左 強(qiáng) 李 康 陳建剛 邢子文 梅 毅 張金權(quán) 李 軍

(1. 大連冷凍機(jī)股份有限公司，遼寧省大連市，116630；2. 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西省西安市，710049；3. 武漢新世界制冷工業(yè)有限公司，湖北省武漢市，430023；4. 西安琦通新能源設(shè)備有限公司，陜西省西安市，710077)

由于先天資源稟賦原因，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。2016年我國原煤產(chǎn)量為34.11億t，約占全球煤炭產(chǎn)量的45.7%。2017年我國能源消費(fèi)總量為44.9億t標(biāo)煤，煤炭消費(fèi)占總量的60.4%。隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出和節(jié)能、環(huán)保力度的不斷加大，煤炭在我國能源消費(fèi)總量中的占比出現(xiàn)了逐年降低的現(xiàn)象，但煤炭作為國內(nèi)能源首要組成部分的地位始終不變。

然而我國煤炭礦井絕大部分分布在北方寒冷地區(qū)，煤炭開采本身就是高能耗作業(yè)，通常有大量煤炭直接燃燒用于礦井井筒防凍、供暖以及生活熱水等，特別是井筒防凍，能耗通常占到礦區(qū)總能耗的40%以上。近年來，隨著我國節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不斷推進(jìn)，煤炭的消費(fèi)方式也正在發(fā)生重大改變，分散式的小型燃煤鍋爐被限制使用，煤礦傳統(tǒng)的燃煤加熱方式也正面臨全面改造。但另一方面，隨著煤礦開采深度的增加，煤炭礦井也存在大量的低溫余熱資源沒有得到有效利用，尤其是煤礦回風(fēng)，其含濕量接近100%，風(fēng)量穩(wěn)定，溫度一般在18℃～28℃，幾乎不受季節(jié)變化的影響。在冬季，煤礦回風(fēng)余熱可作為優(yōu)質(zhì)熱源用于井筒防凍。

1 我國煤礦分布及井筒防凍需求統(tǒng)計(jì)

國務(wù)院在2014年發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃 (2014-2020年)》(國辦發(fā)〔2014〕31號)(以下簡稱《行動計(jì)劃》)中確定，將重點(diǎn)建設(shè)晉北、晉中、晉東、神東、陜北、黃隴、寧東、魯西、兩淮、云貴、冀中、河南、內(nèi)蒙古東部、新疆14個億噸級大型煤炭基地。14個煤炭基地礦區(qū)及儲量信息見表1。

由表1可以看出，2013年14個大型煤炭基地產(chǎn)量33.6億t，占全國總產(chǎn)量的91%。《行動計(jì)劃》明確，到2020年基地產(chǎn)量占全國的95%。除云貴基地外，其余基地均分布于長江以北地區(qū)。

表1 14個煤炭基地礦區(qū)及儲量信息

井筒防凍是指通過人工供暖確保礦井新風(fēng)進(jìn)口的新風(fēng)溫度大于2℃，避免井口結(jié)冰。因?yàn)榫谝坏┙Y(jié)冰將存在冰塊墜落礦井的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危害井下作業(yè)人員和設(shè)備安全，并且井口結(jié)冰會減少通風(fēng)有效截面，造成通風(fēng)量不足，破壞礦井通風(fēng)循環(huán)，同樣危害井下作業(yè)人員安全?！睹禾抗I(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50215—2015)中規(guī)定：當(dāng)采室外計(jì)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、排水管和排水溝時，應(yīng)設(shè)置空氣加熱設(shè)備。

因此統(tǒng)計(jì)各礦區(qū)的氣候溫度特征是論證井筒是否需要防凍的必要條件，本文針對我國14個煤炭基地選取代表地區(qū)及代表煤礦，對其氣候及霜凍期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。各煤炭基地氣候條件統(tǒng)計(jì)見表2，各煤炭基地霜凍期統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 各煤炭基地氣候條件統(tǒng)計(jì) ℃

表3 各煤炭基地霜凍期統(tǒng)計(jì)

