矿山供热设计两种方案的对比
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摘要：通过对矿山井口预热设计中采用传统蒸汽动力燃煤锅炉（简称燃煤锅炉）供热与热动力机械热风炉（简称热风炉）供热方案比较，阐明采用热风炉供热具有热效率高，系统简洁，煤电能耗显著降低，生产不用水，环保安全等特点，是矿山供热设计最为实用、灵活、理想的设计方案选择。
关键词：热风炉 蒸汽炉 供热 节能降耗 环保
热风炉在许多方面优于燃煤锅炉，通过长时间的生产实践认识到，只有利用热风作为介质和载体才能更大提高热利用率和热工作效果。为此在矿山供热设计中有效利用现有条件，在资源短缺，环境污染严重，为节约能源消耗，提高供热效率，在矿山冬季井巷生产中，通过改变传统的供热方式，采取先进的热风炉供热，减少了污染排放，并能供给矿井新鲜清洁温度（2℃）适宜的空气，改善了劳动条件，为保障井下人员身体健康和生产安全，提供了良好的工作环境，连续不断的热风供给改变了过去冻井现象，保证矿井安全生产。
一、蒸汽锅炉房供热设计方案
1、工艺设备选型
以往如果对地下开采60万吨/年铁矿厂冬季生产的井口预热及井口建筑采暖进行供热，根据其供热负荷为5340kw，应采用二台6吨 /时蒸汽锅炉供热。锅炉主机及其辅机设备和设备用电负荷见表一。
蒸汽锅炉设备及用电负荷表一
序号 设备名称 用电量（kW） 单位 数量 备注
1 蒸汽锅炉 台 2
炉排调速器 1.1 台 2
2 鼓风机 台 2
配电动机 11 台 2
3 引风机 台 2
配电动机 30 台 2
4 冲激自激式脱硫除尘器 台 2
配电动机 3 台 2
5 垂直上煤机 台 2
配电动机 1.1 台 2
6 刮板除渣机 台 2
配电动机 1.1 台 2
7 给水泵 台 3 二用一备
配电动机 7.5 台 3
8 生水泵 台 2 一用一备
配电动机 2.2 台 2
9 除氧泵 台 2 一用一备
配电动机 2.2 台 2
10 凝水泵 台 2 一用一备
配电动机 2.2 台 2
11 砖烟囱 个 1 高40米出口直径0.8米
12 合计运行电量 116.2
2、确定锅炉房及其场地规模
根据工艺设备规格及型号，锅炉房需要设置煤仓间、锅炉间、水处理间、风机除尘间、配电控制室。锅炉房平面占地尺寸为21m×24m，结构采用24砖墙。根据耗煤量2.4吨/时和产渣量0.72吨/时确定储煤场、存渣场占地尺寸为 25 m×20 m。
3、热力系统设计
包括运煤、上煤系统，除渣、运渣系统，汽水管道系统，风烟管道系统。
4、室外供热管网
蒸汽供热管网采用不通行地沟敷设，地沟展开长度500 m。
二、热风炉房供热设计方案
1、工艺设备选型
如果采用新型设备热风炉对井口预热进行供热，根据其供热负荷4474kw（不包括井口建筑采暖），应采用一台 JRL-M-420热风炉供热，热风炉及辅机设备和设备用电负荷见表二。
热风炉设备及用电负荷表二
序号 名称 电量（kW） 单位 数量 备注
1 热风炉 台 1
炉排调速器 1.1 台 1
2 主风机 台 1
配电动机 75 台 1
3 引风机 台 1
配电动机 30 台 1
4 炉排鼓风机 台 1
配电动机 15 台 1
5 垂直上煤机 台 1
配电动机 1.1 台 1
6 刮板除渣机 台 1
配电动机 1.1 台 1
7 砖烟囱 个 1 高30米出口直径0.7米
8 合计运行电量 123.3
2、确定热风炉房及其场地规模
根据工艺设备规格及型号，锅炉房需要设置热风炉间、风机间、配电控制室。锅炉房平面占地尺寸为17m×20m，结构采用彩板或可不用土建结构。根据耗煤量1.0吨/时和产渣量0.3吨/时确定储煤场、存渣场占地尺寸为 15 m×15 m。
3、热力系统设计
包括运煤、上煤系统，除渣、运渣系统，风烟管道系统。
4、室外热风管道
换热器出口至预热井口之间热风管道可采用中、低支架架空敷设，管道展开长度15 m。
三、两个供热设计方案对比
1、热风炉及其供热特点
热风炉直接加热空气不属于压力容器，附属设备少，操作简单，安全可靠。采用热风炉供热，其技术上采取了可膨胀结构，避免了由于热膨胀造成的热应力对焊缝的破坏。所以不必担心热风炉因直接加热空气，是否存在漏风问题。同时采取管内负压通烟，空气正压管外横向冲刷烟管，压力内低外高，即使出现烟管破裂烟气也不会外漏，热风不会受到污染，送入矿井里的热风不会带有烟气，并且安全保护装置齐全，多种超温声光报警，并自动切断风机电源。
为了防止炉温过高和炉墙结焦，选取了较高炉膛过量空气系数及多回程螺旋翅片烟管新技术，极大地增加了换热面积和换热效率，炉体全部采用优质耐火砖，外保温，组合分体换热器，高温区用新材料高塑高强耐火浇注防护，从而使换热器进口烟气温度在高温达到800℃时使用寿命不低于10年。
