煤矿热风炉设计的方案

煤矿红外线热风输送系统

可行性分析

方

案

书

扬州黑马机电设备有限公司联系人:王先生136********

目录

1 总论 (2)

2 通风耗热量计算 (4)

3 红外线加热的原理 (4)

4 设备选型 (8)

5 性能比较 (9)

6 系统安全运行方案 (12)

7 自动控制系统 (13)

8 基础设施要求 (15)

9 三废治理及环境保护 (15)

10 能耗统计与管理 (16)

11 热风炉的构造（图） (18)

12 控制系统（图） (19)

13 热风输送系统（图） (20)

14 基础设施分配（图） (21)

1 总论

1.1 工程背景

通风是采矿中的重要环节，冬季通风中由于带来矿井地面环境的寒冷气流经过井下通道，致使井上井下都与环境温度相差无几。采矿设备与设施不能在低温环境下运行工作，如综采设备的润滑油、输送煤炭出井的橡胶输送带、供给井下工作用的自来水、操控作业人员的工作条件等等。为了保证井下设备设施的正常运转，保证安全生产，需对主井及副井进行热风输送，冷热风入井混合后井内上升至5℃左右，确保生产安全运行。

传统做法为在主井井口、副井井口处各设空气加热室一座，主副井供热热媒一般为高温蒸汽锅炉提供的蒸汽或常压锅炉提供的蒸汽和热水或使用燃煤对铸铁管道直接加热使管道内空气加热，末端采用散热器或暖风机，经风机将空气加热室的热风输送到井下。

远红外线热风输送系统，科学先进地运用了传热的三大主要方式，对流、热传导、辐射技术。远红外线热风输送系统中的热风炉加热管表面温度为800~1000度，使加热管周围15mm内分布的空气产生振荡，并在1~1.4s的时间内被迅间加热到80~210℃。红外线加热管设置为密切分布，在15mm内只有一根加热管工作就能传递热量、辐射周围的其他加热管，整个加热室内的每根加热管均有相应的热量对空气加热。红外线热风输送系统对电能的利用率极高，能效比COP 可达到2.8以上，对节约能源、环境保护、安全生产将带来新的条件和效益。其他如用燃汽加热、燃油加热、桔杆加热等这里不作一一的

分析评估，仅对远红外线热风输送系统在矿井中的应用进行研究分析。

远红外热风输送系统已经在内蒙鄂尔多斯煤炭集团阿尔巴斯一矿实质性地运行了四年，运行效果、运行质态较好，运行成本较低、维护费用极低（实际使用四年内无任何维护），从长远考虑，具有一定的经济、环境和社会效益。

方案针对煤矿对传统锅炉供热以及远红外线热风输送系统进行性能比较，从投资、热力负荷、电力负荷、安全性、占地面积、运行费用等方面进行全面分析对比，从而对远红外线热风输送系统的节能环保、安全可靠得到明确的结论，为相关主管部门提供科学依据。1.2 编制依据

