遠(yuǎn)紅外線熱風(fēng)爐在煤礦井筒保溫中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李將武，劉效林，溫建東

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 三聚盛煤業(yè)有限公司， 山西 婁煩 030300； 2.山西焦煤集團(tuán)公司 技術(shù)中心， 山西 太原 030024)

為保障井下運(yùn)輸機(jī)、礦車和輸送水管路正常運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)設(shè)備正常潤滑，改善井下作業(yè)人員的工作條件，《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定：進(jìn)風(fēng)井口以下的空氣溫度必須在2 ℃以上，以防止冬季井筒結(jié)冰，造成采礦設(shè)備與設(shè)施的不安全狀態(tài)，影響礦井的冬季安全生產(chǎn)。因此，北方地區(qū)煤礦必須對(duì)主、副斜井井筒進(jìn)行保溫處理[1].

傳統(tǒng)的井筒保溫采用燃煤鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽，或熱水加熱管道，或燃煤熱風(fēng)爐產(chǎn)生熱風(fēng)，再由鼓風(fēng)機(jī)吹入井筒等方式進(jìn)行供熱。采用燃煤熱風(fēng)爐，能源消耗大，熱效率利用低，特別是有害煙塵粉塵大，加重了礦區(qū)冬季的霧霾現(xiàn)象。近年來，國家治理污染力度越來越大，提出了“建設(shè)綠色礦山”、 “出煤不燒煤”等環(huán)保新理念，還有的省份劃出了禁用燃煤鍋爐采暖的區(qū)域。圍繞替代煤炭的冬季井筒供暖熱源問題，許多煤礦結(jié)合各自實(shí)際，開展了積極探索。山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三聚盛煤業(yè)有限公司開展了井筒遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐供暖項(xiàng)目研究。

1 工程概況

三聚盛煤業(yè)有限公司為兼并重組整合礦，井田位于婁煩縣城北10 km處的新莊村西，行政區(qū)劃隸屬靜游鎮(zhèn)，井田面積為3.445 5 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬t/a. 當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示，該礦區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，氣候干燥。冬季長而寒冷，每年10月底結(jié)冰，次年3月底解凍，全年冰凍期160天以上，歷史記錄極端最低氣溫-30.5 ℃，最近二十年冬季極端最低溫度平均值-21.4 ℃，冬季室外平均風(fēng)速2.9 m/s.

三聚盛煤礦3條進(jìn)風(fēng)井筒為斜井開拓，分別為主斜井、副斜井及行人斜井，擔(dān)負(fù)全礦煤炭、材料和設(shè)備、人員的運(yùn)輸，同時(shí)兼具著進(jìn)風(fēng)作用，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為13.5年。3條進(jìn)風(fēng)斜井均為半圓拱斷面，其中，主斜井?dāng)嗝娣e14.25 m2，斜長335 m，寬度4.5 m；副斜井?dāng)嗝娣e10.06 m2，斜長285 m，寬度3.5 m；行人斜井?dāng)嗝娣e7 m2，斜長310 m，寬度2.8 m.

各井筒進(jìn)風(fēng)量分別為主井風(fēng)量22 m3/s、副井風(fēng)量28 m3/s、行人井風(fēng)量17 m3/s.

設(shè)計(jì)的基本原則：保障主斜井、副斜井及行人斜井3條進(jìn)風(fēng)井筒在極端低溫條件下，滿足井口溫度不低于2 ℃的要求；符合節(jié)能環(huán)保、建設(shè)綠色礦山發(fā)展思路；投資建設(shè)成本低，智能化運(yùn)行程度高。

2 遠(yuǎn)紅外線加熱基本原理

2.1 熱傳遞的3種方式

熱傳遞是指由于溫度差引起的熱能傳遞現(xiàn)象。熱傳遞主要存在3種基本形式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是物體之間直接接觸,熱能直接通過原子振動(dòng),由高溫處傳遞到低溫處。熱對(duì)流是物體之間以流體或氣體為介質(zhì),利用介質(zhì)流動(dòng)的特性,傳遞熱能。熱輻射是物體之間利用放射和吸收彼此的紅外線傳遞熱能,而不必有任何介質(zhì)。