由表3可以看出，緯度最低的云貴基地全年幾乎無霜凍，河南基地和兩淮基地的霜凍期約3個月時間，其他基地的霜凍期較長，個別地區(qū)甚至超過6個月。

將緯度為31.7的兩淮基地作為分界點(diǎn)，低緯度地區(qū)礦井認(rèn)為無需防凍，高緯度地區(qū)需要防凍。按照省份來說，全國前十大產(chǎn)煤省份除貴州外，山西、內(nèi)蒙、陜西、河南、山東、安徽、黑龍江、河北和寧夏地區(qū)的井工煤礦均需要采取井筒防凍措施。2016年各地區(qū)煤礦數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表4，總計(jì)5674處，其中位于防凍地區(qū)的煤礦2659處，煤礦年產(chǎn)量合計(jì)334216萬t。從數(shù)量上看防凍地區(qū)的煤礦占比為46.86%。2016年我國煤炭產(chǎn)量為33.64億t，從產(chǎn)量上看，處于防凍地區(qū)的煤礦產(chǎn)量占比超過99%。

表4 2016年各地區(qū)煤礦數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2 我國煤礦井筒防凍熱負(fù)荷核算

由于沒有準(zhǔn)確的各省煤礦礦井的通風(fēng)量數(shù)據(jù)，參考其他文獻(xiàn)可知，2014年我國原煤產(chǎn)量為38.74億t，礦井回風(fēng)量約為326799 m3/s。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，為了對我國煤礦井筒防凍熱負(fù)荷做初步核算，做了兩點(diǎn)近似假設(shè)：一是新風(fēng)量與回風(fēng)量相等；二是礦井產(chǎn)煤量與通風(fēng)量成比例?；诖?，核算出處于防凍地區(qū)各省煤礦總新風(fēng)量，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，進(jìn)而核算出我國總的煤礦井筒防凍熱負(fù)荷。

根據(jù)需要防凍措施的地區(qū)煤產(chǎn)量估算各個基地的總通風(fēng)量，分地區(qū)統(tǒng)計(jì)環(huán)境溫度信息，計(jì)算加熱溫差△T，根據(jù)霜凍期估算總耗熱量換算成標(biāo)煤。

熱量計(jì)算公式為見式(1)：

Q=C·m·△T

(1)

式中：C——空氣比熱，取值1.0 kJ/kg·K；

m——空氣質(zhì)量，kg；

△T——溫差，按照通風(fēng)空氣從環(huán)境溫度T加熱至2℃溫差計(jì)算，△T=2-T。

環(huán)境溫度及全年防凍時間根據(jù)各地氣候信息及霜凍期信息統(tǒng)計(jì)。取空氣密度為1.29 kg/m3，標(biāo)煤熱值為29300 kJ/kg，根據(jù)2016年產(chǎn)量數(shù)據(jù)各地區(qū)煤礦井筒防凍能耗計(jì)算見表5。

表5 根據(jù)2016年產(chǎn)量數(shù)據(jù)各地區(qū)煤礦井筒防凍能耗計(jì)算

由表5可以看出，需要井筒防凍的地區(qū)煤炭年總產(chǎn)量為33.42億t，計(jì)算總通風(fēng)量為308771 m3/s，計(jì)算總熱負(fù)荷為5936824.46 kW，計(jì)算總能耗折合標(biāo)煤約為192萬t。

3 煤礦回風(fēng)余熱利用風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)是直接利用礦井高含濕回風(fēng)與室外冷空氣換熱用于進(jìn)風(fēng)口井筒防凍的新技術(shù)，煤礦回風(fēng)余熱回收風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，室外新鮮空氣通過間壁式熱交換器與礦井回風(fēng)直接進(jìn)行熱交換，通過風(fēng)道將換熱后的新風(fēng)直接送入進(jìn)風(fēng)井，該系統(tǒng)適用于進(jìn)出風(fēng)井之間距離較近的礦井。

風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)充分利用礦井回風(fēng)余熱，僅有風(fēng)機(jī)耗能，因此其節(jié)能效果極為明顯。礦井回風(fēng)余熱利用風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)的難點(diǎn)在于通風(fēng)量大、回風(fēng)側(cè)阻力損失要求不超過100 Pa、換熱系數(shù)要求高。作者所在的技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，成功開發(fā)出純逆流高效風(fēng)風(fēng)換熱塔，并已利用此技術(shù)對中國神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)棗泉、羊場灣、麥垛山、金鳳和金家渠這5個礦進(jìn)行了節(jié)能改造，并取得了良好的效果。中國神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)礦井回風(fēng)余熱利用風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖1 煤礦回風(fēng)余熱回收風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)原理圖

圖2 中國神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)礦井回風(fēng)余熱利用風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)現(xiàn)場圖

