浅谈煤矿新能源在井筒防冻的应用

胡文青 山西文龙中美环能科技股份有限公司

1 项目背景

根据《国务院关于印发节能减排“十三五”规划的通知》，推动能源结构优化。加强煤炭安全绿色开发和清洁高效利用，推广使用优质煤、洁净型煤，推进煤改气、煤改电，鼓励利用可再生能源、天然气、电力等优质能源替代燃煤使用。因地制宜发展海岛太阳能、海上风能、潮汐能、波浪能等可再生能源。到2020年，煤炭占能源消费总量比重下降到58%以下，电煤占煤炭消费量比重提高到55%以上，非化石能源占能源消费总量比重达到15%，天然气消费比重提高到10%左右。

煤矿作为一次能源产出大户，也是耗能大户，用于解决工业场地建筑物采暖、井筒防冻、全年职工洗浴用热的耗热量数值非常大，而同时煤矿也蕴含大量可再生能源，其中包括浅层地下水、生活污水、矿井中水、矿井总回风等低品位热能，以及空压机，洗浴水废热等余热资源，其潜力大，环境污染低，可持续利用，是有利于人与自然和谐发展的重要能源。采用换热技术或热泵技术充分回收矿井废热资源的新能源系统用于解决建筑采暖、井筒防冻以及洗浴技术成熟，节能显著，经济效益明显，环保效益突出，是利国利民的一项举措。是被录入《国家重点节能低碳技术推广目录》。

为防止冬季井筒及提升设备结冰，保证矿井安全生产，对井筒进风采取加热措施。根据GB50215—2015《煤炭工业矿井设计规范》，供暖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、排水沟或排水管时，应设置空气加热设备。进风井井筒防冻作为保障生产的重要环节，在新能源供热系统作为主要热源下持续稳定运行显得尤为重要。

2 供热方式

从煤矿开拓方式来讲，进风井包括以下三种形式：立井、斜井、平硐。从进风井功能划分可分为：专用进风井、行人斜井、兼有提升输料功能的斜（立）井。从热风送入地点可分为：有井口房的和无井口房两种形式。加热后新风送入进口房混风或直接进入井筒混风，达到混风温度≥2℃，从而满足井筒防冻要求。

由于煤矿废热资源普遍存在热源温度低情况，故以此为热源供热温度均偏低，考虑经济性，一般通过热泵供热时为50/40℃，通过空气加热机组加热后达到10℃～25℃后，送入井口房，与冷风掺混，达到2℃及以上，送入井筒。

3 空气加热机组结构形式

空气加热机组主要包括四部分：过滤器、换热器、风机（选配）、机组框架面板。

图1 空气加热机组结构简图

3.1 过滤器

机组过滤器采用双层锦纶凸网+不锈钢框架，后侧拆卸，初始阻力＜50Pa，终阻力＜100Pa。

3.2 换热器

换热器按热源温度50℃，回水温度40℃设计。采用铜管串铝翅片，机组配套防冻流程热交换器，铜管串铝片双翻边结构，机械胀管，刚性好，热交换效率高，风阻和水阻力小。磷脱氧紫铜管φ9.52，管壁厚为1.1mm，翅片厚度为0.213mm。初始风阻＜50Pa，最大风阻＜150Pa，翅片间距3mm。采用超亲水铝箔防腐材料。常规气密检测压力为2.0MPa，运行最大工作压力为1.6MPa。

3.3 风机

根据项目实际情况，选用地面防爆型或煤安等级的风机。

3.4 机组框架面板

采用模块式框架结构，优质铝合金为原材料，框梁是由特制的轧制设备轧制而成的闭口型铝型材，截面形状为矩形，型材内部充注阻燃高压发泡聚氨酯保温材料，箱板内外层为彩钢板，且外面采用覆膜防护，因此其耐折性、耐候性好，抗腐蚀、耐酸、碱、盐，15年不褪色；内部为阻燃型高密度聚氨酯高压发泡保温材料，有良好的隔声、阻燃、防潮效果，厚度不小于30mm，壁板导热系数λ≤0.024kcal/（m·h·K），容重≥45kg/m3，热阻为2.1(m2·K)/W，并能提供检测报告，具备较高强度和钢度以及隔热性能，大大提高了机组外壳的刚度，箱体相对变形量在1000Pa时每米长度≤10mm。箱体内贴消音棉，噪声＜75dB（A）。

该空气加热机组有如下特点：

（1）采用风机强制对流方式，风量大，换热效率高。

（2）有消音装置，噪声不超过75dB。

（3）带除尘过滤功能，可拆卸式过滤网定期清洗，保证进入干净空气。

4 低温工况下空气加热机组及系统设计

4.1 低温工况下空气加热机组设计

矿用空气加热机组是实现井筒防冻的主要设备，其构成主要包括：过滤段、换热段、风机段。

过滤段作为新风流经的第一道屏障，起到过滤新风的作用。一般矿井空气加热室设置于井口房附近，或直接与井口房联建，周围空气粉尘高，在运行过程会堵塞过滤网，使得进风侧风阻增大，流经换热器风速降低，所以在实际使用过程要注意观察过滤网积灰情况，及时清理。