（1）《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003

（2）《锅炉房设计规范》GB50041-2008

（3）《煤炭工业矿井设计规范》GB50215-2005

（4）《煤炭工业采暖通风及供热设计规范》GB/T50466-2008

（5）《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2001

（6）《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996

（7）《工业企业厂界噪声标准》GB12348-2008

（8）《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002

1.3 气象资料

（1）冬季极端最低温度平均值：-17.6℃

（2）冬季采暖设计室外计算温度：-12℃

（3）年采暖天数：150天

（4）冬季主导风向：WN（西北风）

（5）冬季室外平均风速：2.9m/s

1.4 其他资料

（1）远红外热风输送系统单台机组处理风量20000m3/h,机组装机功率310kw

（2）送风温度90~110℃

（3）主井风机排风量30m3/s，副井风机排风量32m3/s

（4）主井及副井内温度保证值≥5℃

2 通风耗热量计算

（1）空气温度-17.6℃下，空气密度ρ=1.378kg/m3。

主井及副井总风量G =30+30=62 m3/s

转换成质量流量G=62×1.378=85.5kg/s。

（2）进风温度t1=-17.6℃，排风温度t2=5℃，空气的比热容

c p=1.01KJ/Kg·℃。

（3）耗热量Q1= Gc p（t2-t1）=85.5×1.01×（5-（-17.6））=1952kw

3 红外线加热的原理

3.1 什么是远红外线

远红外线是电磁波。电磁波是电场与磁场交互而产生的一种波。太阳从伽马线到电波放射着各种波长的电磁波。其中０．７５～１００

０微米（μｍ）的波长范围称作红外线。比这更长的，４～１０００μｍ波长范围叫做远红外线。把这波长换算成温度则是４５０℃～ー２７０℃。也就是比较而言低温的放射体所发电磁波就是远红外线。

图1 电磁波的种类与远红外线的波宽

3.2 远红外线的加热作用

远红外线可以给予持有电极特性的分子（譬如水分子）运动能量。给了分子振动能量后就可以使运动活跃起来。分子原来就是运动着的。氢分子的速度是1.8Km/s、笔直可跑距离为1.78×10-5cm，与其它分子的冲突次数是１秒100亿。得到远红外线能量的分子会加速与其他分子冲撞，分子冲撞产生热。远红外线本身并非热。能让对方分子自己发热的是电磁波。

3.3 远红外线与热风的区别

远红外线不是热风，是叫做电磁波的一种电波，容易被有机物吸收，被吸收后变成热。热的传导方法有热传导、对流、辐射3种，远红外线只是辐射传递。热风是给物质表面加热，远红外线则是给物质

内部加热，区别在此。

3.4 红外线的传热学基本理论

（1）不同特性的物体发射的红外线特性（波长）不同，不同特性的红外线易为特性相同的物体所接收。

（2）热能传递的形式：辐射、传导、对流。

（3）热能在高温下主要（90%）以辐射的形式传递，其辐射强度与温度的四次方成正比。

（4）辐射热能的吸收能力与受热物体的表面黑度成正比。

（5）受热物体的热能传导强度与（该物体表面和内部）温度梯度成正比与热阻成反比。

3.6 远红外线的用途

工业加热与干燥的方法很多，自能源危机以来，世界各国为提高能源使用效率与发展能源多元化，纷纷研发各种节约与替代能源技术，其中辐射加热干燥由于方法的特殊性，被证实为最有效率的加热与干燥技术之一，而被广泛地用于取代传统的热风式加热与干燥系统。辐射加热与干燥包括红外线、紫外线、微波/射频、电子束与雷射等，其中红外线加热干燥是利用电磁辐射热传原理，以直接方式传热而达到加热干燥物体的目的，从而避免加热热传媒体导致的能量损失，有益能源节约，同时红外线因有产生容易，可控性良妤等特质，而有加热迅速、干燥时间短、生产力提高，产品品质改进及设备空间节省等优点。

红外线的波长区间大致为0.75nm至1000nm，因其波长位于红色

光波长(0.6nm至0.75nm左右)外而得名。在低于2000℃的常规工业热工范围内，红外线是最主要的热射线。人们有时将红外线又划分为「近红外」、「中红外」、「远红外」等若干小区间，所谓的远、中、近，是指其在电磁波谱中距红色光的相对距离远近而言。

采用红外线加热是否有效，主要取决于被加热物体的吸收程度，吸收率越高，红外线辐射效果就越好。而吸收率取决于被加热物质的类别、表面状态、红外线辐射源的波长等。物质反射的辐射能量与入射能量的比值叫反射率，不同材料和不同表面状况的反射率各不相同。物质透过的辐射能量与入射能量的比值叫穿透率，穿透率随材料的性质及厚度不同而变化。不同材料的有效穿透范围也不一样。通常把非透明材料的穿透率看作零。一般金属晶体十分细密，透过表面的电磁辐射能在很短的距离内迅速衰减，因此热辐射对金属的穿透深度在微米数量级上。而非金属材料分子结构不很细密，在常温下不同非金属物质各自具有特殊振动频率，因此当入射的电磁波到达界面时，电磁波很少被反射，较易穿过界面进入表层，有些激起共振变为热量，有些不能激起共振的则受到折射、散射和反射作用。由于实际物体都不是单一结构的单纯物质，故有些未被表层吸收的辐射波，在深入过程中还会被其它物质的共振而不同程度地加以吸收。只有在穿过全部厚度时，未破吸收的那部分辐射能量才能透过。因此非金属的穿透深度比金属的要高。

