远红外线热风炉在煤矿井筒保温中的应用设计

2020-02-03李将武刘效林温建东

山西焦煤科技 2020年12期

李将武，刘效林，温建东

(1.山西煤炭运销集团三聚盛煤业有限公司，山西娄烦 030300； 2.山西焦煤集团公司技术中心，山西太原 030024)

为保障井下运输机、矿车和输送水管路正常运行，旋转设备正常润滑，改善井下作业人员的工作条件，《煤矿安全规程》明确规定：进风井口以下的空气温度必须在2 ℃以上，以防止冬季井筒结冰，造成采矿设备与设施的不安全状态，影响矿井的冬季安全生产。因此，北方地区煤矿必须对主、副斜井井筒进行保温处理[1].

传统的井筒保温采用燃煤锅炉产生高温蒸汽，或热水加热管道，或燃煤热风炉产生热风，再由鼓风机吹入井筒等方式进行供热。采用燃煤热风炉，能源消耗大，热效率利用低，特别是有害烟尘粉尘大，加重了矿区冬季的雾霾现象。近年来，国家治理污染力度越来越大，提出了“建设绿色矿山”、 “出煤不烧煤”等环保新理念，还有的省份划出了禁用燃煤锅炉采暖的区域。围绕替代煤炭的冬季井筒供暖热源问题，许多煤矿结合各自实际，开展了积极探索。山西煤炭运销集团三聚盛煤业有限公司开展了井筒远红外热风炉供暖项目研究。

1 工程概况

三聚盛煤业有限公司为兼并重组整合矿，井田位于娄烦县城北10 km处的新庄村西，行政区划隶属静游镇，井田面积为3.445 5 km2，设计生产能力90 万t/a. 当地气象资料显示，该矿区属温带大陆性半干旱气候，四季分明，气候干燥。冬季长而寒冷，每年10月底结冰，次年3月底解冻，全年冰冻期160天以上，历史记录极端最低气温-30.5 ℃，最近二十年冬季极端最低温度平均值-21.4 ℃，冬季室外平均风速2.9 m/s.

三聚盛煤矿3条进风井筒为斜井开拓，分别为主斜井、副斜井及行人斜井，担负全矿煤炭、材料和设备、人员的运输，同时兼具着进风作用，设计服务年限为13.5年。3条进风斜井均为半圆拱断面，其中，主斜井断面积14.25 m2，斜长335 m，宽度4.5 m；副斜井断面积10.06 m2，斜长285 m，宽度3.5 m；行人斜井断面积7 m2，斜长310 m，宽度2.8 m.

各井筒进风量分别为主井风量22 m3/s、副井风量28 m3/s、行人井风量17 m3/s.

设计的基本原则：保障主斜井、副斜井及行人斜井3条进风井筒在极端低温条件下，满足井口温度不低于2 ℃的要求；符合节能环保、建设绿色矿山发展思路；投资建设成本低，智能化运行程度高。

2 远红外线加热基本原理

2.1 热传递的3种方式

热传递是指由于温度差引起的热能传递现象。热传递主要存在3种基本形式：热传导、热对流和热辐射。热传导是物体之间直接接触,热能直接通过原子振动,由高温处传递到低温处。热对流是物体之间以流体或气体为介质,利用介质流动的特性,传递热能。热辐射是物体之间利用放射和吸收彼此的红外线传递热能,而不必有任何介质。

2.2 远红外线热能的传递

红光外侧的光线，在光谱中波长为0.75～1 000 μm的一段被称为红外线，见图1. 距离红光光谱4 μm以上的红外线成为远红外线，远红外线的传热形式是辐射传热，在远红外线照射到被加热的物体时，一部分射线被反射回来，一部分被穿透过去。当发射的远红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体大量吸收远红外线。这时，物体内部分子和原子发生“共振”—产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。

图1 远红外线光谱图

2.3 远红外热风炉辐射加热技术特征

远红外辐射电热管又称远红外加热管，以耐高温稀有金属制成丝状辐射体，经特殊工艺绕制后，封闭在特种透明石英玻壳内，再经抽真空并充以惰性混合气体制成。电流在通过加热管的加热丝时，加热管会产生一定波长的红外线，当红外线被炉腔内空气吸收时，空气即被加热，远红外热风炉正是利用这一特性来加热空气。远红外热风炉加热管表面温度为800～1 000 ℃，主要以辐射的形式直接加热空气内部的分子原子，不需要借助“水”或其它导热媒介，不存在传统锅炉的热转换损失，因而具有运行损耗低、热惯性小、无废气废渣的特征[2].

