煤矿井筒防冻设计的方案

1200 m min 进风井 红外加热热风输送系统红外加热热风输送系统 可行性分析可行性分析 方方 案案 扬州希塔尔电气设备有限公司扬州希塔尔电气设备有限公司 王云龙 目录目录 1 总论总论 2 2 通风耗热量计算通风耗热量计算 4 3 红外线加热的原理红外线加热的原理 4 4 设备选型设备选型 8 1 5 性能比较性能比较 9 6 系统安全运行方案系统安全运行方案 12 7 自动控制系统自动控制系统 13 8 基础设施要求基础设施要求 15 9 三废治理及环境保护三废治理及环境保护 15 10 能耗统计与管理能耗统计与管理 16 1 总论总论 1 1 工程背景工程背景 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 2 全生产 需对主井及副井进行热风输送 冷热风入井混合后 保证 井内温度不小于 2 确保生产安全运行 1 1 1 传统井筒保暖做法 1 采用在主井井口 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 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 2 在室内建一个燃煤的空气加热室 将通过室内的盘旋管道 内的空气加热 采用风机 管道送到主井井口和副井井口 1 1 2 目前先进的做法是 1 采用热泵形式 将进下排出的带有温度的空气 通过二次 热交换的方式加热空气 将加热的空气通过风机送到主井井口和副 井井口 2 远红外线热风输送形式 利用电能通过远红外电热管自动 将空气加热到一定温度 用风机将热风送到主井井口和副井井口 远红外电热管加热空气方式 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集布置 管外的被加热的片状吸热物质 在红外辐射下迅速被加热 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 3 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 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 在偏关正兴煤矿实际运行三年 运行效果 运行质态较好 运行综合成本较低 免维护费用 从长远考虑 具 有一定的经济 环境和社会效益 方案针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 4 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 红外线加热的原理红外线加热的原理 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 微米 的波长范围称作红外线 比这更长 的 波长范围叫做远红外线 把这波长换算成温度 则是 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 5 1 4 远红外线的加热作用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 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 1 5 远红外线与热风的区别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 1 6 红外线的传热学基本理论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 6 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 95 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 1 7 远红外线的用途远红外线的用途 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 7 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 8 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 2 设备选型设备选型 2 1 气象资料 1 冬季极端最低温度平均值 22 2 冬季采暖设计室外计算温度 15 3 年采暖天数 150 天 4 冬季主导风向 WN 5 冬季室外平均风速 2 9m s 5 最大冻土尝试 1 0m 2 2 现场实际数据 1 进风井风量 1200 m min 2 极限环境温度 22 3 井筒混合风温度 2 9 2 3 通风耗热量计算通风耗热量计算 耗热量 Q1 Gcp t2 t1 1200 60 1 205 1 01 2 22 Kj h 2 4 红外线热风输送系统能量平衡红外线热风输送系统能量平衡 1 红外线加热机组处理风量 V 18000m3 h 2 加热机组能力 Q2 Gcp t2 t1 1 205 18000 1 01 T 22 3 热平衡 Q2 Gcp t2 t1 1 205 18000 1 01 T 2 Q3 Gcp t2 t1 1 205 54000 1 01 2 22 Q3 Q2 1 205 54000 1 01 2 22 1 205 18000 1 01 T 2 T 74 取 75 2 5 机组的加热能力为机组的加热能力为 1 热风炉产生热量 Q2 Gcp t2 t1 1 205 18000 1 01 T 22 1 205 18000 1 01 75 22 Kj h 2 机组总功率 10 N 3595 590Kw 3 设计 1 台热风炉其风量功率 风量 18000m3 h 全压 600Pa 加热功率 590Kw 风机功率 22Kw 4 总装机容量 620Kw 3 性能比较性能比较 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 3 1 热力负荷与电力负荷 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 11 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 3 2 投资与运行费用 3 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 1 组加热机组 2 按每年工作时间 5 个月 平均运行 2 5 功率进行计算 电价按 0 6 元 度计算 耗电量 W 620 2 5 24 30 5 kwh 89 3 万度 电费累计消耗为 53 6 万元 3 无需要专人值守 维护成本低 4 运行成本总计 53 6 万元 年 3 2 2 传统的锅炉供热 1 燃煤锅炉 仅供热风的 5 个月时间需耗煤 90 110 吨 按当前 市场 400 元 吨计 其价值为 36 万元 44 万元 年 2 定岗人员 5 人 按人均 4 万元计 共支出费用 20 万元 年 3 锅炉及管道维护费用 2 4 万元 年 4 运行成本累计 58 68 万元 年 12 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 4 4 14 4 万元 经济效益可观 3 3 安全环保 3 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 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 3 3 2 传统的锅炉供热 有废水 废渣 废气的排放 对环境造成一定的污染 4 系统安全运行方案系统安全运行方案 4 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 13 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 4 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 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 14 5 自动控制系统自动控制系统 5 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 5 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 5 3 机组开启加热路数的控制 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 自动控制热风炉的运行 热风炉的加热系统分为 5 组 其中有 一组使用功率调整器 功率从 0 到 50Kw 连续可调 温控器控 15 制该调功器 当调功器输出 50Kw 功率而出口温度还没有到设 定温度 则 PLC 自动增加一路加热 依次增加 而当环境温度 变化 功率调整器输出 0 功率时 PLC 自动减少一路加热 依 次减少 保证出口温度稳定在设定温度 且实际使用功率最少 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 22 2 4 22 1 33222211 tctc L tctc L pppp 式中 L1 加热的空气量 标 m3 h L2 主井及副井排出的空气量 标 m3 h Cp1 从 0 t1 的平均比热 KJ Kmol Cp2 从 0 t2 的平均比热 KJ Kmol Cp3 从 0 t3 的平均比热 KJ Kmol t1 加热后的空气温度 取 75 t2 混合后的空气温度 取 2 t3 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数量关系对比表 室外环境温度开启数量进风量送风温度混合风温度 3 10 12 35 15 68 1200 m3 min 75 2 16 22 100 6 基础设施要求基础设施要求 热风加热室的外形尺寸 4 5m 3m 2 8m 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 5 吨 基础约重 2 8 吨 全炉地基平均受力为 0 47 吨 M2 仅存在轻微振动 需基础沿长度方向留有膨胀缝 因此要 求地耐力需达到 0 5 吨 M2以上 基础的厚度要求为 80mm 其中由下至上分别为 120mm 厚 C15 混凝土垫层和 250mm 厚 C20 混凝土 基础底部地基要求加 3 7 灰 土夯实 墙体需留有避风朝阳的 1000 400 的进风口 并有防尘 防网 输出热风管道直径 7