風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)作為煤礦回風(fēng)余熱用于井筒防凍的新技術(shù)，具有顯著的節(jié)能效果。由于節(jié)能環(huán)保要求，各地加強(qiáng)了對燃煤、燃油鍋爐的治理，分散式、低效率、高排放污染的燃煤、燃油鍋爐被限制使用，各大煤礦企業(yè)都在逐步推進(jìn)煤礦傳統(tǒng)燃煤鍋爐供熱方式的改造工作。將風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)與燃?xì)忮仩t供熱方式井筒防凍的運(yùn)行能耗費(fèi)用進(jìn)行對比，進(jìn)一步對風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)的能耗成本只有風(fēng)機(jī)電耗，燃?xì)忮仩t供熱的能耗成本包括風(fēng)機(jī)電耗和燃料成本。由于燃?xì)忮仩t供熱用于井筒防凍時，通常將風(fēng)溫加熱至40℃～60℃左右，在井口房再與室外冷風(fēng)混合至2℃以上進(jìn)入進(jìn)風(fēng)井，因此風(fēng)機(jī)的實(shí)際送風(fēng)量遠(yuǎn)小于進(jìn)風(fēng)量。燃煤、燃?xì)忮仩t加熱方式時，根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)每10萬m3/h風(fēng)量熱風(fēng)機(jī)的功耗約22 kW。天燃?xì)鉄嶂等?6 MJ/Nm3，燃?xì)忮仩t效率取0.95。

參照項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，10萬m3/h的新風(fēng)量，新風(fēng)側(cè)保持1000 Pa通風(fēng)壓力時，配置新風(fēng)風(fēng)機(jī)功耗約為40 kW。由此初步測算，防凍地區(qū)“風(fēng)—風(fēng)換熱系統(tǒng)”經(jīng)濟(jì)性對比見表6。風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)的總能耗僅為416660 kW，參考表5所示的總負(fù)荷5936824 kW，采用風(fēng)風(fēng)換熱能耗約僅占總負(fù)荷的7%。若全國防凍地區(qū)煤礦采用風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)進(jìn)行井筒防凍，年總耗電量為10.68億kWh，折合標(biāo)煤為13.1萬t，節(jié)省折合標(biāo)煤為：192-13.1=178.9萬t。

表6 防凍地區(qū)“風(fēng)—風(fēng)換熱系統(tǒng)”經(jīng)濟(jì)性對比

續(xù)表

由表6可以看出，從能效比來看，系統(tǒng)最高能效比高達(dá)17.9。風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)按每1000 kW換熱量的投資成本為200萬元估算，與燃?xì)饧訜岱绞奖容^，全國大部分地區(qū)風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)的投資回報(bào)期都在4 a時間內(nèi)，安徽、江蘇兩地由于環(huán)境溫度相對較高供暖時間短，投資回收時間較長，風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性不高。青海則由于天然氣價(jià)格較低，投資回報(bào)期需5 a以上。但可以看出，全國大部分地區(qū)風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相比燃?xì)饧訜岱绞浇档褪置黠@，并且由于煤礦大多地處偏遠(yuǎn)，如果需要建設(shè)燃?xì)夤艿榔滟M(fèi)用也非常高昂，因此作為目前煤礦供熱改造方案，風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)相比于燃?xì)庀到y(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文對國內(nèi)煤炭礦井分布進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，對煤礦井筒防凍熱負(fù)荷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和測算。按照省份來說，全國前十大產(chǎn)煤省份除貴州外，山西、內(nèi)蒙、陜西、河南、山東、安徽、黑龍江、河北、寧夏地區(qū)的井工煤礦均需要采取井筒防凍措施。從數(shù)量上看防凍地區(qū)的煤礦占比46.86%，從產(chǎn)量上看，處于防凍地區(qū)的煤礦產(chǎn)量占比超過99%。國內(nèi)煤礦井筒防凍年總能耗折合標(biāo)煤192萬t，占據(jù)煤礦能耗的主要部分。

本文將風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)與燃?xì)忮仩t供熱方式井筒防凍的運(yùn)行能耗費(fèi)用進(jìn)行了詳細(xì)對比，進(jìn)一步對風(fēng)風(fēng)換熱技術(shù)在全國各地煤礦的經(jīng)濟(jì)適用性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)在全國大部分防凍地區(qū)系統(tǒng)能效比大于10，最高達(dá)17.9。與燃?xì)饧訜岱绞奖容^，全國大部分地區(qū)風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)的投資回收期都在4年時間內(nèi)。

因此在我國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整、煤炭消費(fèi)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變的大背景下，作為目前煤礦供熱改造方案，風(fēng)風(fēng)換熱系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果和非常好的經(jīng)濟(jì)效益，值得全國推廣應(yīng)用。