煤礦井筒保暖遠紅外電熱風爐

500 m³/min進風井

紅外加熱熱風輸送系統

可行性分析

方

案

書

揚州黑馬機電設備有限公司

聯系人：王云龍13651515160

目錄

1 總論……………………………………………………………2

2 通風耗熱量計算………………………………………………4

3 紅外線加熱的原理……………………………………………4

4 設備選型………………………………………………………8

5 性能比較………………………………………………………9

6 系統安全運行方案……………………………………………12

7 自動控制系統…………………………………………………13

8 基礎設施要求…………………………………………………15

9 三廢治理及環境保護…………………………………………15

10 能耗統計與管理………………………………………………16

1 總論

1.1 工程背景

通風是采礦中的重要環節，冬季通風中由于帶來礦井地面環境的寒冷氣流經過井下通道，致使井上井下都與環境溫度相差無幾。采礦設備與設施不能在低溫環境下運行工作，如綜采設備的潤滑油、輸送煤炭出井的橡膠輸送帶、供給井下工作用的自來水、操控作業人員的工作條件等等。為了保證井下設備設施的正常運轉，保證安全生產，需對主井及副井進行熱風輸送，冷熱風入井混合后，保證井內溫度不小于2℃，確保生產安全運行。

1.1.1傳統井筒保暖做法：

1)、采用在主井井口、副井井口處各設空氣加熱室一座，主副井供熱熱媒一般為高溫蒸汽鍋爐提供的蒸汽或常壓鍋爐提供的蒸汽和熱水，末端采用散熱器或暖風機，經風機將空氣加熱室的熱風輸送到井下。

2)、在室內建一個燃煤的空氣加熱室，將通過室內的盤旋管道內的空氣加熱，采用風機、管道送到主井井口和副井井口。

1.1.2目前先進的做法是：

1)、采用熱泵形式，將進下排出的帶有溫度的空氣，通過二次熱交換的方式加熱空氣，將加熱的空氣通過風機送到主井井口和副井井口。

2)、遠紅外線熱風輸送形式，利用電能通過遠紅外電熱管自動將空氣加熱到一定溫度，用風機將熱風送到主井井口和副井井口。

遠紅外電熱管加熱空氣方式，科學先進地運用了傳熱的三大主要方式，對流、熱傳導、輻射技術。遠紅外線熱風輸送系統中的熱風爐加熱管表面溫度為 800~1000度，使加熱管周圍15mm內分布的空氣產生振蕩，并在1~1.4s的時間內被迅間加熱到80~210℃。

紅外線加熱管設置為密集布置，管外的被加熱的片狀吸熱物質在紅外輻射下迅速被加熱，在15mm內只有一根加熱管工作就能傳遞熱量、輻射周圍的其他加熱管，整個加熱室內的每根加熱管均有相應的熱量對空氣加熱。紅外線熱風輸送系統對電能的利用率極高，對節約能源、環境保護、安全生產將帶來新的條件和效益。其他如用燃汽加熱、燃油加熱、桔桿加熱等這里不作一一的分析評估，僅對遠紅外線熱風輸送系統在礦井中的應用進行研究分析。

遠紅外熱風輸送系統已經在內蒙鄂爾多斯煤炭集團阿爾巴斯一礦實質性地運行了四年，在偏關正興煤礦實際運行三年，運行效果、運行質態較好，運行綜合成本較低、免維護費用，從長遠考慮，具有一定的經濟、環境和社會效益。

方案針對傳統鍋爐供熱以及遠紅外線熱風輸送系統進行性能比較，從投資、熱力負荷、電力負荷、安全性、占地面積、運行費用等方面進行全面分析對比，從而對遠紅外線熱風輸送系統的節能環保、安全可靠得到明確的結論，為相關主管部門提供科學依據。

1.2 編制依據

(1)《采暖通風與空氣調節設計規范》GB50019-2003

(2)《鍋爐房設計規范》GB50041-2008

(3)《煤炭工業礦井設計規范》GB50215-2005

(4)《煤炭工業采暖通風及供熱設計規范》GB/T50466-2008

(5)《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2001

(6)《大氣污染物綜合排放標準》GB16297-1996

(7)《工業企業廠界噪聲標準》GB12348-2008

(8)《通風與空調工程施工質量驗收規范》GB50243-2002

1.3 紅外線加熱的原理

遠紅外線是電磁波。電磁波是電場與磁場交互而產生的一種波。太陽從伽馬線到電波放射著各種波長的電磁波。其中0.75～1000微米(μm)的波長范圍稱作紅外線。比這更長的，4～1000μm波長范圍叫做遠紅外線。把這波長換算成溫度則是450℃～ー270℃。也就是比較而言低溫的放射體所發電磁波就是遠紅外線。

