟應(yīng)用于民用供暖領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，耗電量較??；缺點(diǎn)是針對(duì)燃?xì)忮仩t，一般煤礦井筒附近沒(méi)有天然氣管路，原料輸送問(wèn)題較大，而針對(duì)瓦斯鍋爐，有氮氧化物排放超標(biāo)的問(wèn)題。

低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖技術(shù)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(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)釋放出熱量形成高溫?zé)煔?，這些高溫?zé)煔獠糠至鹘?jīng)蓄熱體進(jìn)行蓄熱以維持裝置的自熱平衡，將另一部分高溫?zé)煔馊〕鼋?jīng)過(guò)氣氣換熱器加熱空氣并將熱空氣送入進(jìn)風(fēng)井筒以達(dá)到防凍目的[3-5]。該技術(shù)是近期興起的高新技術(shù)，充分實(shí)現(xiàn)了煤礦低濃度煤層氣資源利用與井筒防凍需求的完美結(jié)合，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)，該技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染排放，運(yùn)行能耗和費(fèi)用較低；缺點(diǎn)是初期投資較高，設(shè)備占地面積較大。

2.3 利用其他余熱

利用其他余熱的技術(shù)主要有瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用、空壓機(jī)余熱利用及空氣源熱泵技術(shù)。

瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用是利用瓦斯發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂岷吞赘姿酂醽?lái)加熱空氣送入進(jìn)風(fēng)井筒實(shí)現(xiàn)防凍目的，瓦斯發(fā)電是比較成熟的低濃度瓦斯利用技術(shù)，在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生近600℃的高溫?zé)煔夂蜔崴捎脫Q熱器將其中的熱量取出加熱空氣可以實(shí)現(xiàn)變廢為寶。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟，安全可靠，無(wú)污染，投資和運(yùn)行成本較低；缺點(diǎn)是進(jìn)風(fēng)井筒需要臨近瓦斯抽采泵站且建有瓦斯發(fā)電系統(tǒng)。

空壓機(jī)余熱利用是用水、空氣等介質(zhì)將空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的排放熱量取出并收集，來(lái)加熱空氣送入進(jìn)風(fēng)井筒實(shí)現(xiàn)防凍目的。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)污染，投資低，電耗少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是進(jìn)風(fēng)井筒附近需建設(shè)有較大的空壓系統(tǒng)。

空氣源熱泵技術(shù)是利用逆卡諾原理，以極少的電能，吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?，通過(guò)壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮茉俳?jīng)換熱器加熱空氣并送入進(jìn)風(fēng)井筒實(shí)現(xiàn)防凍目的[6]。該技術(shù)有無(wú)污染和無(wú)需依附其他產(chǎn)熱設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)；但存在環(huán)境溫度越低，能效比越低的缺點(diǎn)，較難適應(yīng)北方冬季寒冷天氣。

綜合以上技術(shù)來(lái)看，各類(lèi)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。利用電能供熱技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)無(wú)污染，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但普遍存在電耗較高問(wèn)題，而且煤礦井筒進(jìn)風(fēng)量一般較大，所需的井筒防凍負(fù)荷基本都在5000kW以上，利用電能供熱運(yùn)行成本較高；利用天然氣和較高濃度的煤層氣供熱技術(shù)成熟，運(yùn)行成本較低，但消耗了優(yōu)質(zhì)能源，且不能完全實(shí)現(xiàn)污染零排放；利用低濃度煤層氣蓄熱氧化技術(shù)供熱，雖然初期系統(tǒng)投資較大，但實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，節(jié)能減排，符合當(dāng)下環(huán)保要求；利用其他余熱技術(shù)，所需配套設(shè)施較多，能否滿足和匹配防凍負(fù)荷需求需要重點(diǎn)考察。

3 應(yīng)用情況

為了解決煤礦井筒防凍和環(huán)境污染問(wèn)題，眾多新興技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用都取得了較好的效果，這些技術(shù)即可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用。利用電能供熱技術(shù)成熟完善，煤礦常常將其作為其他防凍方式的補(bǔ)充使用。

2020年，陜西省榆林市榆樹(shù)灣煤礦建成投產(chǎn)了2臺(tái)中正SZS燃?xì)忮仩t和1臺(tái)WNS燃?xì)忮仩t，用以解決煤礦冬季井筒防凍和建筑供暖，經(jīng)檢測(cè)鍋爐尾氣中氮氧化物14～17mg/m3，低于30mg/m3的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，減少燃煤8000t/a。

2017年，山西省陽(yáng)泉市陽(yáng)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(tǒng)處理量60000m3/h，供熱能力近5000kW，減排瓦斯2.6×106m3/a，相當(dāng)于減排3.6×104t二氧化碳；2018年，山西省陽(yáng)泉市陽(yáng)煤一礦楊坡堰瓦斯泵站工業(yè)廣場(chǎng)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(wèn)題。

2018年，山西省蒲縣華勝煤業(yè)有限公司建成投產(chǎn)了23臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組，并輔助配備電加熱鍋爐解決了井筒防凍問(wèn)題。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于不同技術(shù)所需的配套環(huán)境、技術(shù)、設(shè)備不同，投資及運(yùn)行成本不同，需要根據(jù)不同煤礦進(jìn)風(fēng)井筒的場(chǎng)地和環(huán)境特點(diǎn)選擇合適的工藝技術(shù)。

4 工藝優(yōu)化改進(jìn)方向

這些新興的煤礦井筒防凍供暖技術(shù)雖然有大規(guī)模鋪開(kāi)應(yīng)用之勢(shì)，但各項(xiàng)技術(shù)均有不同程度的缺陷，企業(yè)科研和開(kāi)發(fā)以及煤礦應(yīng)用人員還應(yīng)加大攻關(guān)力度，不斷優(yōu)化改進(jìn)，使之更好為煤礦服務(wù)，為環(huán)保服務(wù)。

例如，針對(duì)電阻或電磁爐、遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐供熱技術(shù)能耗高的缺點(diǎn)，可以加大更高效率的電能向熱能轉(zhuǎn)化設(shè)備的研發(fā)；針對(duì)瓦斯鍋爐氮氧化物排放超標(biāo)問(wèn)題，可以從優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)入手降低反應(yīng)的停留時(shí)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(duì)低濃度煤層氣蓄熱氧化供暖技術(shù)設(shè)備投資高、占地大的缺點(diǎn)，可以從研發(fā)小型撬裝集成化設(shè)備、研究提高原料氣進(jìn)氣甲烷濃度等入手，減小設(shè)備占地面積，減少設(shè)備投資；針對(duì)余熱利用技術(shù)需要依附其他設(shè)備設(shè)施的特點(diǎn)，在新建礦井時(shí)，可以綜合考慮進(jìn)風(fēng)井筒附近資源，匹配建立瓦斯發(fā)電機(jī)組和空氣源熱泵機(jī)組。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著環(huán)保力度加大，北方各個(gè)煤礦對(duì)以往的燃煤熱風(fēng)爐的改造和替代正在加速開(kāi)展，各項(xiàng)新興的井筒防凍供暖技術(shù)也在積極研究和優(yōu)化。在實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)以井筒防凍供暖需求結(jié)果為導(dǎo)向，優(yōu)先考慮無(wú)污染或少污染的工藝技術(shù)，再依據(jù)實(shí)施地環(huán)境、資源及現(xiàn)有配套設(shè)施，選擇能耗和運(yùn)行成本較小的技術(shù)方案，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境的終極目標(biāo)。