煤矿回风余热用于井筒防冻的潜力分析

左 强 李 康 陈建刚 邢子文 梅 毅 张金权 李 军

(1. 大连冷冻机股份有限公司，辽宁省大连市，116630；2. 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市，710049；3. 武汉新世界制冷工业有限公司，湖北省武汉市，430023；4. 西安琦通新能源设备有限公司，陕西省西安市，710077)

由于先天资源禀赋原因，煤炭在我国能源结构中一直占据主导地位。2016年我国原煤产量为34.11亿t，约占全球煤炭产量的45.7%。2017年我国能源消费总量为44.9亿t标煤，煤炭消费占总量的60.4%。随着我国可持续发展战略的提出和节能、环保力度的不断加大，煤炭在我国能源消费总量中的占比出现了逐年降低的现象，但煤炭作为国内能源首要组成部分的地位始终不变。

然而我国煤炭矿井绝大部分分布在北方寒冷地区，煤炭开采本身就是高能耗作业，通常有大量煤炭直接燃烧用于矿井井筒防冻、供暖以及生活热水等，特别是井筒防冻，能耗通常占到矿区总能耗的40%以上。近年来，随着我国节能环保、可持续发展战略不断推进，煤炭的消费方式也正在发生重大改变，分散式的小型燃煤锅炉被限制使用，煤矿传统的燃煤加热方式也正面临全面改造。但另一方面，随着煤矿开采深度的增加，煤炭矿井也存在大量的低温余热资源没有得到有效利用，尤其是煤矿回风，其含湿量接近100%，风量稳定，温度一般在18℃～28℃，几乎不受季节变化的影响。在冬季，煤矿回风余热可作为优质热源用于井筒防冻。

1 我国煤矿分布及井筒防冻需求统计

国务院在2014年发布的《能源发展战略行动计划 (2014-2020年)》(国办发〔2014〕31号)(以下简称《行动计划》)中确定，将重点建设晋北、晋中、晋东、神东、陕北、黄陇、宁东、鲁西、两淮、云贵、冀中、河南、内蒙古东部、新疆14个亿吨级大型煤炭基地。14个煤炭基地矿区及储量信息见表1。

由表1可以看出，2013年14个大型煤炭基地产量33.6亿t，占全国总产量的91%。《行动计划》明确，到2020年基地产量占全国的95%。除云贵基地外，其余基地均分布于长江以北地区。

表1 14个煤炭基地矿区及储量信息

井筒防冻是指通过人工供暖确保矿井新风进口的新风温度大于2℃，避免井口结冰。因为井口一旦结冰将存在冰块坠落矿井的风险，严重危害井下作业人员和设备安全，并且井口结冰会减少通风有效截面，造成通风量不足，破坏矿井通风循环，同样危害井下作业人员安全。《煤炭工业矿井设计规范》(GB50215—2015)中规定：当采室外计算温度等于或低于-4℃地区的进风立井、等于或低于-5℃地区的进风斜井和等于或低于-6℃地区的进风平硐，当有淋帮水、排水管和排水沟时，应设置空气加热设备。

因此统计各矿区的气候温度特征是论证井筒是否需要防冻的必要条件，本文针对我国14个煤炭基地选取代表地区及代表煤矿，对其气候及霜冻期进行统计。各煤炭基地气候条件统计见表2，各煤炭基地霜冻期统计见表3。

表2 各煤炭基地气候条件统计 ℃

表3 各煤炭基地霜冻期统计

由表3可以看出，纬度最低的云贵基地全年几乎无霜冻，河南基地和两淮基地的霜冻期约3个月时间，其他基地的霜冻期较长，个别地区甚至超过6个月。

将纬度为31.7的两淮基地作为分界点，低纬度地区矿井认为无需防冻，高纬度地区需要防冻。按照省份来说，全国前十大产煤省份除贵州外，山西、内蒙、陕西、河南、山东、安徽、黑龙江、河北和宁夏地区的井工煤矿均需要采取井筒防冻措施。2016年各地区煤矿数量统计见表4，总计5674处，其中位于防冻地区的煤矿2659处，煤矿年产量合计334216万t。从数量上看防冻地区的煤矿占比为46.86%。2016年我国煤炭产量为33.64亿t，从产量上看，处于防冻地区的煤矿产量占比超过99%。

表4 2016年各地区煤矿数量统计

2 我国煤矿井筒防冻热负荷核算

由于没有准确的各省煤矿矿井的通风量数据，参考其他文献可知，2014年我国原煤产量为38.74亿t，矿井回风量约为326799 m3/s。根据这一数据，为了对我国煤矿井筒防冻热负荷做初步核算，做了两点近似假设：一是新风量与回风量相等；二是矿井产煤量与通风量成比例。基于此，核算出处于防冻地区各省煤矿总新风量，结合当地气候条件，进而核算出我国总的煤矿井筒防冻热负荷。

根据需要防冻措施的地区煤产量估算各个基地的总通风量，分地区统计环境温度信息，计算加热温差△T，根据霜冻期估算总耗热量换算成标煤。

热量计算公式为见式(1)：

Q=C·m·△T

(1)