圖1 電磁波的種類與遠紅外線的波寬

1.4 遠紅外線的加熱作用

遠紅外線可以給予持有電極特性的分子(譬如水分子)運動能量。給了分子振動能量后就可以使運動活躍起來。分子原來就是運動著的。氫分子的速度是1.8Km/s、筆直可跑距離為1.78×10-5cm，與其它分子的沖突次數是1秒100億。得到遠紅外線能量的分子會加速與其他分子沖撞，分子沖撞產生熱。遠紅外線本身并非熱。能讓對方分子自己發熱的是電磁波。

1.5 遠紅外線與熱風的區別

遠紅外線不是熱風，是叫做電磁波的一種電波，容易被有機物吸收，被吸收后變成熱。熱的傳導方法有熱傳導、對流、輻射3種，遠紅外線只是輻射傳遞。熱風是給物質表面加熱，遠紅外線則是給物質內部加熱，區別在此。

1.6 紅外線的傳熱學基本理論

(1)不同特性的物體發射的紅外線特性(波長)不同，不同特性的紅外線易為特性相同的物體所接收。

(2)熱能傳遞的形式：輻射、傳導、對流。

(3)熱能在高溫下主要(90%)以輻射的形式傳遞，其輻射強度與溫度的四次方成正比。

(4)輻射熱能的吸收能力與受熱物體的表面黑度成正比。

(5)受熱物體的熱能傳導強度與(該物體表面和內部)溫度梯度成正比與熱阻成反比。

1.7 遠紅外線的用途

工業加熱與干燥的方法很多，自能源危機以來，世界各國為提高能源使用效率與發展能源多元化，紛紛研發各種節約與替代能源技術，其中輻射加熱干燥由于方法的特殊性，被證實為最有效率的加熱與干燥技術之一，而被廣泛地用于取代傳統的熱風式加熱與干燥系統。輻射加熱與干燥包括紅外線、紫外線、微波/射頻、電子束與雷射等，其中紅外線加熱干燥是利用電磁輻射熱傳原理，以直接方式傳熱而達到加熱干燥物體的目的，從而避免加熱熱傳媒體導致的能量損失，有益能源節約，同時紅外線因有產生容易，可控性良妤等特質，而有加熱迅速、干燥時間短、生產力提高，產品品質改進及設備空間節省等優點。

紅外線的波長區間大致為0.75nm至1000nm，因其波長位于紅色光波長(0.6nm至0.75nm左右)外而得名。在低于2000℃的常規工業熱工范圍內，紅外線是最主要的熱射線。人們有時將紅外線又劃分為「近紅外」、「中紅外」、「遠紅外」等若干小區間，所謂的遠、中、近，是指其在電磁波譜中距紅色光的相對距離遠近而言。

采用紅外線加熱是否有效，主要取決于被加熱物體的吸收程度，吸收率越高，紅外線輻射效果就越好。而吸收率取決于被加熱物質的類別、表面狀態、紅外線輻射源的波長等。物質反射的輻射能量與入射能量的比值叫反射率，不同材料和不同表面狀況的反射率各不相同。物質透過的輻射能量與入射能量的比值叫穿透率，穿透率隨材料的性質及厚度不同而變化。不同材料的有效穿透范圍也不一樣。通常把非透明材料的穿透率看作零。一般金屬晶體十分細密，透過表面的電磁輻射能在很短的距離內迅速衰減，因此熱輻射對金屬的穿透深度在微米數量級上。而非金屬材料分子結構不很細密，在常溫下不同非金屬物質各自具有特殊振動頻率，因此當入射的電磁波到達界面時，電磁波很少被反射，較易穿過界面進入表層，有些激起共振變為熱量，有些不能激起共振的則受到折射、散射和反射作用。由于實際物體都不是單一結構的單純物質，故有些未被表層吸收的輻射波，在深入過程中還會被其它物質的共振而不同程度地加以吸收。只有在穿過全部厚度時，未破吸收的那部分輻射能量才能透過。因此非金屬的穿透深度比金屬的要高。

