[發明專利]一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統

有效

• 申請號: 201110397356.X
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102518461A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 吳華新;夏萬峽
• 申請（專利權）人: 清華大學;重慶同方國新能源規劃研究院有限公司
• 主分類號: E21F1/00
• 分類號: E21F1/00;E21F16/00;F28C3/06;F28D7/00;F25B30/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于余熱資源化利用技術領域，特別涉及一種以煤礦的礦井涌水和礦井排風作為熱泵低溫熱、冷源的煤礦低位次生熱能的綜合利用系統。

背景技術

煤炭在中國的能源產業與消費結構中占70％，中國經濟發展所需的能源較多的依賴煤炭，自2001年以來中國煤炭需求年增長率為12％，煤炭在中國的能源供給中的比例與數量占有絕對的優勢地位，煤炭行業也是中國首屈一指的戰略性行業。煤炭行業不僅為社會提供能源，同時煤炭的生產過程中也能耗巨大，現在煤炭儲量日益減少和人們的環境保護意識日益加強，促使人們要減少常規能源的消耗，尋找開發利用可再生能源作為常規能源的替代。

煤礦的低位次生熱能是伴隨著煤礦生產過程產生的熱能，主要是礦井涌水與礦井排風。礦井在開采過程中，都會有一定的廢水涌入巷道，其水源主要是大氣降水、地表水、斷層水、裂隙水、含水層水和采空區積水，據統計中國平均每開采1t原煤需排放2t廢水，而且水量隨著礦井生產規模的不斷擴大和開采時間的增長會逐漸加大；同時，為保證煤礦的生產安全對礦井采掘工作面的人員進行通風就會產生大量的礦井排風，煤礦的規模越大，礦井排風的排風量越大，排風井數越多。中國多數煤礦的礦井水的常年溫度為22℃，礦井回風流常年溫度在18～28℃左右，濕度在90％以上，均是非常良好的低品位能源，特別是在我國的夏熱冬冷地區，可作為熱泵系統的冬、夏季的熱源與冷源使用——在冬季作為低溫熱源制取熱，供辦公、生活區的采暖、洗浴與生產區域的井口保溫使用；在夏季作為低溫冷源制取冷，供辦公區空調使用。這些低位次生熱能既可用來可替代地面熱水鍋爐與制冷機房，又可用來改善井下的溫度、濕度環境，從而降低和減少礦山企業冬季使用鍋爐所增加的能耗和污染與夏季制冷的電耗，具有非常廣泛的應用前景。

中國專利200720043354.X公開了一種礦井回風熱能提取裝置，在礦井的排風塔中設置噴淋裝置，使排風的熱能轉移到水中，并以水作為水源熱泵的熱(冷)源。從原理上看，以這種方式從礦井排風中提取熱量是可行的，但實際中還存在一些技術問題需要解決。如現有礦井排風塔的設計時，并沒有考慮為噴淋換熱創造條件，實測的排風塔風速在10～25m/s之間。空氣高速流動的動能，會將常規噴淋裝置噴出的水滴(霧)全部或部分吹出排風塔，不僅大量失水，而且造成回收的熱量大量丟失，為克服這一缺點，只能采用大水流直淋的換熱方式；但是排風塔的高度有限，直淋的換熱方式在較對小空間與時間內完成換熱過程，熱交換過程并不充分，系統的高效率難于保證。雖然專利200920021263.5為創造更合理的氣-水換熱進行了工藝的改進——利用水源熱泵提供的低溫冷水對全部礦井排風進行三級高密度的逆向噴淋，但是三級高密度的逆向噴淋的水苗阻力較大，影響了排風塔的正常排風，同時在排風塔上設置了蓋板，改變了排風井的結構，涉及到了煤礦的生產人員的安全，也是排風塔設計規范所不允許的。

綜上，現有煤礦低位次生熱能利用過程中普遍存在的工藝過程不適合現有的熱能利用設備換熱的工藝條件，而普遍存在的系統效率低、資源單一使用的不足。

發明內容

本發明的目的在于為克服已有技術的不足之處，提出一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統，可對礦井涌水和礦井排風綜合利用，既適應了礦井涌水和礦井排風的工況，又將礦井涌水和礦井排風實現搭配，互補使用，系統具有高效、節能、環保的特點。

本發明是通過如下技術措施實現的：

本發明提出的一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統，特征在于不僅實現了礦井涌水的利用和礦井排風的有效利用，還通過熱交換塔的直接接觸式換熱段的噴淋過程實現了礦井涌水和礦井排風的搭配互補使用。

礦井涌水利用子系統的特征是由井下排水泵、沉降水池、旋流除砂器、加壓泵和水源熱泵組成的礦井涌水利用系統，這些設備通過管道順序相連，水源熱泵礦井水排出管道分為兩個分支，一個分支作為噴淋設備的供水管，另一分支作為礦井水的排水管，排水管上具有調節閥門，通過控制其開度就可以控制排水量與噴淋水量的比例。

礦井排風利用子系統的特征是在已有的礦井排風塔上，構建有利于換熱工況的熱交換塔，熱交換塔可分為三段：排風擴散段、排風直接接觸式換熱段和排風間接接觸式換熱段。其中，散流器安裝于排風擴散段；整流格柵安裝于排風直接接觸式換熱段的下部，噴頭安裝于排風直接接觸式換熱段的上部，并且在排風直接接觸式換熱段的四周安裝有電動旋起外窗；間接接觸式換熱段的入口處設置除塵擋風板，將空氣源熱泵的蒸發器(或冷凝器)安裝于排風間接接觸式換熱段的內部。空氣源熱泵除蒸發器(或冷凝器)外，接于排風間接接觸式換熱段的外部。