换热段，可以由多组换热器构成，其通过低温水加热新风（冷风），使之达到10℃～25℃。由于热源温度低，采用常规的钢制换热器传热系数低，同等换热量的情况下，换热面积大，金属耗量大，安装台数多，对于井口房及其周边用地紧张情况下显然是行不通的。而在同等条件下，铜的传热系数是钢的换热系数的两倍多，故一般低温型空气加热机组采用铜铝翅片结构形式，且考虑事故状态快速切断水路、排水要求，设计采用竖管型，行业称之为防冻型。

空气加热机组是否配套风机要结合实际情况配置，当可利用矿井通风机提供热风流通动力时，可不设风机，否则需配置轴流或离心风机作为动力源。离心风机设于空气加热器后端，轴流风机设于空气加热器前端，但要注意轴流风机同空气加热器之间距离要满足新风扩散需求，一般讲二者之间的净距不少于600mm，且采用风机墙形式，使流经换热器表面新风均匀。否则新风直接冲刷换热器表面，尤其是前两排换热管，致使局部风速过高，耗热量过大，从而发送换热管冻裂事故。一般设计流经换热器表面风速不得超过4m/s。

矿用空气加热机组配套风机需根据所使用环境不同采用防爆（或煤安）型或普通型，根据《煤炭安全规程》相关规定，井口房20m范围之内不得有明火，为了加强对电气设备的安全监管，许多煤企要求在井口房20m范围内使用防爆甚至带有煤安标志的风机。

4.2 低温工况下空气加热系统设计要点

空气加热机组风量计算要以送风温度和室外设计新风温度二者温差作为设计值，其中换热器出口热风温度要满足以下要求：吸入式送风至井口房，出风温度为10℃～20℃，压入式送入井口房，出风温度为20℃～25℃。风压不大于50Pa。设计时要充分考虑海拔高度和温度对空气密度的影响，计算时要进行修正。入井空气比热容和密度取2℃对应的，同时风量要考虑1.1的修正系数，选用风机时扬程要考虑1.2修正系数。

无风机系统设计时为了确保空气流经换热器表面速度不超过4m/s，进风侧设计进风室，安装百叶窗。百叶窗下缘距室外地面宜为1.2m～1.5m，且需要适当采取秋冬季节落叶等杂物对进风口堵塞的措施。同时为了防止井口房大门打开后，新风直接吹至换热器后面排管，引起换热管冻裂，需采取以下措施。（1）及时关闭大门；（2）在大门外安装门斗，门斗向外开启的门方向要结合当地季风风向和大门方向确定，应避开季风方向且不同于大门的方向。

系统设计多台空气加热机组供热时，要确保中间间隙密闭，防止冷风短路。

基于煤矿安全生产考虑，将地面与井下分割为两个防火分区，此外根据GB/T50466—2018《煤炭工业供热通风与空气调节设计标准》规定，空气加热系统热风道穿越隔墙和楼板处，应设置公称动作温度为70℃的防火阀。当空气加热机组出口直接面向井口房，机组出风口要设置必要的防护网，以免人员对翅片造成挤压变形，从而影响送风风道。

5 使用中存在问题及解决方案

在实际运行过程中，空气加热机组铜管冻裂情况时有发生，究其原因主要包括以下几个。

（1）局部集气，水流通不畅，热量小，管壁冻裂；

（2）铜管内有杂质，导致管道截面小，热源少，管壁冻裂；

（3）室外冷风温度低于设计值，热源不足，热量小，管壁冻裂。

针对上述问题，我们在反复的实践运行中总结出一套可操作的经验，既用于空气加热器冻裂的应急处理，同时又提出在空气加热机组结构设计中优化方案。

（1）换热器前一排或两排换热管采用钢铝翅片，以此作为预热器，避免室外空气温度过低造成换热器冻管情况发生。

（2）采用乙二醇溶液作为循环媒介，乙二醇溶液浓度可根据项目所属区域室外气温情况确定。

（3）有风机送风的空气加热机组，要进行联控设计，当回水温度低于一定温度后，迅速停止运行风机，可有效避免强制换热对换热器换热量的影响。

（4）换热器进水管安装排气阀，出水管安排泄水阀。当换热器排水时，需同时打开排气阀和泄水阀。排气阀建议建议采用不少于DN20的球阀。

除此之外，为了避免空气加热机组运行中存在各类问题，进水管按照必要的过滤器，多组换热器各分支均需安装进出水关断阀等，当单片换热器出现冻管情况下，可以通过切断阀门，防止冻裂事故影响扩大。同时空气加热系统总进水管需按照流量监测和温度检测设施，当系统停止运行或供水温度低于莫设定值时，需联动关掉风机，甚至根据事故原因及时排空换热器内水及关闭机组进风。

6 结束语

综上所述，新型的煤矿用空气加热机组在各类低温工况下可稳定可靠运行，扩宽了新能源热源使用范围，值得全面推广。