金川煤礦副井電熱風供熱改造探索

趙永，牛明建(新疆鵬電熱力工程有限公司，新疆 烏蘇 833000)

0 引言

隨著電熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)日趨完善，尤其在北方寒冷地帶，使用電能供熱、供暖替代小規(guī)模燃煤鍋爐為熱源動力，已是大勢所趨。電加熱供熱風直接用于大型工礦企業(yè)取暖也已成為可能。

目前，煤礦暖風系統(tǒng)采用燃煤產(chǎn)生蒸汽再加熱空氣然后混合送入井筒，效率低。管道易銹蝕損壞，維護費用高，運營中人工成本高，運行過程中“三廢”處理非常麻煩且成本高。不能根據(jù)室外溫度調(diào)整燃料使用量。鑒于此，提出了使用電熱風爐對煤礦巷道主、副井供暖保溫防凍系統(tǒng)改造方案，新暖風系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守，自動控制，熱風溫度、風量可根據(jù)室外溫度及時調(diào)整，安全環(huán)保、衛(wèi)生。

1 副井暖風系統(tǒng)設(shè)計原則和參數(shù)選擇

1.1 原副井暖風系統(tǒng)概況

原副井暖風系統(tǒng)：蒸汽換熱器置于地下3 m位置，使用礦井軸流通風機(風量21.5 m3/s)，吸入自然空氣，通過蒸汽換熱裝置加熱空氣，熱風溫度控制在30～50 ℃左右，通過混風后風溫在10 ℃左右進入井筒。副井口熱風系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 金川煤礦副井示意圖

系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)：(1)井口外界極端溫度(-28 ℃)；(2)要求出風口溫度大于40 ℃；(3)主蒸汽管徑DN150；(4)蒸汽壓力0、10、15 MPa；(5)主+副斜井引風總量為50 m3/s(3 000 m3/min)[1]。

系統(tǒng)存在的主要問題：6.0噸燃煤蒸汽鍋爐(生產(chǎn)供熱，生活區(qū)供暖)在地面，鍋爐至蒸汽換熱站管線長，管道銹蝕嚴重，跑、冒、滴、漏頻頻發(fā)生，熱損大、維修費用高。同時，鍋爐未做脫硫、脫硝措施，廢渣、煙塵排放不符合現(xiàn)標準要求，更不符合當前環(huán)境治理政策。冬季生產(chǎn)過程中，換熱時吸風量較大，易在吸風口產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，同時因熱蒸氣溢出時也易凝結(jié)于進風口，嚴重時封死進氣通道，需要使用人力、機械清除，安全隱患較大。副井井架、天輪絞盤至井口約30 m，完全露天，在冬季使用時出現(xiàn)結(jié)冰、打滑等現(xiàn)象，給冬季安全生產(chǎn)埋下隱患。

1.2 副井暖風系統(tǒng)設(shè)計原則、方案和參數(shù)選擇

1.2.1 副井暖風系統(tǒng)設(shè)計原則

(1)結(jié)合井口現(xiàn)有系統(tǒng)現(xiàn)狀，充分考慮機組風量、數(shù)量、送風方式等特點，盡量保留原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，降低改造成本；(2)電熱風系統(tǒng)不影響原系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，不能對其他設(shè)備造成影響；(3)解決副井井筒防凍問題和副井井架和天輪、絞盤、鋼絲繩結(jié)冰問題；(4)設(shè)計方案符合煤礦安全規(guī)程要求，不能對礦井造成安全隱患(主要指使用的電熱風爐安放位置，應(yīng)在2區(qū)以外，其熱風輸送管道做好保溫、防靜電、防摩擦，干熱風溫度不宜過高)；(5)冷風溫度(-28 ℃)，外露地表井筒處熱損、井筒壁蓄熱、井口房結(jié)構(gòu)特點及建筑圍護體散熱損失、井口房內(nèi)物料蓄熱與散熱、鋼絲繩加熱與散熱、井口房地面散熱等。風流經(jīng)L長井筒后的溫度，即要達到的溫度為10 ℃，流經(jīng)副井井筒的平均風速(取異常狀態(tài)通風困難時期的最大通風量40 m3/s)[2]。

