副井井筒防冻加热系统的优化设计

【摘要】针对一个具体的工程实例，从初投资、运行费用等方面，分析和探讨了采用热风炉和燃煤锅炉+空气加热器两种方式预热井筒的设计方案。最后得出，采用热风炉预热井筒的方案更经济、更合理。

【关键词】副井;井筒防冻;热风炉;燃煤锅炉;空气加热

0.引言

在严寒或寒冷地区，室外采暖计算温度等于或低于-4℃的竖井，等于或低于-5℃的进风斜井和等于或低于-6℃的进风平硐，应对送入井口的冷空气进行加热，否则井筒结冰会影响煤矿的安全生产[1]、[2]。目前，工程中常用的井筒防冻加热方式有两种[3]：一种是利用燃煤锅炉+空气加热器的空气预热方式。该方式是利用锅炉产生的蒸汽加热部分空气，再与井筒中的冷空气混合至2℃送入井内；另一种是利用热风炉直接加热部分空气送入井筒，与冷空气混合至2℃送入井内。针对这两种方式，以一个具体的工程实例，从初投资、运行费用和厂区布局方面，探讨最佳的设计方案。

1.工程实例

某铁矿厂副井井筒，直径为5m，副井深约一百米，实测井筒的最大送风量为147m3/s，当地最近20年内的极端最低温度tw=-11℃。考虑到厂区的布局，若采用锅炉+空气加热器的压入式送风方式，燃煤蒸汽锅炉需新建在距井口房约二百米的原有锅炉房附近，空气加热器设在井口房内，沿副井井口两侧的外墙布置，加热后的空气依靠井筒内的负压吸入副井内，与井内冷空气混合；若采用热风炉加热方式，热风炉室则可新建在井口房附近的空地上，热空气通过热风巷道沿冻土层以下直接送入副井井口内，与冷空气混合送入井筒。

2.两种防冻供热方式的投资费用估算

井筒防冻加热方式的投资费用包括初投资和运行费用。初投资包括设备采购费、安装费、工程建设其他费用等；运行费用主要包括耗煤量、耗电量、水费、人工费等。

2.1初投资比较

热风炉加热方式的初投资主要是热风炉、辅助设备费和安装费等；蒸汽锅炉+空气加热器方式的初投资包括燃煤蒸汽锅炉及配套设备费、空气加热器费用和管道投资费等。接下来，由副井井筒的已知参数，先确定两种加热方式的设备型号。

井筒防冻需加热的风量：

G=G×（1）

式中：G——井筒的总送风量，m/s；

t—— 入井后的混合空气温度，℃，t=2℃；

t—— 室外空气计算温度，℃，t=-11℃；

t—— 加热后的空气温度，℃，热风炉方式：取t=100℃，燃煤锅炉+空气加热器方式：取t=60℃；

井筒防冻的耗热量：

Q=K×G××c×(t-t)（2）

式中：K——热损失系数。当采用热风炉时，表示热风道的热损失系数，一般取1.05～1.10，本例中K=1.10；当采用燃煤蒸汽锅炉+空气加热器时，表示锅炉、管道及空气加热器的热损失系数，一般取1.20～1.30，本例中K1=1.30；

——热空气的容重，kg/m，取=1.284 kg/m；

c——空气比热，kJ/(kg. ℃)，取1.01 kJ/(kg•℃)；其他符号同上式。

空气加热器的供热量：

Q"=K×F×△t=G×c×(t-t)（3）

△t=t- （4）

K=A(v) （5）

空气加热器的有效截面积：F=（6）

加热器所需要的加热面积：F"=（7）

式中：K——空气加热器的传热系数，W/(m•K)，本例中选用SRZ22X7D型空气加热器，A=13.6，B=0.49;

F——加热器的加热面积，m；

v——空气质量流速，kg/(m•s)，一般取 v=8 kg/(m•s)；

△t——热媒与空气之间的平均温差，℃，

t—— 0.4MPa时的饱和蒸汽温度，℃，t=152℃；式中其他符号同上。

通过公式（1）～（7）[4]、[5]的计算可选择热风炉、燃煤蒸汽锅炉和空气加热器的型号。设备型号、技术参数及价格详见表1和表2。所选的手烧式热风炉、燃煤蒸汽锅炉、配套辅机的型号和参数列于表3

表1 热风炉和蒸汽锅炉型号及技术参数表

表2 空气加热器型号及技术参数表

表3 热风炉和蒸汽锅炉配套辅机型号及参数表

2.2运行费用分析

对于热风炉加热方式，运行费用主要有耗煤量、耗电量；而对于燃煤锅炉+空气加热器加热方式，运行费用除了耗煤量和耗电量外，还包括耗水量和水处理所需的费用。在计算年运行费用时，电费取0.54元/kW•h，水费取2.95元/m3；煤价取650元/吨。其中，燃煤蒸汽锅炉用水量一般按额定蒸发量的20%～40%估算[6]，本例中按30%计算。由此可以计算出，热风炉方式的年运行费用约为123万元，蒸汽锅炉+空气加热器方式的年运行费用约为155万元。此外，蒸汽锅炉+空气加热器方式还未计入消耗的树脂费、盐费、清洗锅炉费和化验仪器仪表费等。

3.结论

3.1投资、运行费用方面

（1）初投资。两种防冻加热方式的投资费用相差不大。然而，若采用燃煤蒸汽锅炉+空气加热器方式，为实现厂区的合理布局，锅炉房需建在距井口房约200米的原有锅炉房附近，因而增加了输送蒸汽的管道投资费用。（2）运行费用。从分析结果得出，燃煤蒸汽锅炉+空气加热器方式明显高于热风炉方式的运行费用。

3.2合理布局方面

热风炉供热方式是受输送距离限制的，一般热风炉送至井筒的热风巷道断面较大，热风炉室距井筒越远，热损失就越大，而且送风机的风压越高，消耗的功率增大，从而增加了整个系统的投资费用。本工程实例利用了这一优点，节省了投资并且更有效的利用了热能。

3.3换热效率方面

蒸汽锅炉+空气加热器方式是利用燃煤发热量将水加热为饱和蒸汽，饱和蒸汽再加热空气使其升温。与热风炉直接加热空气的方式相比，这种经过二次换热来加热空气的方式，其供热效率势必会降低。而且随着系统的运行，锅炉的受热面结垢会进一步影响热能的利用率。综上可知，热风炉用于该井筒防冻的加热方式从布局、经济性和热能利用率方面都优于燃煤锅炉+空气加热器方式。

【参考文献】

［１］闵彦.井筒防冻采用热风炉的优越性[J].煤炭工程，2005，2：19-20.

［２］GB50215-94.煤炭工业矿井设计规范[S].

［３］张佳兵.浅谈寒冷地区煤矿井筒保温防冻设计[J].科技情报开发与经济，2008,18(28)：222-223.

［４］郑万兵.煤矿井筒防冻的无风机方式及耗热量计算[J].工业安全与环保，2003,29(6)：14-15.

［５］韩用坤.煤矿井筒防冻实例分析[J].中州煤炭，2004,129(4)：26-27.

［６］GB50041-92.锅炉房设计规范[S].

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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