CN103398510B - 矿井热及湿源能量采集利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿井安全环保设备技术领域，具体涉及一种矿井热、湿源能量采集及高效利用系统。本发明主要包括布置在矿井工作面或巷道或排风口附近的溶液吸热子系统，与溶液吸热子系统连接的溶液输配及热能品位提升子系统，与溶液输配及热能品位提升子系统连接的溶液再生子系统，溶液再生子系统又与溶液吸热子系统连接；所述溶液输配及热能品位提升子系统与热用户连接。本发明既可采集矿井内空气的热、湿能源并高效利用，同时还能有效解决矿井热、湿灾害。本发明的能量采集塔高效快捷；将风机设置在能量采集塔顶部、在能量采集塔空气入口处设置百叶型挡板、能量采集塔下部设置溶液槽等使得能量采集塔实现结构功能一体化，结构简单紧凑。
Description
技术领域
本发明属于矿井安全环保设备技术领域，具体涉及一种矿井热、湿源能量采集及高效利用系统。
背景技术
随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅层煤炭资源日益减少，很多矿山相继进入深层煤炭资源开采状态。而随着开采深度的增加，地温增高，使得矿井空气温度升高，当达到一定温度时，就会产生矿井的热害问题；此外，由于某些矿井出现了地下热水等，不但使气温升高，也会使得矿井空气湿度增大，严重恶化了矿井内的作业环境，形成矿井热、湿灾害。矿井热、湿灾害是矿井生产向深部发展过程中经常面临的问题，矿井的高温、高湿环境会影响人体舒适感，易产生安全事故、降低工作效率，因此解决矿井热、湿灾害问题很有必要。目前解决矿井热、湿灾害害的措施很多，归纳起来有两个方面：
（1）非人工制冷措施，即矿井通风采用机械通风或自然通风方法，利用足够的新鲜空气来稀释矿井内高温、高湿空气，以降低空气温度和相对湿度来满足工作人员舒适度要求和安全生产要求。具体措施通常有：加大通风强度、增加通风量、改革通风方式和选择合理的通风系统。
（2）人工制冷措施，也称矿井空气调节。在高温高湿矿井中，当采用增加风量或采用合理的通风系统等非人工制冷措施无法使矿井内空气温度和湿度达到安全规程规定的标准时，就必需采取人工制冷冷却风流的方法，也就是采用制冷系统，利用降温设备对矿井内空气进行冷却并除湿。具体通常有：井下集中空调系统、地面集中空调系统、井上下联合空调系统和井下分散局部空调系统。
目前的矿井热、湿灾害的应对措施多为针对灾害的治理措施，处于一种相对被动状态，同时也依旧存在许多问题：当对矿井内空气进行降温除湿时，冷媒温度需降到空气的露点温度以下，由于矿井空气中多含粉尘，易在降温时与冷凝水凝结在一起板结，影响降温效率，同时冷媒温度较低，对于制冷系统，需采用较低的蒸发温度制冷，使得制冷系统的效率不高。而对于矿井中的热\冷、湿风流，其携带的实际上是大量的显热\冷和潜热，这也是一种潜在的可供利用的能源。当矿井空气焓值低于大气焓值时，矿井空气携带的能量可表现为冷量；当矿井空气焓值大于空气焓值时，矿井空气携带的能量表现为热量。为解决矿井热、湿灾害问题，需要变被动为主动，提出一种能够主动利用矿井热、湿能源并防治矿井热、湿灾害的集成系统，该系统能主动采集矿井空气的能量，并对采集后的能量进行品位提升加以利用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种能够主动利用矿井热、湿源能量并防治矿井热、湿灾害的矿井热及湿源能量采集利用系统，当矿井内空气的焓值大于外界环境空气的焓值时，可采集利用矿井空气中的热量；当矿井内空气的焓值低于外界环境空气的焓值，可采集利用矿井空气的冷量。该系统不仅能回收利用矿井内空气的显热和潜热，又能提高其能源品位，实现能源的梯级利用，是一种全新的解决矿井高温、高湿灾害问题的技术构思。