1.2.2 副井暖風系統(tǒng)設(shè)計方案

直接將電熱風爐產(chǎn)生的熱風送入井口房，分別從四個方向：(1)北邊人員通道門；(2)南邊物料進出門；(3)北面玻璃墻；(4)東邊井架至鋼絲繩絞盤門鼓入熱風(不同區(qū)域熱風射入熱風溫度、射入角度及熱風流量不同)，保持井口房內(nèi)溫度在15 ℃以上，熱風與冷風在井口房內(nèi)混合后被吸入井口。

1.2.3 系統(tǒng)方案參數(shù)計算

(1)副井在通風困難時進入空氣加熱需要的熱能。副井為斜井，井口尺寸(巷道)約4 000×4 500(mm)，井口最大進風量40 m3/s，風速為2.22 m/s(在2級風速以內(nèi)，面感微風，無揚塵)，井口房非密閉狀態(tài)[3]。

式中：Q1為加熱空氣總需求空氣熱能(kW)；Cp為空氣定壓比熱(1.01 kJ/(kg·K))；M為空氣質(zhì)量流量(kg/s)；tn、t1為流經(jīng)井筒內(nèi)平均風溫、室外溫度，分別為10 ℃、-28 ℃；α為熱量損失系數(shù)，井口房不密閉時α=1.05～1.10，密閉時α=1.10～1.15。

(2)副井井口房圍護結(jié)構(gòu)的散熱計算。

式中：Q2為井口房建筑圍護結(jié)構(gòu)散熱量(kW)；K為圍護結(jié)構(gòu)的散熱系數(shù)，圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，墻體及屋頂為彩鋼+巖棉+彩鋼δ0.5+δ150+δ0.5，導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/(m2·K))分別為：58.2，0.058；玻璃窗部分可在此數(shù)值增加系數(shù)1.1修正計算；A為圍護結(jié)構(gòu)的面積(m2)；井口房尺寸：L×D×H=15 m×10 m×7 m；需要考慮各墻體上門及井口尺寸；th、t2為井口房內(nèi)平均風溫、室外計算取暖溫度，分別為15 ℃、-21 ℃。

(3)井口房地面散熱量計算。應(yīng)用地帶法測算地面散熱損失。

式中：Q3為地面散熱損失(kW)；Ki為第i區(qū)的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))；地面分段Ⅰ(0～2 m)、Ⅱ(2～4 m)、Ⅲ(4～6 m)、Ⅳ(>6 m)，KⅠ0.47； KⅡ0.23； KⅢ0.12； KⅣ0.07；Ai為i區(qū)的地面面積(m2)；th、t1為流經(jīng)井筒內(nèi)平均風溫、室外計算取暖溫度，分別為15 ℃、-21 ℃。

(4)其他散熱。這里副井井筒壁蓄熱、井筒外露地表散熱量、鋼絲繩(需要外露)散熱與傳熱、鋼絲繩表面凝結(jié)水分(從井下帶出)干燥所需熱量，因為每個環(huán)節(jié)都較為復(fù)雜，如：干容量1 800 kg/m3的鋼筋混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)1.74 w/m·k。干容量不同其導(dǎo)熱系數(shù)不同，井壁厚度影響了傳熱值)，又因為該礦副井為斜井基本在地面以下，所以耗熱量不大，可以在上述主要熱量之和基礎(chǔ)上加修正系數(shù)1.15即可，因此不再累述。

(5)總需求熱量計算。

經(jīng)過上述計算，副井防凍所需熱量為2 513 kW。如果以進入井口房內(nèi)熱風最高溫度設(shè)定在55 ℃(熱風供暖上限溫度)，通過計算可得出空氣電加熱器的風量為88 500 m3/h(24.6 m3/s)。