2.2 遠(yuǎn)紅外線熱能的傳遞

紅光外側(cè)的光線，在光譜中波長為0.75～1 000 μm的一段被稱為紅外線，見圖1. 距離紅光光譜4 μm以上的紅外線成為遠(yuǎn)紅外線，遠(yuǎn)紅外線的傳熱形式是輻射傳熱，在遠(yuǎn)紅外線照射到被加熱的物體時(shí)，一部分射線被反射回來，一部分被穿透過去。當(dāng)發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線波長和被加熱物體的吸收波長一致時(shí)，被加熱的物體大量吸收遠(yuǎn)紅外線。這時(shí)，物體內(nèi)部分子和原子發(fā)生“共振”—產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，而振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)使物體溫度升高，達(dá)到了加熱的目的。

圖1 遠(yuǎn)紅外線光譜圖

2.3 遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐輻射加熱技術(shù)特征

遠(yuǎn)紅外輻射電熱管又稱遠(yuǎn)紅外加熱管，以耐高溫稀有金屬制成絲狀輻射體，經(jīng)特殊工藝?yán)@制后，封閉在特種透明石英玻殼內(nèi)，再經(jīng)抽真空并充以惰性混合氣體制成。電流在通過加熱管的加熱絲時(shí)，加熱管會(huì)產(chǎn)生一定波長的紅外線，當(dāng)紅外線被爐腔內(nèi)空氣吸收時(shí)，空氣即被加熱，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐正是利用這一特性來加熱空氣。遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐加熱管表面溫度為800～1 000 ℃，主要以輻射的形式直接加熱空氣內(nèi)部的分子原子，不需要借助“水”或其它導(dǎo)熱媒介，不存在傳統(tǒng)鍋爐的熱轉(zhuǎn)換損失，因而具有運(yùn)行損耗低、熱慣性小、無廢氣廢渣的特征[2].

從以上技術(shù)特征可以看出，遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)熱轉(zhuǎn)化損失小、傳遞效率高，實(shí)踐中合格產(chǎn)品能效比普遍可以達(dá)到0.95以上，理論上可以無限接近于1.0. 一些非專業(yè)人士宣稱遠(yuǎn)紅外加熱能效比COP 達(dá)到2.8或3.5都是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫`背熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律[3].

3 遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐井筒保溫?zé)嶝?fù)荷功率計(jì)算要點(diǎn)

為了合理選擇和確定井筒保溫系統(tǒng)中的空氣加熱設(shè)備、配套熱風(fēng)輸送設(shè)備、相關(guān)管路參數(shù)及配套電氣設(shè)備，需要根據(jù)每一條井筒的進(jìn)風(fēng)量和當(dāng)?shù)囟練庀筚Y料，按照滿足極端氣候條件下的井筒保溫需求，對(duì)每一條進(jìn)風(fēng)巷的熱能需求分別進(jìn)行計(jì)算，得出的負(fù)荷稱為計(jì)算負(fù)荷。

計(jì)算負(fù)荷的合理性，直接關(guān)系到各類設(shè)備選擇的合理性。如果計(jì)算負(fù)荷確定過大，就會(huì)增加設(shè)備投資,造成浪費(fèi)；如果計(jì)算負(fù)荷確定過小，造成加熱設(shè)備和熱輸送能力不足，加熱系統(tǒng)處于長期過負(fù)荷狀態(tài)，系統(tǒng)使用壽命縮短，極端條件下不能滿足規(guī)程要求和保溫需求，影響礦井冬季的安全生產(chǎn)。因此，井筒保溫?zé)嶝?fù)荷計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

