罗 申 国
(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)
1 煤矿供热负荷及供热介质参数
煤矿供热主要包括生产和行政福利建筑采暖热负荷、进风井井筒防冻热负荷和生活热水三部分，其中井筒防冻部分占50%以上，生活用热负荷一般在10%以下。生活用热负荷为全年性热负荷，采暖热负荷和井筒防冻热负荷为采暖季热负荷。
煤矿供热介质主要有热水、蒸汽、热风和导热油几种介质。供暖时，行政福利建筑供水温度不大于85 ℃，工业建筑热水供水温度不大于95 ℃；使用热泵时，热水供水温度不大于60 ℃。井筒防冻供热系统中，采用热水供热时，供水温度不小于75 ℃，严寒地区不小于95 ℃；采用热泵供热时，供水温度不小于50 ℃；采用蒸汽供暖时，压力不小于0.3 MPa。采用热泵机组供生活热水时，供水温度不小于50 ℃，浴池热水加热2 h，淋浴水加热3 h；直接换热时加热1 h；余热制备热水设贮热水箱(罐)，浴水加热3 h～5 h。
2 煤矿清洁能源供热方式及特点
替代燃煤锅炉的清洁能源供给技术主要有集中供热、空气压缩机和瓦斯电站余热、燃油燃气锅炉、瓦斯蓄热氧化装置、热泵、电加热和太阳能等，技术路线及特点如下：
1)集中供热：利用集中供热管网供热可靠，投资省，运行费用低，流程如图1所示。
2)余热：主要为空气压缩机组和内燃机瓦斯电站余热。空气压缩机运行过程中会散发大量的热量，由循环冷却水或润滑油带走，通过加装板式换热器可换取50 ℃～60 ℃洗浴热水，或利用水源热泵技术回收产生70 ℃～75 ℃热水，用于供暖。不同机型的空气压缩机组可回收的热量不同，但一般在65%以上。利用煤矿瓦斯通过内燃机发电过程中，只有约40%的能量转化为电能，其他能量排放到烟气和冷却水系统，以及机组本体表面辐射散热。以1.8 MW机组为例，输入能量中40%转化为电能，烟气34.4%，冷却水23.1%，辐射热2.5%。内燃机余热主要有烟气、高温冷却水和低温冷却水余热三部分，通过余热锅炉回收烟气余热可产生蒸汽或高温热水，用于发电或供热，通过板式换热器回收高温冷却水余热，换取60 ℃～85 ℃热水，用于供暖或洗浴热水；通过板式换热器换取低温冷却水余热可提供洗浴热水或利用水源热泵技术回收产生50 ℃～60 ℃热水，用于供暖。余热供暖稳定可靠，投资省，可优先考虑。
3)燃气(油)锅炉：利用井下抽采煤矿瓦斯、地面抽采管输煤层气、柴油、液化石油气等作为燃料。瓦斯浓度大于30%可直接燃烧，就近从抽放泵站接入，没有运输问题；煤层气、柴油和液化石油气通过汽车运输，需在锅炉房旁建设储罐储存，一次投资小，但燃料成本较高，且冬季雨雪天气燃料运输存在问题。
4)瓦斯蓄热氧化装置：因风排瓦斯存于矿井通风中，浓度较低，而抽放泵站之中存在低浓度瓦斯，二者都不能被直接利用，将其与矿井乏风或空气掺混至浓度1.0%，通过瓦斯蓄热氧化装置氧化，通过余热锅炉产生蒸汽或热风用于供热或井筒防冻。
5)热泵技术：煤矿主要有乏风、井下排水、洗浴废水、水环真空泵冷却水等低温热源可以回收利用。空气源热泵技术直接提取大气热量产生40 ℃～50 ℃热水，通过井筒空气加热机组送热风。矿井回风水源热泵技术是通过回风与水换热将热量传递至水中，再通过水源热泵提取热量产生40 ℃～45 ℃热水，用于冬季供暖和井筒防冻、夏季制冷、全年供应洗浴热水，效率高、阻力小、噪声小。矿井回风空气源热泵技术利用蒸发器直接换取乏风中的热能，取热后乏风温度可低至-10 ℃，能效比达3.7，与水源热泵相当，具有可自动冲洗、实现无缝滚动除霜、降低换热器风阻、提高传热效率、取热箱与热泵机房的间距可以达到400 m等优点。
6)电加热：红外线电加热管在电能的驱动下，可将空气加热，将电能转化为热能，后经风机将热风送到井口，用于井筒防冻。系统简单、投资省。
7)太阳能：太阳能供热具有节能环保、装置灵活、运行投资成本低等优点，但受季节性、天气影响较大，阴雨天无法满足太阳能蓄热需求，供热稳定性差；占地面积大，无法实现大规模集中供热。
3 三种常用供热方案比选
下面以某煤矿进风井井筒防冻供热为例，井筒进风井通风量7 300 m3/min，按室外极端最低平均温度-21.9 ℃加热至2 ℃，所需热负荷为4 250 kW，对电加热热风炉、矿井回风空气源热泵和空气源热泵三种方案进行技术经济比较。
3.1 红外线电加热供热方案
设计4台红外线电加热热风炉，每台热风炉的风量32 830 m3/h，风机功率22 kW，加热功率1 063 kW，单台总功率1 063+22=1 085 kW，用电设备8台，总用电负荷4 340 kW；设3台2 500 kVA厂变，2运1备，3回6 kV电源引入；设置3台6 kV高压开关柜，2运1备。单台热风炉长度5 000 mm，宽度2 500 mm，高度3 200 mm。土建只需做设备基础。采用计算机+智能仪表自动控制方式。