从以上技术特征可以看出，远红外加热技术热转化损失小、传递效率高，实践中合格产品能效比普遍可以达到0.95以上，理论上可以无限接近于1.0. 一些非专业人士宣称远红外加热能效比COP 达到2.8或3.5都是错误的，因为违背热力学第一定律：能量守恒定律[3].

3 远红外热风炉井筒保温热负荷功率计算要点

为了合理选择和确定井筒保温系统中的空气加热设备、配套热风输送设备、相关管路参数及配套电气设备，需要根据每一条井筒的进风量和当地冬季气象资料，按照满足极端气候条件下的井筒保温需求，对每一条进风巷的热能需求分别进行计算，得出的负荷称为计算负荷。

计算负荷的合理性，直接关系到各类设备选择的合理性。如果计算负荷确定过大，就会增加设备投资,造成浪费；如果计算负荷确定过小，造成加热设备和热输送能力不足，加热系统处于长期过负荷状态，系统使用寿命缩短，极端条件下不能满足规程要求和保温需求，影响矿井冬季的安全生产。因此，井筒保温热负荷计算是整个系统设计的关键和基础。

3.1 热需求负荷计算条件

根据井筒保温热负荷计算公式：

Q=ρ×K1×G×C×(t2-t1)

(1)

式中：

Q—热负荷功率，kW；

ρ—室外空气密度，kg/m3,该矿区冬季气候干燥程度严重，取1.396；

K1—附加热损系数，一般为1.05～1.1，取1.10；

G—风井进风量，m3/s；

C—空气比热容，kJ/(kg·℃)，取1.01；

t1—冬季极端气候室外空气温度，此处取最近二十年平均极端气温-21 ℃；

t2—目标值温度，此处取井口混合气体温度规程要求值+2℃[4].

3.2 热风炉配套热风引风机风量速算表

井筒保温最终进风量由两部分组成，一部分来自矿井主通风机负压形成的自然进风(冷风)，另一部分来自热风炉热风输送管路的正压进风(热风)，冷风与热风按照一定比例混合后，形成该井口的总进风量。其中，正压热风的风量占总进风量的比例与热风温度存在负相关关系，即设计的热风温度低时，需要配置较大的风量，反之亦然。

通过对多个煤矿井筒加热案例进行研究，得出引风机风量与热风温度的速算对应表，见表1，用以快速确定热风引风机的风量，简单实用。

表1 井筒保温配套热风引风机风量速算表

1) 主井热负荷需求及配套风机风量。

根据矿井资料，主井风量G=22 m3/s，即79 200 m3/h，配套引风机风量选42 000 m3/h. 按照式(1)计算需要功率Q=785 kW，按照最佳装配模数，实际选择816 kW.

2) 副井热负荷需求及配套风机风量。

风量G=28 m3/s，总进风量28 m3/s，即100 800 m3/h，配套引风机风量选53 000 m3/h. 需要功率Q=999 kW，按照最佳装配模数，实际选择2×512 kW,即1 024 kW.

3) 行人井热负荷需求及配套风机风量。

风量G=17 m3/s，热风出口温度40 ℃～50 ℃连续可调，总进风量17 m3/s，即61 200 m3/h，配套引风机风量选32 000 m3/h，需要功率Q=606 kW，按照最佳装配模数，实际选择618 kW.

3.3 热风炉选型

根据热负荷计算，最后确定每条风井的热风炉选型：主井选用一台HRMF-816 K远红外热风炉，副井选用两台HRMF-512 K远红外热风炉，行人井选用一台HRMF-618 K远红外热风炉。热风炉总装机功率2 458 kW,大于极限温度-21.4 ℃的情况下实际需要的加热功率2 434 kW，满足使用要求。

4 远红外热风炉其它系统设计要点

4.1 土建系统设计要求

1) 机房选址，根据煤矿安全规程，井筒保温热源点应距离井口20 m以上。热风输送管道应有保温设计，既能防止热量输送损失，也避免烫伤行人。2) 热风炉本身无振动，但因为有配套的引风机，所以机房地基应考虑引风机的动荷载。3) 考虑到未来井筒供风增容的可能，建议机房面积至少流出一个间隔的扩容空间，另，因为配套电气设备多，从电气安全角度考虑，必须有机房进风口防止鸟鼠蛇等小动物进入机房的设计。其它可参照规程和设备供货方的要求布置。

4.2 电控系统设计要求

电控系统除按常规设计外，要配置满足人机切换、负荷自动投切、保护和风电闭锁、PLC控制等基本功能，还要具备遥信、遥测、遥控功能，配备相应的温度传感、烟雾和瓦斯等气体传感，满足矿山总调度的通讯接口以及参数设置、历史数据查询等监控功能。随着煤矿自动化、智能化建设的升级，“有人巡视无人值守”模式逐步成为矿山机电自动化的标配，远红外热风炉控制系统应尽可能超前设计。