本发明是通过如下的技术方案来实现的：该矿井热及湿源能量采集利用系统，它包括布置在矿井工作面或巷道或排风口附近的溶液吸热子系统，与溶液吸热子系统连接的溶液输配及热能品位提升子系统，与溶液输配及热能品位提升子系统连接的溶液再生子系统，溶液再生子系统又与溶液吸热子系统连接；所述溶液输配及热能品位提升子系统与热用户连接。
具体地，所述溶液吸热子系统包括圆筒状的能量采集塔，与能量采集塔上部一侧通过管道连接的第一溶液泵，以及安装于能量采集塔顶部的第一风机，所述第一溶液泵与溶液再生子系统相连。
进一步，所述能量采集塔包括安装于塔内风机之下的捕沫器，捕沫器之下安装有溶液喷头，溶液喷头通过管道与所述第一溶液泵连接；能量采集塔底部设有溶液槽，溶液槽下部设有排污口，排污口上设有排污阀，溶液槽上部通过管道与所述溶液输配及热能品位提升子系统连接，该管道上设有截止阀；在能量采集塔下部设有矿井空气进气口，矿井空气进气口与均匀布置在能量采集塔塔身圆周面上的若干送风口联通，该送风口的中心线与该处塔身外圆周切线成小于或大于90度的角度；在所述矿井空气进气口处安装有百叶型挡板，百叶型挡板之下设有碎石和尘粒降收集箱。
具体地，所述溶液再生子系统包括溶液再生器，与溶液再生器上部一侧通过管道连接的第二溶液泵，与溶液再生器下部一侧通过管道连接的储液罐，以及安装于溶液再生器顶部的第二风机；所述储液罐与溶液吸热子系统的第一溶液泵连接，所述第二溶液泵与溶液输配及热能品位提升子系统。
具体地，所述溶液输配及热能品位提升子系统包括热泵，以及第三溶液泵；所述第三溶液泵的入口与溶液吸热子系统的溶液槽上部的管道连接，第三溶液泵的出口通过管道与热泵的入口连接；所述热泵的出口通过管道与溶液再生子系统的第二溶液泵的入口连接，热泵的出口与热用户连接；所述各管道上均设有阀门。
具体地，所述热泵为水冷式热泵。所述的溶液为吸湿性盐溶液。
本发明首先将矿井内空气的显热和潜热在能量采集塔中通过浓盐溶液进行采集，由于采集过后的能量热能品位偏低，可利用范围较小，所以需通过热泵将所采集的能量进一步提升为高品位能源，提高能源的利用价值，然后通过溶液再生器实现对溶液的再生，继续采集矿井风流中的能量，反复循环。溶液再生时可采用矿井排风或大气环境中的空气对溶液进行再生，再生能源易得，对环境所造成的影响较小。因此，本发明既可采集矿井内空气的热、湿能源并高效利用，同时还能有效解决矿井热、湿灾害。本发明的能量采集塔利用盐溶液以化学能的形式将从矿井风流中采集到的能量采集并储存，高效快捷；将风机设置在能量采集塔顶部、在能量采集塔空气入口处设置百叶型挡板、能量采集塔下部设置溶液槽等使得能量采集塔实现结构功能一体化，结构简单紧凑。通过能量采集塔后的矿井空气含湿量大大降低，送入工作面，承担此处的湿负荷，由于制冷系统可以不再承担空气的湿负荷，因此制冷系统在运行时即可采用较高的蒸发温度，制冷系统的COP明显提高。系统使用的盐溶液以化学能的形式储存能量，能量密度大、便于远程输送且输送能耗小，使得整个系统运行稳定可靠。
附图说明
图1是本发明实施例的系统结构示意图。
图2是夏季时系统工作原理示意图。
图3是冬季时系统工作原理示意图。
图4是能量采集塔的结构示意图。
图5是图4中百叶型挡板部分的结构示意图。
图6是图4中溶液喷头的俯视图。