红外线加热优势及效率,红外线干燥加热方式在近几年来则以惊人的发展速度被接受，并被实际使用于各层次，主要是红外线干燥方

式有下述之优点：

（1）具有穿透力，能内外同时加热。

（2）不需热传介质传递，热效率良好。

（3）可局部加热，节省能源。

（4）提供舒适的作业环境。

（5）节省炉体的建造费用及空间，组合、安装及维修简单容易。（6）干净的加热过程。

（7）温度控制容易、且升温迅速，并较具安全性。

（8）热惯性小，不需要暖机，节省人力。

因为红外线加热其有上述优点，因比获得高效率高均一性的加热是可能的进而获得高品质的产品。

4 设备选型

4.1 传统锅炉供热

为了防止通风井筒冬季结冰，保证安全生产，在主井井口、副井井口各设空气加热室一座，主井筒进风量30m3/s，副井井筒进风量32m3/s，室外计算温度-17.6℃，冷热风入井混合后温度5℃。

主副井供热煤均为高温蒸汽，额定蒸汽温度为194℃，在空气加热室内设散热器，主斜井散热器选SRL-6×6/2型二套，离心通风机4-72-12C型，功率45kw，二台，副斜井散热器选SRL-5××/3型二套，离心通风机4-7212C型，功率45kw二台。

矿井主、副井井筒冬季防冻供热计算负荷Q=1952kw，选用

WNS4-1.25-AⅢ型蒸汽锅炉二台，冬季运行。

4.2 红外线热风输送系统

红外线加热机组处理风量G=20000m3/h=7.66kg/s

送风温度t2=100℃，进风温度t1=-17.6℃，空气的比热容c p=1.01KJ/Kg·℃。

加热机组能力Q2=Gc p（t2-t1）=7.66×1.01×（100-（-17.6））=910kw 加热机组台数为N= Q1/Q2=1952/910=2.15，N取值3，考虑备用，选定红外线加热机组为4台。

5 性能比较

根据传统的锅炉供热以及远红外线热风输送系统的特点、系统运行的特征、以及管理水平等，确定性能比较内容如下：

（1）热力负荷与电力负荷

（2）投资与运行费用

（3）安全环保

5.1 热力负荷与电力负荷

主井及副井供热耗热量为1952kw，传统的锅炉供热需消耗至少同等能量的煤，能效比COP＜1；

远红外线热风输送系统，需采用3组加热机组，此时机组耗电功率Q2=667kw，能效比COP=1952/667=2.93。

远红外线加热器的节能是由电热涂料在加热器幅射面形成固化涂层，该涂层因其表面黑度高，故能吸收大量的辐射热能，又因其发射

率高，故能将吸收的辐射热能转换成物体易吸收的远红外热能以电磁波的形式传递.微米级电热涂料的涂层厚、热阻大、反射率高，用于加热器内表面，将散失的热能转换成远红外热能以电磁波的形式辐射加热器内，为加热器内的被加热物体所吸收，从而将热能留在加热器内，使加热器内的温度升高，加热器内的温度得到了充分的利用。纳米级电热涂料的涂层薄、热阻小，用于加热器中受热导温的金属材料表面，在传热过程中，该涂料层不仅将吸收的辐射热能转换成远红外热能传递，其自身变成远红外辐射热源，而且也因其表面温度的提高，导致温度梯度增大，使被加热物体的热能传导强度增强，吸热能力大大提高。总之，通过电热涂料将辐射热能转换成远红外热能产生的直接作用是，提高了加热器内的温度，增强了被加热物体的热能吸收速度，减少了热能损失，达到节能的目的。

