煤矿井筒供暖技术的研究进展

张涛(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯研究分院，重庆 400037)

0 引言

我国一次能源结构以煤炭为主导，拥有巨大的开采和消耗量。我国煤矿多分布在北方，其中大部分是井下开采，通风是矿井安全生产的重要环节，然而我国北方冬季气温低，大量冷风通过进风井筒输送至矿井巷道，当空气中的水分在井筒中凝结成冰，致使井筒堵塞，新鲜空气无法到达井底，造成严重安全事故，同时，进风温太低会造成井下生产环境恶劣，影响工人健康[1]。因此，我国北方矿井均设有井筒防冻供暖设施。

1 煤矿井筒防冻现状

以往矿井通常采用燃煤热风炉来加热新鲜空气并送入井筒的方式达到井筒防冻供暖的目的，但近年来，随着环保政策收紧，以往的燃煤供暖方式已不符合环保要求，尤其是自2016年7月1日起，10t/h及以下在用蒸汽锅炉和7MW及以下在用热水锅炉执行GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》，煤矿大部分燃煤热风炉需要进行环保改造，在增加投资的同时，还难以完全消除污染。因此，更多以清洁能源为热源的供暖技术逐渐被研发，煤矿井筒防冻技术正在加速变革。

2 新兴的井筒防冻技术

目前兴起的井筒防冻技术主要区别于热能来源，大致可分为利用电能、利用天燃气或煤层气、利用其他余热等几类。

2.1 利用电能供热

利用电能供热主要有传统的电阻或电磁锅炉和远红外热风炉，以及量子能供热机组。

电阻或电磁锅炉原理与常见的电阻或电磁加热器类似，利用电阻丝发热或电磁辐射加热空气，远红外热风炉的原理是利用远红外电热管将电能转化为热能加热空气，再将热空气送入井筒达到防冻目的[2]。这种技术优点在于系统简单，无污染；缺点是电能消耗大，运行成本极高，对于相对偏远的煤矿进风井筒可能需要重新敷设外部电路。

量子能供热机组的原理是利用电能加热特殊的量子液，使之保持在激活状态下，并合理吸收量子能量和运行速度，使量子液保持不断激活从而释放热量，利用释放的热量加热空气再送入进风井筒实现防冻目的。该技术已在北方冬季供暖中有所应用，优点在于无污染；缺点是管路系统较复杂，运行电耗较高。

2.2 利用天燃气或煤层气

天然气和煤层气是清洁能源，主要成分都是甲烷，其区别在于煤层气在开采过程中混入了一定量的空气，造成甲烷浓度(体积分数)没有天然气高，天然气中的甲烷浓度在90%以上，而不同煤层气中的甲烷浓度在1%～100%均有分布，甲烷浓度在30%以上的煤层气与天然气一样可以直接燃烧使用，而甲烷浓度在30%以下的煤层气按《煤矿安全规程》规定不能直接燃烧使用。因此，利用天然气或煤层气作为热源来进行井筒防冻技术可分为燃气锅炉、瓦斯锅炉(即高浓度煤层气锅炉)和低浓度煤层气蓄热氧化供暖技术。

燃气锅炉和瓦斯锅炉的原理是利用天然气或煤层气中的甲烷燃烧释放热量，从而加热空气并送入进风井筒实现防冻目的。该技术已成熟应用于民用供暖领域，优点在于技术成熟，系统相对简单，耗电量较小；缺点是针对燃气锅炉，一般煤矿井筒附近没有天然气管路，原料输送问题较大，而针对瓦斯锅炉，有氮氧化物排放超标的问题。

低浓度煤层气蓄热氧化供暖技术的原理是将低浓度煤层气与空气均匀混合至甲烷浓度为1%左右，通入蓄热氧化装置，甲烷在高温的蓄热氧化装置内发生氧化反应释放出热量形成高温烟气，这些高温烟气部分流经蓄热体进行蓄热以维持装置的自热平衡，将另一部分高温烟气取出经过气气换热器加热空气并将热空气送入进风井筒以达到防冻目的[3-5]。该技术是近期兴起的高新技术，充分实现了煤矿低浓度煤层气资源利用与井筒防冻需求的完美结合，其优点在于利用排空的低浓度煤层气变废为宝，减少甲烷排放污染的同时，该技术也实现了无污染排放，运行能耗和费用较低；缺点是初期投资较高，设备占地面积较大。