图7是图4中送风口的空气进入示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1、图2、图3，本实施例的矿井热及湿源能量采集利用系统包括溶液吸热子系统、溶液输配及热能品位提升子系统和溶液再生子系统。同时参见图4，溶液吸热子系统包括圆筒状的能量采集塔1，与能量采集塔1上部左侧通过管道连接的第一溶液泵7，以及安装于能量采集塔1顶部的第一风机16，矿井空气从塔身下部进入。从图4中可见，能量采集塔1包括安装于塔内风机16之下的捕沫器17，捕沫器17能避免空气流将溶液带出能量采集塔1，捕沫器17之下安装有溶液喷头18，溶液喷头18通过管道与第一溶液泵7连接；参见图6，是溶液喷头18的俯视图，图中可见喷嘴26布置均匀，使溶液均匀喷洒，得以与空气充分进行热质交换，溶液为浓盐溶液。能量采集塔1底部设有溶液槽21，溶液槽21下部设有排污口，排污口上设有排污阀22，溶液槽21上部通过管道与溶液输配及热能品位提升子系统连接，该管道上设有截止阀23；在能量采集塔1下部设有矿井空气进气口，同时参见图7，矿井空气进气口与均匀布置在能量采集塔1塔身圆周面上的若干送风口25联通，送风口25的中心线与该处塔身外圆周切线成小于或大于90度的角度；矿井空气从塔身下部的进风口25进入，因进风口25沿塔身均匀布置一周，气流通过进风口25以一定的角度进入能量采集塔1，使气流在塔内形成旋流上升，至顶部由设置在塔顶的第一风机16排出，使得空气在能量采集塔1内形成流通的空气流；能量采集塔1为无填料型结构，盐溶液从上部通过均匀布置的喷嘴26向下喷淋，空气流为由下而上的涡流，与溶液形成逆流，空气与溶液发生热质交换；矿井空气在塔内形成的旋流不仅可以强化与盐溶液的热质交换，又可以在离心力的作用下使微小粉尘附着于能量采集塔1的壁面附近与盐溶液接触而被捕集。同时参见图5，在矿井空气进气口处安装有双层的百叶型挡板19，百叶型挡板19之下设有碎石和尘粒降收集箱20；由于矿井空气多含碎石、粉尘等，因此首先在能量采集塔1的空气进气口处设置双层百叶型挡板19，当空气流流经挡板时，气流转变方向，碎石及较大尘粒由于惯性作用，被百叶型挡板拦截降落，百叶型挡板下部设置可拆卸的收集箱20，降落的碎石和尘粒可收集在收集箱20内，当收集箱20装满时可人工清除。捕集了粉尘的盐溶液由下排出到能量采集塔下部的溶液槽21，含有粉尘的溶液在溶液槽21内沉降，沉降后的粉尘可从排污口排出；在溶液槽21内收集的粉尘与溶液得到充分分离后，溶液被送入溶液输配及热能品位提升子系统进行热能品位的提升。矿井空气与盐溶液发生热质交换之后，矿井空气湿度大幅降低，且盐溶液对空气还具有一定的杀菌作用，所以从能量采集塔1顶部出来之后的矿井空气可继续送入工作面附近，承担工作面空气的湿负荷，此时对于矿井降温的制冷系统因只需承担热负荷故可采用较高的蒸发温度，从而大大提高制冷系统的COP。
参见图1、图2、图3，溶液输配及热能品位提升子系统包括热泵3，以及第三溶液泵2；第三溶液泵2的入口与溶液吸热子系统的溶液槽21上部的管道连接，第三溶液泵2的出口通过管道与热泵3的入口连接；热泵3的出口通过管道与溶液再生子系统的第二溶液泵4的入口连接，热泵3的出口还与热用户连接；从图中可见，各管道上分别设有阀门8、阀门9、阀门10、阀门11、阀门12、阀门13、阀门14、阀门15。热泵3为水冷式热泵，当能量采集塔1内溶液采集矿井空气中的能量后，采集到的能量品位偏低，可利用的范围较小，经热泵3进行提升后，即可直接供冷或供热。溶液和水通过阀门进行不同使用工况下的切换，控制溶液和水的进出口流向；溶液在能量采集塔1内采集的为热量时，溶液进入热泵蒸发器，经热泵冷凝器制出的热水除少部分用于提供溶液再生热外，大部分供给热用户；溶液在能量采集塔内采集的为冷量时，溶液进入热泵冷凝器，经热泵蒸发器制出的冷冻水，可用作夏季空调等；具体是，热泵3的蒸发器和冷凝器的入口通过阀门8、9和阀门10、11分别连接能量采集塔1的溶液出口和外界水的入口，热泵3的蒸发器和冷凝器的出口分加通过阀门12、13和阀门14、15连接溶液再生器5的入口端和外界用户端，当溶液在能量采集塔1内采集的为热量时，阀门8、11、12、15打开，阀门9、10、13、14关闭，采集后的溶液通过阀门8进入热泵3的蒸发器，经蒸发器以后通过阀门12进入溶液再生子系统，外界冷水通过阀门11进入热泵3的冷凝器，经热泵冷凝器以后通过阀门15输送给用户端；当溶液在能量采集塔1内采集的为冷量时，阀门9、10、13、14打开，阀门8、11、12、15关闭，采集后的溶液通过阀门9进入热泵3的冷凝器，经冷凝器以后通过阀门13进入溶液再生子系统，外界水通过阀门10进入热泵3的蒸发器，经过热泵蒸发器以后通过阀门14输送给用户端。