金川煤矿副井电热风供热改造探索

赵永，牛明建(新疆鹏电热力工程有限公司，新疆 乌苏 833000)

0 引言

随着电热能转换技术日趋完善，尤其在北方寒冷地带，使用电能供热、供暖替代小规模燃煤锅炉为热源动力，已是大势所趋。电加热供热风直接用于大型工矿企业取暖也已成为可能。

目前，煤矿暖风系统采用燃煤产生蒸汽再加热空气然后混合送入井筒，效率低。管道易锈蚀损坏，维护费用高，运营中人工成本高，运行过程中“三废”处理非常麻烦且成本高。不能根据室外温度调整燃料使用量。鉴于此，提出了使用电热风炉对煤矿巷道主、副井供暖保温防冻系统改造方案，新暖风系统可实现无人值守，自动控制，热风温度、风量可根据室外温度及时调整，安全环保、卫生。

1 副井暖风系统设计原则和参数选择

1.1 原副井暖风系统概况

原副井暖风系统：蒸汽换热器置于地下3 m位置，使用矿井轴流通风机(风量21.5 m3/s)，吸入自然空气，通过蒸汽换热装置加热空气，热风温度控制在30～50 ℃左右，通过混风后风温在10 ℃左右进入井筒。副井口热风系统示意图如图1所示。

图1 金川煤矿副井示意图

系统设计参数：(1)井口外界极端温度(-28 ℃)；(2)要求出风口温度大于40 ℃；(3)主蒸汽管径DN150；(4)蒸汽压力0、10、15 MPa；(5)主+副斜井引风总量为50 m3/s(3 000 m3/min)[1]。

系统存在的主要问题：6.0吨燃煤蒸汽锅炉(生产供热，生活区供暖)在地面，锅炉至蒸汽换热站管线长，管道锈蚀严重，跑、冒、滴、漏频频发生，热损大、维修费用高。同时，锅炉未做脱硫、脱硝措施，废渣、烟尘排放不符合现标准要求，更不符合当前环境治理政策。冬季生产过程中，换热时吸风量较大，易在吸风口产生结露现象，同时因热蒸气溢出时也易凝结于进风口，严重时封死进气通道，需要使用人力、机械清除，安全隐患较大。副井井架、天轮绞盘至井口约30 m，完全露天，在冬季使用时出现结冰、打滑等现象，给冬季安全生产埋下隐患。

1.2 副井暖风系统设计原则、方案和参数选择

1.2.1 副井暖风系统设计原则

(1)结合井口现有系统现状，充分考虑机组风量、数量、送风方式等特点，尽量保留原有系统的基础设施，降低改造成本；(2)电热风系统不影响原系统的安全稳定运行，不能对其他设备造成影响；(3)解决副井井筒防冻问题和副井井架和天轮、绞盘、钢丝绳结冰问题；(4)设计方案符合煤矿安全规程要求，不能对矿井造成安全隐患(主要指使用的电热风炉安放位置，应在2区以外，其热风输送管道做好保温、防静电、防摩擦，干热风温度不宜过高)；(5)冷风温度(-28 ℃)，外露地表井筒处热损、井筒壁蓄热、井口房结构特点及建筑围护体散热损失、井口房内物料蓄热与散热、钢丝绳加热与散热、井口房地面散热等。风流经L长井筒后的温度，即要达到的温度为10 ℃，流经副井井筒的平均风速(取异常状态通风困难时期的最大通风量40 m3/s)[2]。

1.2.2 副井暖风系统设计方案

直接将电热风炉产生的热风送入井口房，分别从四个方向：(1)北边人员通道门；(2)南边物料进出门；(3)北面玻璃墙；(4)东边井架至钢丝绳绞盘门鼓入热风(不同区域热风射入热风温度、射入角度及热风流量不同)，保持井口房内温度在15 ℃以上，热风与冷风在井口房内混合后被吸入井口。

1.2.3 系统方案参数计算

(1)副井在通风困难时进入空气加热需要的热能。副井为斜井，井口尺寸(巷道)约4 000×4 500(mm)，井口最大进风量40 m3/s，风速为2.22 m/s(在2级风速以内，面感微风，无扬尘)，井口房非密闭状态[3]。

式中：Q1为加热空气总需求空气热能(kW)；Cp为空气定压比热(1.01 kJ/(kg·K))；M为空气质量流量(kg/s)；tn、t1为流经井筒内平均风温、室外温度，分别为10 ℃、-28 ℃；α为热量损失系数，井口房不密闭时α=1.05～1.10，密闭时α=1.10～1.15。