紅外線加熱優勢及效率,紅外線干燥加熱方式在近幾年來則以驚人的發展速度被接受，并被實際使用于各層次，主要是紅外線干燥方式有下述之優點：

(1)具有穿透力，能內外同時加熱。

(2)不需熱傳介質傳遞，熱效率良好。

(3)可局部加熱，節省能源。

(4)提供舒適的作業環境。

(5)節省爐體的建造費用及空間，組合、安裝及維修簡單容易。

(6)干凈的加熱過程。

(7)溫度控制容易、且升溫迅速，并較具安全性。

(8)熱慣性小，不需要暖機，節省人力。

因為紅外線加熱其有上述優點，因比獲得高效率高均一性的加熱是可能的進而獲得高品質的產品。

2 設備選型

2.1 氣象資料

(1)冬季極端最低溫度平均值：-22℃

(2)冬季采暖設計室外計算溫度：-15℃

(3)年采暖天數：150天

(4)冬季主導風向：WN

(5)冬季室外平均風速：2.9m/s

(5)最大凍土嘗試：1.0m

2.2 現場實際數據：

(1)進風井風量500 m³/min

(2)極限環境溫度：-22℃

(3)井筒混合風溫度：≥2℃

2.3 通風耗熱量計算

耗熱量Q1= Gcp(t2-t1)=500×60×1.205×1.01×(2-(-22))

=876276Kj/h

2.4 紅外線熱風輸送系統能量平衡

1)、紅外線加熱機組處理風量V=8000m3/h

2)、加熱機組能力

Q2=Gcp(t2-t1)=1.205×8000×1.01×(T-(-22))

3)、熱平衡

Q2=Gcp(t2-t1)=1.205×8000×1.01×(T-2)

Q3=Gcp(t2-t1)=1.205×22000×1.01×(2-(-22))

Q3= Q2

1.205×22000×1.01×(2-(-22))= 1.205×8000×1.01×(T-2)

T=64℃ (取65℃)

2.5機組的加熱能力為

1)、熱風爐產生熱量

Q2=Gcp(t2-t1)=1.205×8000×1.01×(T-(-22))

=1.205×8000×1.01×(65-(-22))

=847067Kj/h

2)、機組總功率：

N=847067/3595=235Kw

3)、設計1臺熱風爐其風量功率：

風量=8000m3/h 全壓：500Pa

加熱功率=235Kw

風機功率=7.5Kw

4)、總裝機容量=250Kw

3 性能比較

根據傳統的鍋爐供熱以及遠紅外線熱風輸送系統的特點、系統運行的特征、以及管理水平等，確定性能比較內容如下：

(1)熱力負荷與電力負荷

(2)投資與運行費用

(3)安全環保

3.1 熱力負荷與電力負荷

遠紅外線加熱器的節能是由電熱涂料在加熱器幅射面形成固化涂層，該涂層因其表面黑度高，故能吸收大量的輻射熱能，又因其發射率高，故能將吸收的輻射熱能轉換成物體易吸收的遠紅外熱能以電磁波的形式傳遞.微米級電熱涂料的涂層厚、熱阻大、反射率高，用于加熱器內表面，將散失的熱能轉換成遠紅外熱能以電磁波的形式輻射加熱器內，為加熱器內的被加熱物體所吸收，從而將熱能留在加熱器內，使加熱器內的溫度升高，加熱器內的溫度得到了充分的利用。納米級電熱涂料的涂層薄、熱阻小，用于加熱器中受熱導溫的金屬材料表面，在傳熱過程中，該涂料層不僅將吸收的輻射熱能轉換成遠紅外熱能傳遞，其自身變成遠紅外輻射熱源，而且也因其表面溫度的提高，導致溫度梯度增大，使被加熱物體的熱能傳導強度增強，吸熱能力大大提高。總之，通過電熱涂料將輻射熱能轉換成遠紅外熱能產生的直接作用是，提高了加熱器內的溫度，增強了被加熱物體的熱能吸收速度，減少了熱能損失，達到節能的目的。