远红外线热风输送系统能效比是传统的锅炉供热的三倍，节能特点突出。

5.2 投资与运行费用

5.2.1 远红外线热风输送系统

（1）远红外线热风输送系统共设四组加热机组，设备造价63·8×5=319万元。

（2）按每年工作时间5个月，平均投入运行2台机组进行计算，电价按0.6元/度计算。两台红外线加热机组运行，按连续运行5个月不停机计算，耗电量W=620×24×30×5=2232000kw=223.2万度。电费累计消耗为134万元。

（3）无需要专人值守，维护成本低。

（4）运行成本总计150万元/年。

5.2.2 传统的锅炉供热

（1）燃煤锅炉，仅供热风的半年时间需耗煤2000~2800吨，按当前市场800元/吨计，其价值为160万元~224万元/年。

（2）定岗人员12人，按人均5万元计，共支出费用60万元/年。（3）水电及环保及相关费用，20~40万元/年，锅炉及管道维护费用10~30万元/年，累计210~430万元/年。

（4）运行成本总计187~273万元/年。

经比较分析，远红外线热风输送系统比传统的锅炉供热每年节省运行费用172~258万元，经济效益可观。

5.3 安全环保

5.3.1 远红外线热风输送系统

（1）每个升温区都有可靠的执行探头，如有故障，既有急停，报警功能。可在调度室及相关岗位设有电脑温度监督，执行系统，随时掌握，观察热风炉的升温状况。

（2）热风加热室的位置，距离主井或副井井口20米以上，无障碍物，无粉尘，在通风良好的地方建造加热室。

（3）设有对有害气体（瓦斯气体）报警功能。

（4）有良好的接地装置。

（5）热风设备的4个检修门均设有开门断电连锁装置。

（6）现代化的安全和报警设施，科学化的连锁程序编排，大大的提

高了热风输送系统操作的安全性及可靠性。

（7）无废水、废渣、废气的排放。

5.3.2 传统的锅炉供热

（1）有废水、废渣、废气的排放，对环境造成一定的污染。

6 系统安全运行方案

6.1 系统安全运行设计要点

（1）配电柜是由温度、时间自动控制部分和提供加热炉电源部分组成。

（2）控制仪表、记录仪和计时器采用进口配件，并根据用户需求配备多种仪感器及温控仪表，控制精度高，使用寿命长。

（3）特殊风格设计，具有超温控制，过载电流保护等功能，全面提高设备安全性能。

（4）设有对有害气体（瓦斯气体）报警功能。

（5）有良好的接地装置。

（6）热风设备的4个检修门均设有开门断电连锁装置。

（7）每个升温区都有可靠的执行探头，如有故障，既有急停，报警功能。可在调度室及相关岗位设有电脑温度监控，执行系统，随时掌握，观察热风炉的升温状况。

6.2 系统调试运行

接通电源，合上配电柜的空气开关，设备处于待试状态，看各指示灯及仪表指示是否正常，温度由温控仪的控制面板调节，先将调节

按钮置于下限处调到所需要的温度，再将按钮置于上限处调到所需要的温度，然后将按钮置于中间位置处于测温状态，注意热电偶线电极不可接反。将送风温度设定在90-120℃之间。按下起动按钮，看温控仪表的指示是否正常升温，此时热循环风机开始工作，看是否不转或反转，如反转请及时调整相序接线。

7 自动控制系统

7.1 自动控制系统综述

采用经济实用型的计算机＋智能仪表控制方式两种，计算机主要用来完成数据处理、加热曲线的编制、输出等；智能温控表用来完成升温参数的现场控制及现场逻辑事件处理，plc编程系统控制。

主要功能有:

（1）计算机输出温度曲线给智能温控表；

（2）智能温控表接收计算机温度给定信号,并控制现场电动调节系统，实现热风炉温度的调整（升温、保温和降温）；

（3）选用进口电器元件控制功率及故障报警；

（4）设有手动控制独立系统。

7.2 温度控制

每个升温区都有可靠的执行探头，如有故障，既有急停，报警功能。可在调度室及相关岗位设有电脑温度监督，执行系统，随时掌握，观察热风炉的升温状况。

7.3 机组开启台数的控制

发挥红外线对空气快速加热的优势，运用plc 编程技术和先进的调功器控制技术，依照自然温度为主，副井所需的实际温度适时监控和调整工作方式（手动，自动均可），减少无用功耗，节约能源，降低成本，极大的提高生产效率。