(2)副井井口房围护结构的散热计算。

式中：Q2为井口房建筑围护结构散热量(kW)；K为围护结构的散热系数，围护结构为钢结构，墙体及屋顶为彩钢+岩棉+彩钢δ0.5+δ150+δ0.5，导热系数λ(W/(m2·K))分别为：58.2，0.058；玻璃窗部分可在此数值增加系数1.1修正计算；A为围护结构的面积(m2)；井口房尺寸：L×D×H=15 m×10 m×7 m；需要考虑各墙体上门及井口尺寸；th、t2为井口房内平均风温、室外计算取暖温度，分别为15 ℃、-21 ℃。

(3)井口房地面散热量计算。应用地带法测算地面散热损失。

式中：Q3为地面散热损失(kW)；Ki为第i区的地面传热系数(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为i区的地面面积(m2)；th、t1为流经井筒内平均风温、室外计算取暖温度，分别为15 ℃、-21 ℃。

(4)其他散热。这里副井井筒壁蓄热、井筒外露地表散热量、钢丝绳(需要外露)散热与传热、钢丝绳表面凝结水分(从井下带出)干燥所需热量，因为每个环节都较为复杂，如：干容量1 800 kg/m3的钢筋混凝土，导热系数1.74 w/m·k。干容量不同其导热系数不同，井壁厚度影响了传热值)，又因为该矿副井为斜井基本在地面以下，所以耗热量不大，可以在上述主要热量之和基础上加修正系数1.15即可，因此不再累述。

(5)总需求热量计算。

经过上述计算，副井防冻所需热量为2 513 kW。如果以进入井口房内热风最高温度设定在55 ℃(热风供暖上限温度)，通过计算可得出空气电加热器的风量为88 500 m3/h(24.6 m3/s)。

2 改造方案的确定

2.1 工作原理

室外冷空气由风机吸入电加热机体内，被加热变成热风，从出风口接闭风防火器进入并联风管，由矿用轴流风机将热风引到井口房。(1)供热风量和出风温度(或冷热风混合温度)由传感器、控制器和电动温控阀组成的温度控制系统自动调节，必能显示进风温度、出风温度及井口房混合风温度。(2)矿用轴流风机与预混风箱体连接，该由新风调节阀、围护钢板和保温密封材料组成；可通过调节阀控制新风量进入大小，从而二次调控热风温度。特殊情况下，可向井口房持续供正压新鲜风，确保人员安全。(3)当室外空气达到0 ℃以下时，由于井口房内(除井筒内为负压)微正压，从而使热气部分溢出，对室外进、出裸露钢丝绳、钢件加热，温度将有明显提高，钢丝绳结冰问题可得到实质性解决。

2.2 设备选型论证计算

电热风炉由低噪音、多叶片离心风机(全压>2 400 Pa，风量3.8～5.6 m3/s)、高效翅片电加热机体(含箱体，最高输出功率300 kW)、电控柜(可调频、调风量、风温、输出功率)组成。产出干燥、干净的热风，热风温度可控制80～150 ℃。加热量为749～1 110 kW，共选用4套并联[4]。

2.3 改造方案的论证

副井暖风系统设计要能保证副井井筒、绞盘、钢丝绳冬季不结冰，拟采用电热风系统予以供热，几套热风炉并联，并联后的主风道在进入井口房后分成4个分叉(分别为(1)北边人员通道门；(2)南边物料进出门；(3)北面玻璃墙；(4)东边井架至钢丝绳绞盘门)鼓入热风，中间增加控制阀门，可以依据实际情况进行切换热风流向及热源流量。尤其(2)、(4)区域的热风射入角度及热风流量需要根据钢丝绳及绞盘实际需要进行调整。

以上方案主要考虑到井口处是负压，因此只要将热风送到井口房内，首先确保井口房内温度不低于15 ℃以上，保证井口房、井筒、绞盘、钢丝绳不结冰，从而即可保证整个井筒易结冰段温度在10 ℃以上。

2.4 控制方式

可采用一套控制软件系统，对电热风供应暖风系统运行过程中对室外温度、井口平均温度、电热风炉出风口的热风温度，热风流量进行24 h不间断采集，从而及时调节电加热系统功率。并对各出风口风量进行控制，控制阀可采用手动/自动控制，系统运行状态可以在控制柜进行监控，出现故障报警及时维护。同时系统装有井口危险气体超浓度报警装置，与电热风加热控制、新风控制阀联接，根据需要执行相关指令操作[5]。

3 结语

由于该套电热风加热系统集成了加热、控制元器件，较原燃煤蒸汽加热系统效率有很大的提高，可达到节能环保的效果；使电加热热风系统，自动调节温度，运行过程更加安全、平稳、可靠。同时这套方案，解决了外露钢丝绳结冰打滑现象，保证了提升安全，使得副井人员安全更有保证。