式中：C——空气比热，取值1.0 kJ/kg·K；

m——空气质量，kg；

△T——温差，按照通风空气从环境温度T加热至2℃温差计算，△T=2-T。

环境温度及全年防冻时间根据各地气候信息及霜冻期信息统计。取空气密度为1.29 kg/m3，标煤热值为29300 kJ/kg，根据2016年产量数据各地区煤矿井筒防冻能耗计算见表5。

表5 根据2016年产量数据各地区煤矿井筒防冻能耗计算

由表5可以看出，需要井筒防冻的地区煤炭年总产量为33.42亿t，计算总通风量为308771 m3/s，计算总热负荷为5936824.46 kW，计算总能耗折合标煤约为192万t。

3 煤矿回风余热利用风风换热技术及其经济性分析

风风换热技术是直接利用矿井高含湿回风与室外冷空气换热用于进风口井筒防冻的新技术，煤矿回风余热回收风风换热系统原理图如图1所示。

由图1可以看出，室外新鲜空气通过间壁式热交换器与矿井回风直接进行热交换，通过风道将换热后的新风直接送入进风井，该系统适用于进出风井之间距离较近的矿井。

风风换热技术充分利用矿井回风余热，仅有风机耗能，因此其节能效果极为明显。矿井回风余热利用风风换热技术的难点在于通风量大、回风侧阻力损失要求不超过100 Pa、换热系数要求高。作者所在的技术团队经过技术攻关，成功开发出纯逆流高效风风换热塔，并已利用此技术对中国神华宁夏煤业集团枣泉、羊场湾、麦垛山、金凤和金家渠这5个矿进行了节能改造，并取得了良好的效果。中国神华宁夏煤业集团矿井回风余热利用风风换热系统现场图如图2所示。

图1 煤矿回风余热回收风风换热系统原理图

图2 中国神华宁夏煤业集团矿井回风余热利用风风换热系统现场图

风风换热技术作为煤矿回风余热用于井筒防冻的新技术，具有显著的节能效果。由于节能环保要求，各地加强了对燃煤、燃油锅炉的治理，分散式、低效率、高排放污染的燃煤、燃油锅炉被限制使用，各大煤矿企业都在逐步推进煤矿传统燃煤锅炉供热方式的改造工作。将风风换热技术与燃气锅炉供热方式井筒防冻的运行能耗费用进行对比，进一步对风风换热技术的经济性进行分析。风风换热技术的能耗成本只有风机电耗，燃气锅炉供热的能耗成本包括风机电耗和燃料成本。由于燃气锅炉供热用于井筒防冻时，通常将风温加热至40℃～60℃左右，在井口房再与室外冷风混合至2℃以上进入进风井，因此风机的实际送风量远小于进风量。燃煤、燃气锅炉加热方式时，根据项目经验每10万m3/h风量热风机的功耗约22 kW。天燃气热值取36 MJ/Nm3，燃气锅炉效率取0.95。

参照项目经验，10万m3/h的新风量，新风侧保持1000 Pa通风压力时，配置新风风机功耗约为40 kW。由此初步测算，防冻地区“风—风换热系统”经济性对比见表6。风风换热系统的总能耗仅为416660 kW，参考表5所示的总负荷5936824 kW，采用风风换热能耗约仅占总负荷的7%。若全国防冻地区煤矿采用风风换热系统进行井筒防冻，年总耗电量为10.68亿kWh，折合标煤为13.1万t，节省折合标煤为：192-13.1=178.9万t。

表6 防冻地区“风—风换热系统”经济性对比

续表

由表6可以看出，从能效比来看，系统最高能效比高达17.9。风风换热系统按每1000 kW换热量的投资成本为200万元估算，与燃气加热方式比较，全国大部分地区风风换热系统的投资回报期都在4 a时间内，安徽、江苏两地由于环境温度相对较高供暖时间短，投资回收时间较长，风风换热系统经济性不高。青海则由于天然气价格较低，投资回报期需5 a以上。但可以看出，全国大部分地区风风换热系统运行费用相比燃气加热方式降低十分明显，并且由于煤矿大多地处偏远，如果需要建设燃气管道其费用也非常高昂，因此作为目前煤矿供热改造方案，风风换热系统相比于燃气系统具有更高的经济性。

4 结论

本文对国内煤炭矿井分布进行了详细调研，对煤矿井筒防冻热负荷进行了统计和测算。按照省份来说，全国前十大产煤省份除贵州外，山西、内蒙、陕西、河南、山东、安徽、黑龙江、河北、宁夏地区的井工煤矿均需要采取井筒防冻措施。从数量上看防冻地区的煤矿占比46.86%，从产量上看，处于防冻地区的煤矿产量占比超过99%。国内煤矿井筒防冻年总能耗折合标煤192万t，占据煤矿能耗的主要部分。

本文将风风换热技术与燃气锅炉供热方式井筒防冻的运行能耗费用进行了详细对比，进一步对风风换热技术在全国各地煤矿的经济适用性进行了分析。结果表明，风风换热系统在全国大部分防冻地区系统能效比大于10，最高达17.9。与燃气加热方式比较，全国大部分地区风风换热系统的投资回收期都在4年时间内。

因此在我国当前能源结构发生调整、煤炭消费方式发生转变的大背景下，作为目前煤矿供热改造方案，风风换热系统具有良好的节能效果和非常好的经济效益，值得全国推广应用。