3.1 熱需求負(fù)荷計(jì)算條件

根據(jù)井筒保溫?zé)嶝?fù)荷計(jì)算公式：

Q=ρ×K1×G×C×(t2-t1)

(1)

式中：

Q—熱負(fù)荷功率，kW；

ρ—室外空氣密度，kg/m3,該礦區(qū)冬季氣候干燥程度嚴(yán)重，取1.396；

K1—附加熱損系數(shù)，一般為1.05～1.1，取1.10；

G—風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量，m3/s；

C—空氣比熱容，kJ/(kg·℃)，取1.01；

t1—冬季極端氣候室外空氣溫度，此處取最近二十年平均極端氣溫-21 ℃；

t2—目標(biāo)值溫度，此處取井口混合氣體溫度規(guī)程要求值+2℃[4].

3.2 熱風(fēng)爐配套熱風(fēng)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量速算表

井筒保溫最終進(jìn)風(fēng)量由兩部分組成，一部分來自礦井主通風(fēng)機(jī)負(fù)壓形成的自然進(jìn)風(fēng)(冷風(fēng))，另一部分來自熱風(fēng)爐熱風(fēng)輸送管路的正壓進(jìn)風(fēng)(熱風(fēng))，冷風(fēng)與熱風(fēng)按照一定比例混合后，形成該井口的總進(jìn)風(fēng)量。其中，正壓熱風(fēng)的風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量的比例與熱風(fēng)溫度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即設(shè)計(jì)的熱風(fēng)溫度低時(shí)，需要配置較大的風(fēng)量，反之亦然。

通過對(duì)多個(gè)煤礦井筒加熱案例進(jìn)行研究，得出引風(fēng)機(jī)風(fēng)量與熱風(fēng)溫度的速算對(duì)應(yīng)表，見表1，用以快速確定熱風(fēng)引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，簡單實(shí)用。

表1 井筒保溫配套熱風(fēng)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量速算表

1) 主井熱負(fù)荷需求及配套風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

根據(jù)礦井資料，主井風(fēng)量G=22 m3/s，即79 200 m3/h，配套引風(fēng)機(jī)風(fēng)量選42 000 m3/h. 按照式(1)計(jì)算需要功率Q=785 kW，按照最佳裝配模數(shù)，實(shí)際選擇816 kW.

2) 副井熱負(fù)荷需求及配套風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

風(fēng)量G=28 m3/s，總進(jìn)風(fēng)量28 m3/s，即100 800 m3/h，配套引風(fēng)機(jī)風(fēng)量選53 000 m3/h. 需要功率Q=999 kW，按照最佳裝配模數(shù)，實(shí)際選擇2×512 kW,即1 024 kW.

3) 行人井熱負(fù)荷需求及配套風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

風(fēng)量G=17 m3/s，熱風(fēng)出口溫度40 ℃～50 ℃連續(xù)可調(diào)，總進(jìn)風(fēng)量17 m3/s，即61 200 m3/h，配套引風(fēng)機(jī)風(fēng)量選32 000 m3/h，需要功率Q=606 kW，按照最佳裝配模數(shù)，實(shí)際選擇618 kW.

3.3 熱風(fēng)爐選型

根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算，最后確定每條風(fēng)井的熱風(fēng)爐選型：主井選用一臺(tái)HRMF-816 K遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐，副井選用兩臺(tái)HRMF-512 K遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐，行人井選用一臺(tái)HRMF-618 K遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐。熱風(fēng)爐總裝機(jī)功率2 458 kW,大于極限溫度-21.4 ℃的情況下實(shí)際需要的加熱功率2 434 kW，滿足使用要求。