3.2 投資與運行費用

3.2.1 遠紅外線熱風輸送系統

(1)遠紅外線熱風輸送系統共設1組加熱機組。

(2)按每年工作時間5個月，平均運行2/5功率進行計算，電價按0.6元/度計算。

耗電量W=250×(2/5)×24×30×5=360000kwh=36萬度。

電費累計消耗為21.6萬元。

(3)無需要專人值守，維護成本低。

(4)運行成本總計21.6萬元/年。

3.2.2傳統的鍋爐供熱

(1)燃煤鍋爐，僅供熱風的5個月時間需耗煤40~60噸，按當前市場400元/噸計，其價值為16萬元~24萬元/年。

(2)定崗人員3人，按人均4萬元計，共支出費用12萬元/年。

(3)鍋爐及管道維護費用2~4萬元/年，。

(4)運行成本累計30~40萬元/年

經比較分析，遠紅外線熱風輸送系統比傳統的鍋爐供熱每年節省運行費用8.4~18.4萬元，經濟效益可觀。

3.3 安全環保

3.3.1 遠紅外線熱風輸送系統

(1)每個升溫區都有可靠的執行探頭，如有故障，既有急停，報警功能。可在調度室及相關崗位設有電腦溫度監督，執行系統，隨時掌握，觀察熱風爐的升溫狀況。

(2)熱風加熱室的位置，距離主井或副井井口20米，無障礙物，無粉塵，在通風良好的地方建造加熱室。

(3)設有對有害氣體(瓦斯氣體)報警功能。

(4)有良好的接地裝置。

(5)熱風設備的4個檢修門均設有開門斷電連鎖裝置。

(6)現代化的安全和報警設施，科學化的連鎖程序編排，大大的提高了熱風輸送系統操作的安全性及可靠性。

(7)無廢水、廢渣、廢氣的排放。

3.3.2 傳統的鍋爐供熱

有廢水、廢渣、廢氣的排放，對環境造成一定的污染。

4 系統安全運行方案

4.1 系統安全運行設計要點

(1)配電柜是由溫度、時間自動控制部分和提供加熱爐電源部分組成。

(2)控制儀表、記錄儀和計時器采用進口配件，并根據用戶需求配備多種儀感器及溫控儀表，控制精度高，使用壽命長。

(3)特殊風格設計，具有超溫控制，過載電流保護等功能，全面提高設備安全性能。

(4)設有對有害氣體(瓦斯氣體)報警功能。

(5)有良好的接地裝置。

(6)熱風設備的4個檢修門均設有開門斷電連鎖裝置。

(7)每個升溫區都有可靠的執行探頭，如有故障，既有急停，報警功能。可在調度室及相關崗位設有電腦溫度監控，執行系統，隨時掌握，觀察熱風爐的升溫狀況。

4.2 系統調試運行

接通電源，合上配電柜的空氣開關，設備處于待試狀態，看各指示燈及儀表指示是否正常，溫度由溫控儀的控制面板調節，先將調節按鈕置于下限處調到所需要的溫度，再將按鈕置于上限處調到所需要的溫度，然后將按鈕置于中間位置處于測溫狀態，注意熱電偶線電極不可接反。將送風溫度設定在90-120℃之間。按下起動按鈕，看溫控儀表的指示是否正常升溫，此時熱循環風機開始工作，看是否不轉或反轉，如反轉請及時調整相序接線。

5 自動控制系統

5.1 自動控制系統綜述

采用經濟實用型的計算機+智能儀表控制方式兩種，計算機主要用來完成數據處理、加熱曲線的編制、輸出等;智能溫控表用來完成升溫參數的現場控制及現場邏輯事件處理，plc編程系統控制。

主要功能有:

(1)計算機輸出溫度曲線給智能溫控表;

(2)智能溫控表接收計算機溫度給定信號,并控制現場電動調節系統，實現熱風爐溫度的調整(升溫、保溫和降溫);

(3)選用進口電器元件控制功率及故障報警;

(4)設有手動控制獨立系統。

5.2 溫度控制

每個升溫區都有可靠的執行探頭，如有故障，既有急停，報警功能。可在調度室及相關崗位設有電腦溫度監督，執行系統，隨時掌握，觀察熱風爐的升溫狀況。

5.3 機組開啟臺數的控制

發揮紅外線對空氣快速加熱的優勢，運用plc編程技術和先進的調功器控制技術，依照自然溫度為主，副井所需的實際溫度適時監控和調整工作方式(手動，自動均可)，減少無用功耗，節約能源，降低成本，極大的提高生產效率。