2 改造方案的確定

2.1 工作原理

室外冷空氣由風機吸入電加熱機體內(nèi)，被加熱變成熱風，從出風口接閉風防火器進入并聯(lián)風管，由礦用軸流風機將熱風引到井口房。(1)供熱風量和出風溫度(或冷熱風混合溫度)由傳感器、控制器和電動溫控閥組成的溫度控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，必能顯示進風溫度、出風溫度及井口房混合風溫度。(2)礦用軸流風機與預(yù)混風箱體連接，該由新風調(diào)節(jié)閥、圍護鋼板和保溫密封材料組成；可通過調(diào)節(jié)閥控制新風量進入大小，從而二次調(diào)控熱風溫度。特殊情況下，可向井口房持續(xù)供正壓新鮮風，確保人員安全。(3)當室外空氣達到0 ℃以下時，由于井口房內(nèi)(除井筒內(nèi)為負壓)微正壓，從而使熱氣部分溢出，對室外進、出裸露鋼絲繩、鋼件加熱，溫度將有明顯提高，鋼絲繩結(jié)冰問題可得到實質(zhì)性解決。

2.2 設(shè)備選型論證計算

電熱風爐由低噪音、多葉片離心風機(全壓>2 400 Pa，風量3.8～5.6 m3/s)、高效翅片電加熱機體(含箱體，最高輸出功率300 kW)、電控柜(可調(diào)頻、調(diào)風量、風溫、輸出功率)組成。產(chǎn)出干燥、干凈的熱風，熱風溫度可控制80～150 ℃。加熱量為749～1 110 kW，共選用4套并聯(lián)[4]。

2.3 改造方案的論證

副井暖風系統(tǒng)設(shè)計要能保證副井井筒、絞盤、鋼絲繩冬季不結(jié)冰，擬采用電熱風系統(tǒng)予以供熱，幾套熱風爐并聯(lián)，并聯(lián)后的主風道在進入井口房后分成4個分叉(分別為(1)北邊人員通道門；(2)南邊物料進出門；(3)北面玻璃墻；(4)東邊井架至鋼絲繩絞盤門)鼓入熱風，中間增加控制閥門，可以依據(jù)實際情況進行切換熱風流向及熱源流量。尤其(2)、(4)區(qū)域的熱風射入角度及熱風流量需要根據(jù)鋼絲繩及絞盤實際需要進行調(diào)整。

以上方案主要考慮到井口處是負壓，因此只要將熱風送到井口房內(nèi)，首先確保井口房內(nèi)溫度不低于15 ℃以上，保證井口房、井筒、絞盤、鋼絲繩不結(jié)冰，從而即可保證整個井筒易結(jié)冰段溫度在10 ℃以上。

2.4 控制方式

可采用一套控制軟件系統(tǒng)，對電熱風供應(yīng)暖風系統(tǒng)運行過程中對室外溫度、井口平均溫度、電熱風爐出風口的熱風溫度，熱風流量進行24 h不間斷采集，從而及時調(diào)節(jié)電加熱系統(tǒng)功率。并對各出風口風量進行控制，控制閥可采用手動/自動控制，系統(tǒng)運行狀態(tài)可以在控制柜進行監(jiān)控，出現(xiàn)故障報警及時維護。同時系統(tǒng)裝有井口危險氣體超濃度報警裝置，與電熱風加熱控制、新風控制閥聯(lián)接，根據(jù)需要執(zhí)行相關(guān)指令操作[5]。

3 結(jié)語

由于該套電熱風加熱系統(tǒng)集成了加熱、控制元器件，較原燃煤蒸汽加熱系統(tǒng)效率有很大的提高，可達到節(jié)能環(huán)保的效果；使電加熱熱風系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)溫度，運行過程更加安全、平穩(wěn)、可靠。同時這套方案，解決了外露鋼絲繩結(jié)冰打滑現(xiàn)象，保證了提升安全，使得副井人員安全更有保證。