溶液在能量采集塔1内和空气进行热质交换后，浓度会有一定的变化，需经再生来恢复其浓度。其中第三溶液泵2实现溶液的输送，将能量采集塔1采集过后的溶液送入热泵机组中进行品位提升。
参见图1、图2、图3，溶液再生子系统包括溶液再生器5，与溶液再生器5上部左侧通过管道连接的第二溶液泵4，与溶液再生器5下部右侧通过管道连接的储液罐6，以及安装于溶液再生器5顶部的第二风机24；从图中可见，储液罐6的出口与溶液吸热子系统的第一溶液泵7的入口连接，第二溶液泵4与溶液输配及热能品位提升子系统的热泵3连接。当溶液采集能量并提升利用以后需要对溶液进行再生才可以恢复溶液浓度，以保证系统可以连续运行；其中，溶液再生器5对溶液进行再生，布置在矿井排风口附近，在夏季，由于矿井口的排风温度相对较低，此时采用矿井排风对溶液再生时可获得更大的再生温差；在冬季，由于大气环境中的空气温度相对较低，采用环境空气对溶液再生即可有较大的再生温差；第二溶液泵4将溶液从输配及热能品位提升子系统的热泵3中送入溶液再生器5；储液罐6贮存再生后的盐溶液，可保证系统运行的连续性，然后通过溶液吸热子系统的第一溶液泵7将再生后的溶液送入能量采集塔1，对矿井风流中的能量进行持续采集，如此可反复循环。
Claims (4)
1.一种矿井热及湿源能量采集利用系统，它包括布置在矿井工作面或巷道或排风口附近的溶液吸热子系统，与溶液吸热子系统连接的溶液输配及热能品位提升子系统，与溶液输配及热能品位提升子系统连接的溶液再生子系统，溶液再生子系统又与溶液吸热子系统连接；所述溶液输配及热能品位提升子系统与热用户连接；所述溶液吸热子系统包括圆筒状的能量采集塔，与能量采集塔上部一侧通过管道连接的第一溶液泵，以及安装于能量采集塔顶部的第一风机，所述第一溶液泵与溶液再生子系统相连；所述的溶液为吸湿性盐溶液；其特征在于：所述能量采集塔包括安装于塔内风机之下的捕沫器，捕沫器之下安装有溶液喷头，溶液喷头通过管道与所述第一溶液泵连接；能量采集塔底部设有溶液槽，溶液槽下部设有排污口，排污口上设有排污阀，溶液槽上部通过管道与所述溶液输配及热能品位提升子系统连接，该管道上设有截止阀；在能量采集塔下部设有矿井空气进气口，矿井空气进气口与均匀布置在能量采集塔塔身圆周面上的若干送风口联通，该送风口的中心线与该处塔身外圆周切线成小于或大于90度的角度；在所述矿井空气进气口处安装有百叶型挡板，百叶型挡板之下设有碎石和尘粒降收集箱。
2.根据权利要求1所述的矿井热及湿源能量采集利用系统，其特征在于：所述溶液再生子系统包括溶液再生器，与溶液再生器上部一侧通过管道连接的第二溶液泵，与溶液再生器下部一侧通过管道连接的储液罐，以及安装于溶液再生器顶部的第二风机；所述储液罐与溶液吸热子系统的第一溶液泵连接，所述第二溶液泵与溶液输配及热能品位提升子系统连接。
3.根据权利要求2所述的矿井热及湿源能量采集利用系统，其特征在于：所述溶液输配及热能品位提升子系统包括热泵，以及第三溶液泵；所述第三溶液泵的输入端与溶液吸热子系统的溶液槽上部的管道连接，第三溶液泵的输出端通过管道与热泵的输入端连接；所述热泵的输出端通过管道与溶液再生子系统的第二溶液泵的输入端连接，热泵的输出端与热用户连接；所述各管道上均设有阀门。
4.根据权利要求3所述的矿井热及湿源能量采集利用系统，其特征在于：所述热泵为水冷式热泵。
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