根據室外環境測溫區的執行探頭，將監測的溫度數據反饋給智能溫控系統，以決定開啟臺數。

根據空氣混合熱平衡方程式，

式中，L1——加熱的空氣量(標m3/h);

L2——主井及副井排出的空氣量(標m3/h);

Cp1——從0~t1℃的平均比熱(KJ/Kmol·℃);

Cp2——從0~t2℃的平均比熱(KJ/Kmol·℃);

Cp3——從0~t3℃的平均比熱(KJ/Kmol·℃);

t1——加熱后的空氣溫度，取75℃;

t2——混合后的空氣溫度，取2℃;

t3——主井及副井的進風溫度，根據環境溫度變化取值。

表1 室外環境溫度變化與開啟數量關系對比表

室外環境溫度	開啟數量	進風量	送風溫度	混合風溫度
-3℃	10%	500 m3/min	75℃	2℃
-12℃	35%
-15℃	68%
-22℃	100%

6 基礎設施要求

熱風加熱室的外形尺寸 4.2m×3m×2.8m。

本熱風爐為先進的輕型裝配式結構，對基礎和地基的要求較高。全熱風爐總重約4噸，基礎約重2噸，全爐地基平均受力為0.47噸/M2。，僅存在輕微振動，需基礎沿長度方向留有膨脹縫，因此要求地耐力需達到0.5噸/M2以上。

基礎的厚度要求為80mm,其中由下至上分別為120mm厚C15混凝土墊層和250mm厚C20混凝土。基礎底部地基要求加3∶7灰土夯實。

墻體需留有避風朝陽的1000×400的進風口。并有防塵，防網，輸出熱風管道直徑700mm。500×500的電源電纜進入口。

除熱風爐本體外，電器柜、照明、監控等這些設備的基礎均按照工藝布置和單項設備說明書進行施工，在此不作詳細的論述。

熱風管道主要起輸送熱風的作用，要保證保溫，通暢。管道均采用A3鋼板卷制焊接而成，管道外部采用50mm硅酸鋁保溫棉進行保溫，外包鋁板裝飾。

7 三廢治理及環境保護

7.1 三廢治理

廢氣——本熱風系統無廢氣產生。

廢渣——本熱風系統無廢渣產生。

廢水——本熱風系統無廢水產生。

7.2 噪聲

噪聲來源于動力設備，而動力設備則主要是電機和風機。電機的噪音極低，本熱風爐風機符合國家標準GB12348-2008《工業企業廠界噪聲標準》中的規定要求，一般不作噪聲源處理 ，具體標準參見風機生產廠家的說明書及認證資料，一般設備運行的噪音低于85dB(A)。

8 能耗統計與管理

8.1 能耗統計

機組投入運行，單臺機組加熱耗電功率 235kw，風機耗電功率7.5kw，單臺機組耗電總功率250kw，能耗統計詳見下表。

機組開啟數	運行時間（月）	耗電量（kwh）
10%	150	25
35%	100	87.5
68%	50	170
100%	18	250

8.2 管理

(1)在遠程監控中心電腦上的“遠程監視中心畫面”中，每臺熱風爐的溫度設定可調整。

(2)在監控畫面中的控制系統面板，選擇對應的風機運行，指示燈變綠，系統控制對應輸出運行。

(3)對應的熱風爐只要其中的一路運行，風機運行(指示燈變綠)，如果風機不運行，風機運行指示燈變灰，自動關閉對應的熱風爐供電接觸器，同時報警指示閃爍。

(4)一旦主井或副井有煙霧、或有害氣體超標均會閃爍報警，系統停止運行;警報解除，系統繼續運行。

(5)主井或副井的溫度過低，低于設定溫度的20%，報警燈閃爍，僅做提示，系統繼續運行。

(6)自動控制熱風爐的運行，熱風爐的加熱系統分為5組，每組50Kw,其中有一組使用功率調整器，功率從0到50Kw連續可調，溫控器控制該調功器，當調功器輸出50Kw功率而出口溫度還沒有到設定溫度，則PLC自動增加一路加熱，依次增加。而當環境溫度變化，功率調整器輸出0功率時，PLC自動減少一路加熱，依次減少。保證出口溫度穩定在設定溫度，且實際使用功率最少。

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