该方案总投资约721.31万元，包括土建、设备、安装、电源改造及其他费用。运行成本包括电费、折旧和摊销等费用，运行成本估算见表1。
表1 红外线电加热方案运行成本分析
3.2 矿井回风空气源热泵供热方案
矿井回风温度较低，经乏风取热箱后进入矿井回风热泵机组，矿井回风热泵利用此低温热源产生55 ℃/45 ℃热水，后通过板式换热器产生50 ℃/40 ℃防冻液，进入井口加热室矿井加热机组，与室外空气交换热量，将其加热后送入井口房内，再与室外空气混合至2 ℃以上后送到井下。工艺流程如图2所示。
回风井通风量为10 246 m3/min，排风温度10 ℃以上，相对湿度90%；按提取后乏风温度1 ℃、提取温差9 ℃计算，可提取的热量为3 648 kW，经乏风热泵机组(能效比3.7)转化后，可产生5 000 kW热量，能够满足极端最低温度(-21.9 ℃)选井筒防冻供热负荷需求。
安装5台矿井回风源热泵，单台制热能力860 kW，取热能力625 kW，最大功耗235 kW。单机配4台乏风取热箱，每台取热箱取热量156 kW，风量30 738 m3/h，进风10 ℃/90%，出风1 ℃/90%，共20台。选用煤矿专用防冻型高效热水盘管加热机组4台，单台加热量1 100 kW，风量67 500 m3/h，进风温度-21.9 ℃，出风温度20 ℃。选用2台2.2 MW板式换热器,2台一次循环泵KQL200/300-37/4，1用1备；2台二次循环泵KQL200/370-55/4，1用1备。风井新增用电负荷设备14台，设备安装容量1 421 kW，选用2台1 600 kVA厂变，1运1备，2回6 kV电源引入。土建包括乏风取热室建筑、井口加热室、设备基础等。
该方案总投资1 445.92万元，包括土建、设备、安装、电源改造及其他费用。运行成本包括水电费、工资、维修折旧和摊销等费用，运行成本估算如表2所示。
表2 矿井回风空气源热泵方案运行成本分析
3.3 空气源热泵供热方案
室外空气温度低，在空气源热泵机组中与水交换热量，产生45 ℃/40 ℃热水，热水经热水型双级矿井加热机组将空气加热至20 ℃，期间空气依次经过风机、空气加热器和电加热器，进入井口房，室外空气与其混合至2 ℃以上送入井下。考虑到空气源热泵能效随环境温度影响大(环境空气-15 ℃时，能效比2.5；-21.9 ℃时，能效比2.0)，装机功率大，本方案以空气源热泵为基峰热源，电辅助作为调峰热源的供热模式，根据工程经验电辅比例取30%。电加热在室外环境温度低于-15 ℃时开启。工艺流程如图3所示。
井筒防冻热负荷4 250 kW，电加热按30%、低温空气源热泵按70%计算，热泵承担负荷2 975 kW，电加热承担负荷1 275 kW。安装34套制热量(7 ℃)138 kW的低温空气源热泵，单台功耗43.4 kW，-15 ℃工况下制热量约为108 kW，-21.9 ℃工况下制热量约87 kW，热水温度40 ℃/45 ℃，循环水流量24 t/h，水阻损失5 m H2O。设计选用煤矿专用防爆组合式新风机组4台，单台供热量1 100 kW(含电加热319 kW)，加热系统总供热能力4 400 kW。一次循环泵KQL200/285-30/4(Z)，共3台，2用1备。风井新增用电负荷设备42台，设备安装容量2 924.8 kW，选用3台1 600 kVA厂变，2运1备，3回6 kV电源引入。
该方案总投资1 073.24万元，包括土建、设备、安装、电源改造及其他费用。运行成本主要包括水电费、工资、维修折旧和摊销等费用，运行成本估算如表3所示。
表3 空气源热泵方案运行成本分析
续表
红外线电加热炉、矿井回风空气源热泵和空气源热泵三种方案的技术经济指标对比如表4所示。
表4 三种方案技术经济指标对比
集中供热比较稳定可靠；回收空气压缩机和瓦斯电站余热投资较省、同时节约能源、属国家鼓励项目；燃瓦斯气锅炉或瓦斯蓄热氧化机组投资较少、运行成本低、变废为宝；变压器容量富余、热负荷不大、井筒防冻供热方式为热风炉的风井，可采用投资少、系统简单、运行可靠的红外线电加热炉方案；在变压器容量有限、有矿井回风和空闲场地的，可采用装机容量少、节省电能的矿井回风空气源热泵方案，无回风资源则可采用空气源热泵+电加热方案；阳光充足的地方太阳能可用于洗浴热水供热。
4 结语
通过上述比较，结合多个煤矿供热改造方案，每个煤矿都不尽相同，应针对各个煤矿供热负荷大小、距离和供热时间，核实不同供热热源大小、稳定性，对供热工况分析，方案拟定多种供热方案，进行技术经济比较，确定供热方案，并对主要设备参数选型，与燃料、供水、供电、管线敷设、土建厂房及选址、环保排放等相关专业密切配合，优化供热方案，设计出清洁环保、安全可靠、经济实用的供热系统。