2.3 利用其他余热

利用其他余热的技术主要有瓦斯发电机组余热利用、空压机余热利用及空气源热泵技术。

瓦斯发电机组余热利用是利用瓦斯发电过程产生的高温烟气余热和套缸水余热来加热空气送入进风井筒实现防冻目的，瓦斯发电是比较成熟的低浓度瓦斯利用技术，在发电机组运行的过程中会产生近600℃的高温烟气和热水，采用换热器将其中的热量取出加热空气可以实现变废为宝。该技术的优点在于技术成熟，安全可靠，无污染，投资和运行成本较低；缺点是进风井筒需要临近瓦斯抽采泵站且建有瓦斯发电系统。

空压机余热利用是用水、空气等介质将空压机运行过程产生的排放热量取出并收集，来加热空气送入进风井筒实现防冻目的。该技术优点在于无污染，投资低，电耗少，系统简单；缺点是进风井筒附近需建设有较大的空压系统。

空气源热泵技术是利用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能再经换热器加热空气并送入进风井筒实现防冻目的[6]。该技术有无污染和无需依附其他产热设备的优点；但存在环境温度越低，能效比越低的缺点，较难适应北方冬季寒冷天气。

综合以上技术来看，各类技术各有优势。利用电能供热技术都能实现无污染，而且系统简单，但普遍存在电耗较高问题，而且煤矿井筒进风量一般较大，所需的井筒防冻负荷基本都在5000kW以上，利用电能供热运行成本较高；利用天然气和较高浓度的煤层气供热技术成熟，运行成本较低，但消耗了优质能源，且不能完全实现污染零排放；利用低浓度煤层气蓄热氧化技术供热，虽然初期系统投资较大，但实现了变废为宝，节能减排，符合当下环保要求；利用其他余热技术，所需配套设施较多，能否满足和匹配防冻负荷需求需要重点考察。

3 应用情况

为了解决煤矿井筒防冻和环境污染问题，众多新兴技术的研发和应用都取得了较好的效果，这些技术即可单独使用，也可联合使用。利用电能供热技术成熟完善，煤矿常常将其作为其他防冻方式的补充使用。

2020年，陕西省榆林市榆树湾煤矿建成投产了2台中正SZS燃气锅炉和1台WNS燃气锅炉，用以解决煤矿冬季井筒防冻和建筑供暖，经检测锅炉尾气中氮氧化物14～17mg/m3，低于30mg/m3的环保标准，减少燃煤8000t/a。

2017年，山西省阳泉市阳煤五矿小南庄瓦斯泵站建成了一套低浓度煤层气蓄热氧化井筒加热装置，系统处理量60000m3/h，供热能力近5000kW，减排瓦斯2.6×106m3/a，相当于减排3.6×104t二氧化碳；2018年，山西省阳泉市阳煤一矿杨坡堰瓦斯泵站工业广场建成一套处理量160000m3/h，供热能力近11000kW的低浓度煤层气蓄热氧化利用装置，成功解决了井筒防冻和建筑供暖问题。

2018年，山西省蒲县华胜煤业有限公司建成投产了23台空气源热泵机组，并辅助配备电加热锅炉解决了井筒防冻问题。

在实际应用过程中，由于不同技术所需的配套环境、技术、设备不同，投资及运行成本不同，需要根据不同煤矿进风井筒的场地和环境特点选择合适的工艺技术。

4 工艺优化改进方向

这些新兴的煤矿井筒防冻供暖技术虽然有大规模铺开应用之势，但各项技术均有不同程度的缺陷，企业科研和开发以及煤矿应用人员还应加大攻关力度，不断优化改进，使之更好为煤矿服务，为环保服务。

例如，针对电阻或电磁炉、远红外热风炉供热技术能耗高的缺点，可以加大更高效率的电能向热能转化设备的研发；针对瓦斯锅炉氮氧化物排放超标问题，可以从优化锅炉结构入手降低反应的停留时间，或者在原料瓦斯气中增加助燃剂等方式，提高瓦斯气的氧化率以提高装置效率[7]；针对低浓度煤层气蓄热氧化供暖技术设备投资高、占地大的缺点，可以从研发小型撬装集成化设备、研究提高原料气进气甲烷浓度等入手，减小设备占地面积，减少设备投资；针对余热利用技术需要依附其他设备设施的特点，在新建矿井时，可以综合考虑进风井筒附近资源，匹配建立瓦斯发电机组和空气源热泵机组。

5 结语

目前，随着环保力度加大，北方各个煤矿对以往的燃煤热风炉的改造和替代正在加速开展，各项新兴的井筒防冻供暖技术也在积极研究和优化。在实施过程中，应以井筒防冻供暖需求结果为导向，优先考虑无污染或少污染的工艺技术，再依据实施地环境、资源及现有配套设施，选择能耗和运行成本较小的技术方案，真正实现节能减排，保护环境的终极目标。