根据室外环境测温区的执行探头，将监测的温度数据反馈给智能温控系统，以决定开启台数。

根据空气混合热平衡方程式，

)(4.222)(4.22133222211t c t c L t c t c L p p p p -=-

式中，L 1——加热的空气量（标m 3/h ）；

L 2——主井及副井排出的空气量（标m 3/h ）；

C p1——从0~t 1℃的平均比热（KJ/Kmol ·℃）；

C p2——从0~t 2℃的平均比热（KJ/Kmol ·℃）；

C p3——从0~t 3℃的平均比热（KJ/Kmol ·℃）；

t 1——加热后的空气温度，取100℃；

t 2——混合后的空气温度，取5℃；

t 3——主井及副井的进风温度，根据环境温度变化取值。

表1 室外环境温度变化与开启机组数量关系对比表 室外环境温度

机组开启数量 主井及副井排风量 送风温度 井内保证温度 -3℃

1 62m 3/s 100℃ 5℃ -12℃

2 62m 3/s 100℃ 5℃ -20℃

3 62m 3/s 100℃ 5℃ -29℃

4 62m 3/s 100℃ 5℃

8 基础设施要求

热风加热室的外形尺寸26m×7m×6m。

本热风炉为先进的轻型装配式结构，对基础和地基的要求较高。全热风炉总重约12吨，基础约重155吨，全窑地基平均受力为2吨/M2。，仅存在轻微振动，需基础沿窑长方向留有膨胀缝，因此要求地耐力需达到2-4吨/M2以上。

基础的厚度要求为250mm,其中由下至上分别为100mm厚C15混凝土垫层和150mm厚C20钢筋混凝土。基础底部地基要求加3∶7灰土夯实。

墙体砌筑时需留有避风朝阳的1000×400×2的进风口。并有防尘，防网，直径500×2的向主井或副井的出风口。500×500的电源电缆进入口。

除热风炉本体外，电器柜、照明、监控等这些设备的基础均按照工艺布置和单项设备说明书进行施工，在此不作详细的论述。

热风管道主要起输送热风的作用，要保证保温，通畅。管道均采用A3钢板卷制焊接而成，管道外部采用50mm硅酸铝保温棉进行保温，外包铝板装饰。

9 三废治理及环境保护

9.1 三废治理

废气——本热风系统无废气产生。

废渣——本热风系统无废渣产生。

废水——本热风系统无废水产生。

9.2 噪声

噪声来源于动力设备，而动力设备则主要是电机和风机。电机的噪音极低，本热风炉风机符合国家标准GB12348-2008《工业企业厂界噪声标准》中的规定要求，一般不作噪声源处理，具体标准参见风机生产厂家的说明书及认证资料，一般设备运行的噪音低于85dB(A)。

10 能耗统计与管理

10.1 能耗统计

机组投入运行，单台机组加热耗电功率310kw，风机耗电功率11kw，单台机组耗电总功率311kw，能耗统计详见下表。

机组开启台数运行时间（月）耗电量（万kw）

1 5个月，不间断运行112

2 5个月，不间断运行224

3 5个月，不间断运行336

4 5个月，不间断运行448

10.2 管理

（1）在远程监控中心电脑上的“远程监视中心画面”中，每台热风炉的温度设定可调整。

（2）在监控画面中的控制系统面板，选择对应的风机运行，指示灯变绿，系统控制对应输出运行。

（3）对应的热风炉只要其中的一路运行，风机运行（指示灯变绿），如果风机不运行，风机运行指示灯变灰，自动关闭对应的热风炉供电接触器，同时报警指示闪烁。

（4）一旦主井或副井有烟雾、或有害气体超标均会闪烁报警，系统停止运行；警报解除，系统继续运行。

（5）主井或副井的温度过低，低于设定温度的5%，报警灯闪烁，仅做提示，系统继续运行。