4 遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 土建系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1) 機(jī)房選址，根據(jù)煤礦安全規(guī)程，井筒保溫?zé)嵩袋c(diǎn)應(yīng)距離井口20 m以上。熱風(fēng)輸送管道應(yīng)有保溫設(shè)計(jì)，既能防止熱量輸送損失，也避免燙傷行人。2) 熱風(fēng)爐本身無振動(dòng)，但因?yàn)橛信涮椎囊L(fēng)機(jī)，所以機(jī)房地基應(yīng)考慮引風(fēng)機(jī)的動(dòng)荷載。3) 考慮到未來井筒供風(fēng)增容的可能，建議機(jī)房面積至少流出一個(gè)間隔的擴(kuò)容空間，另，因?yàn)榕涮纂姎庠O(shè)備多，從電氣安全角度考慮，必須有機(jī)房進(jìn)風(fēng)口防止鳥鼠蛇等小動(dòng)物進(jìn)入機(jī)房的設(shè)計(jì)。其它可參照規(guī)程和設(shè)備供貨方的要求布置。

4.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

電控系統(tǒng)除按常規(guī)設(shè)計(jì)外，要配置滿足人機(jī)切換、負(fù)荷自動(dòng)投切、保護(hù)和風(fēng)電閉鎖、PLC控制等基本功能，還要具備遙信、遙測(cè)、遙控功能，配備相應(yīng)的溫度傳感、煙霧和瓦斯等氣體傳感，滿足礦山總調(diào)度的通訊接口以及參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查詢等監(jiān)控功能。隨著煤礦自動(dòng)化、智能化建設(shè)的升級(jí)，“有人巡視無人值守”模式逐步成為礦山機(jī)電自動(dòng)化的標(biāo)配，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)應(yīng)盡可能超前設(shè)計(jì)。

5 遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐運(yùn)行分析

該礦遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐自2018年10月首次運(yùn)行至今，已實(shí)現(xiàn)兩個(gè)完整采暖季節(jié)的井筒保溫，期間不存在任何“兩廢一渣”，系統(tǒng)“無人值守”自動(dòng)控制，較好地保證了井口設(shè)施、設(shè)備的冬季運(yùn)行安全，該礦3條井筒的冬季溫度始終大于2 ℃.

從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)看，以1#遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐體(主井816 kW)2018—2019年度采暖季運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，實(shí)測(cè)爐體耗電量48.9萬 kWh，折合成滿負(fù)荷有效運(yùn)行時(shí)間為791 h，消耗電費(fèi)31.7萬元，主斜井遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)機(jī)組年運(yùn)行電費(fèi)情況見表 2.

表2 實(shí)測(cè)主斜井遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐采暖季耗電量和電費(fèi)情況表

根據(jù)測(cè)算，如果使用同樣是清潔能源的天然氣鍋爐做對(duì)比，則1#爐體需要配備2 t燃?xì)庹羝仩t(實(shí)際運(yùn)行出力1.2 t)，消耗天然氣約86 m3/h，折合成791 h燃?xì)庀牧繛?.8 m3，燃?xì)赓M(fèi)用約34萬元。

從以上分析可以看出，使用直接成本比較，遠(yuǎn)紅外電加熱熱風(fēng)爐比天然氣加熱熱風(fēng)爐節(jié)省2萬余元。如果考慮到天然氣、液化氣在礦區(qū)的運(yùn)輸、儲(chǔ)存等?；饭芾黼y度、 “人員值守”的人力成本等因素，遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更加明顯。

6 結(jié) 論

1) 精準(zhǔn)確定熱負(fù)荷需求是遠(yuǎn)紅外熱風(fēng)爐井筒保溫項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其中的“室外空氣密度”參數(shù)不應(yīng)盲目照搬資料，設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)根據(jù)礦區(qū)實(shí)際氣象條件進(jìn)行調(diào)整。

2) 井筒熱風(fēng)與冷風(fēng)的風(fēng)量混合比例與熱風(fēng)溫度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3) 煤礦井筒保溫設(shè)計(jì)在熱源選擇上要綜合考慮初投資、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、智能化等因素，遠(yuǎn)紅外電加熱熱風(fēng)爐具有比較優(yōu)勢(shì)。