热风炉生产高温恒压热风（80~120℃）。燃煤产生的高温烟气从燃烧炉的后上部进入高温烟气净化室净化后，净化室出来的高温烟气与换热器出口部分回用烟气混合均匀后进入换热器，换热器管内走烟气，管外走空气，空气与烟气形成逆流换热，换热器出口的烟气经引风机部分回用，部分排空；冷风通过送风机进入换热器，经过换热器加热成井口所需85℃的热风后进入井口，对井口进行防冻预热供热，热风温度可根据预热需要调整，连续供热风温度稳定性为85℃±5℃。热风炉燃煤产生的高温烟气从燃烧炉的后上部出火口喷出，进入连接燃烧炉与换热器之间的高温烟气净化室（或称过桥）进行二次燃烧，烟气夹带粉尘在净化室内经高温聚合沉降，对热风炉排出的烟尘进行净化处理，除尘效率超过80%，符合国家环保排放标准（GB13271），净化处理后的烟气经换热器换热后由引风机排空排至热风炉房烟囱。
2、热风炉使用灵活、便捷、适应性较强
热风炉整机安装出厂，根据井口预热负荷选择热风炉及其配套设备，就近安装于每个需要供热的井口旁，每个井口根据热负荷大小可配置一台至二台热风炉，操作简单，而且可以根据矿山服务现状随时拆装，使用灵活方便、快捷。井口预热的入口空气温度在－40℃时都可使用热风炉供热，对煤种也无特殊要求，采用烟煤、褐煤、无烟煤、煤粉等优劣质煤均可。
3、技术先进、工艺系统简洁、换热效率高
传统蒸汽热动力在输送过程中必须设置汽水管道及地沟或支架设施。并在井口配置多组散热器散热加热空气与冷风混合后送入井内，实质最终还是间接形成热风进行供暖，这种过程显然存在大量浪费能源及造成附属设备过多，工艺过程复杂等诸多缺点，更大问题是热源对于需要较高温度的生产要求则束手无策。新设备热风炉采用螺旋翅片管间接换热方式供热，整个供热是烟气与冷空气通过换热器进行对流换热，热空气输送过程中仅需配置一台热风机就能实现井口预热，无需汽水系统设计，所以热力系统简单，改变了蒸汽供热和井口散热器散热二次加热空气两个环节的供热方式，减少了两个环节的散热损失10%，热利用率高，燃烧效率高，热效率大于90%。热风温度及输出热负荷稳定，机械燃烧，操作简单，调节非常方便。高温气体净化除尘，尾气无黑烟，粉尘排放达国家二类地区环保标准，操作环境较干净。更为重要的是由于热风炉直接加热空气使供热系统不怕冻，解决了矿井因供热不足而造成的冻井事故，保证了生产的顺利进行。
3、节能、高效、污染少
传统燃煤锅炉冬季采暖，常年热水供应，耗煤耗电严重。热风炉供热直接加热井口送风，热效率提高10%~20%，所以供热时煤资源消耗少，实践证明，用煤量为普通式燃煤锅炉的70%，节煤高达30%。降耗燃烧后，产尘、产渣少，对环境污染减小，无二次污染，清洁环保。供热过程不需要蒸汽做热媒传热，所以供热时完全不需要供水，节水100%，且无高温污水排放。排放污染物浓度大大低于国家标准，与燃气炉排放指标相当。
4、投资省，运行费用低
热风炉全部采用工业化生产，设备结构简单、紧凑，且体积小，安装简单快捷，无水处理设备，无除尘器，配套附属设备少，节约占地面积40%。设备购置成本低，经上述投资概算，锅炉供热设备投资110万元，热风炉供热设备投资55万元，节省投资50%，。热风供热不怕冻，无需采用采暖设施和汽水供热管网，大大降低了维修费、建设锅炉房、敷设管网和管道地沟及给排水设施的建设费用。设备耐用性强，维护率低，清灰周期长，运行费仅为燃煤锅炉1/2，使用周期内无需维护，即安全又经济，用户经济效益显著提高。
四、实施效果
根据矿山生产特点，改变传统蒸汽供热方式，采用热风炉井口预热供热方式，操作简单，调节方便，劳动强度低，节省人力，节能高效，低碳环保。厂区再也看不到因蒸汽供热而使热源、管网、用热车间等四处冒汽、浪费能源现象，解决了长期冻井问题，保障矿山安全生产。
五、结束语
通过对矿山两种供热方案比较分析和对热风炉供热原理的详细阐述，尝试先进热风炉直接换热供热、高温气体净化等技术，改善了矿山供热现状，收到提高供热质量，提高环境空气质量，节能降耗的效果，达到供热稳定，最大限度提供热量目的，系统简单实用，投资小见效快，尤其是解决冻井问题，实现合理、科学利用能源，良好满足矿山供热需求。
参考文献：
【1】《锅炉房设计规范》（GB50041-2008）
【2】《工业锅炉房实用设计手册》机械工业出版社1990
【3】《环境空气质量标准》（GB3095-96）国家环境保护局1996
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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