CN109724278B - 一种煤田火区热能综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤田火区热能综合利用系统，属于煤田火区废弃热能回收技术领域。该系统包括分布式煤田火区热能发电系统和分布式煤田火区提热供暖系统，前者可将煤田火区热能转化为清洁电能，后者可直接从煤田火区直接提取热量用于供暖。另外，本发明中采用供暖循环节水回路和发电‑供暖循环水回路的双节水设计，实现了水资源重复利用。本发明提出的煤田火区热能的综合利用和水循环设计，不仅解决了附近居民和农业用电供暖的问题，加快了灭火进程，而且也解决了传统工艺中灭火用水量大的问题，具有很大的应用价值和开发前景。该系统降低了煤田火区温度，节省了灭火材料和降低了灭火治理成本，同时还使煤田火区废弃热能得到更高效地利用。

Description

一种煤田火区热能综合利用系统

技术领域

本发明属于煤田火区废弃热能回收技术领域，具体涉及一种煤田火区热能综合利用系统。

背景技术

煤火是指自然环境下或人为因素下，煤炭因氧化聚热引发燃烧并不断发展形成的大面积煤田火灾。煤田火灾会造成严重的煤炭资源损失、大气与水环境污染、生态环境破坏和地质灾害，威胁着煤矿的生产安全。煤田火区虽然燃烧温度高，范围大，但是其蕴含着巨大的热能。

目前，煤火治理工作主要集中在剥离、钻探、注水、注浆、覆盖的五大传统工艺上，该传统工艺灭火用水量大，导致灭火工程花费巨大，甚至超过煤炭本身的价值；另外，这些工艺都是将火区热能当作一种灾害源进行治理，治理过程中热能全部散失，不能进行有效利用，造成了巨大的能量损失。国内外对煤田火灾大多停留在治理层面上，回收利用废弃能源工作开展较少。因此，势必要转变将煤田火区的热能作为灾害的传统思维，提出一种“以用代治”的煤火治理新思路。

公开号为CN106787951A的专利公开了一种新型热管煤田火区热能提取发电系统，该系统包括深入地下煤田火区的钻孔、温差发电片组、冷却器、重力导热热管，重力导热热管内部具有导热介质，重力导热热管由冷凝段、隔热段和吸热段构成，冷凝段放置在地面上，吸热段深入钻孔内，在冷凝段与吸热段之间设有隔热段，温差发电片组的热端贴在新型超长力导热热管的冷凝段外表面，温差发电片组的冷端与冷却器接触，热端和冷端形成的温度差以实现热电转换。然而，该系统发电效率较低，且热能无法得到更充分地利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤田火区热能综合利用系统，该系统能够降低煤田火区温度，节省灭火材料，降低灭火治理成本，同时还能够使煤田火区废弃热能得到更高效地利用。

为实现上述目的，一种煤田火区热能综合利用系统，包括分布式煤田火区热能发电系统，所述分布式煤田火区热能发电系统包括温差发电片组和冷却装置，煤田火区上设有深入地下的地面钻孔，地面钻孔中设有底部封闭的导热热管，导热热管内填充有导热介质，导热热管由吸热段、隔热段和冷凝段构成，吸热段深入地面钻孔内用于吸取煤田火区的热量，冷凝段设置在地面上，隔热段设置在吸热段与冷凝段之间；所述温差发电片组的高温端嵌在冷凝段的外表面，温差发电片组的低温端和冷却装置接触，高温端和低温端形成的温度差实现热电转换；

还包括分布式煤田火区提热供暖系统，分布式煤田火区提热供暖系统包括热提取管、换热器和居民用户室内暖气系统，热提取管包括底部封闭的外部导热管和套设在外部导热管中心的内部汽化管，外部导热管设在地面钻孔中，内部汽化管的底端高于外部导热管的底端，内部汽化管与储气室管路连通；所述换热器上设有壳程出口、壳程入口、管程出口和管程入口，壳程出口与冷却装置的进口管路连通，壳程入口与储气室管路连接，管程出口通过供暖管路与居民用户室内暖气系统连通，居民用户室内暖气系统通过出水管与管程入口连通；冷却装置的出口与外部导热管管路连接。

进一步的，所述管程出口通过供暖管路还与生态园的暖气系统进水口相连；暖气系统出水口通过出水管与管程入口相连。

进一步的，所述热提取管还包括设置在外部导热管顶端的绝热盖和设置在外部导热管底端的固定底座；所述绝热盖包括密封焊接壳体，壳体内填充保温隔热材料；所述固定底座为锥形。

优选的，所述外部导热管由强导热性的钢材制成，内部汽化管由强隔热性的材料制成。

进一步的，所述换热器还包括设置在换热器内的紊流板。

进一步的，所述冷却装置的进口与壳程出口之间的连接管路上设置有水泵和水路闸门，冷却装置的出口与外部导热管之间的连接管路上设置有流量计和电磁阀门；壳程入口与储气室之间的连接管路上设置有流量计；管程出口处的供暖管路上设置有水泵；接入居民用户室内暖气系统和暖气系统的供暖管路上分别设置有水路闸门。

优选的，所述热电转换的电能传输至变电室，变电室为生态园的照明系统、灌溉系统、通风系统分别提供电能。

优选的，所述温差发电片组由多组温差发电片串、并联结合构成，通过改变温差发电片串、并联连接方法或改变冷却装置中冷却水流量来实现对热电转化电流电压大小的控制。

优选的，所述导热热管和冷却装置均为圆柱筒状。

与现有技术相比，本发明包括分布式煤田火区热能发电系统和分布式煤田火区提热供暖系统，分布式煤田火区热能发电系统可将煤田火区热能转化为清洁电能，分布式煤田火区提热供暖系统可直接从煤田火区直接提取热量用于供暖。另外，换热器中管程内的水加热后用于供暖，供暖后水冷却又重新进入换热器中的管程内往复循环供暖，构成供暖循环节水回路；换热器中壳程内的蒸汽热源由热提取管传输而来，蒸汽热源在换热器中与管程内的供暖水进行热交换后形成冷凝水从壳程出口排出，并通过水泵和水路闸门输送至冷却装置中，从冷却装置中流出的冷却水又回到热提取管中形成蒸汽热源，蒸汽热源经过储气室传输至换热器的壳程中，构成发电-供暖循环水回路；本发明中采用供暖循环节水回路和发电-供暖循环水回路的双节水设计，实现了水资源重复利用。

本发明提出的煤田火区热能的综合利用和水循环设计，解决了附近居民和农业用电供暖的问题，实现了煤田火区热能绿色经济高效利用，建立了地下煤火热能利用与地表生态恢复的综合体系，即形成煤火治理、废热发电、废热供暖、生态节约的一体化布局，具有很大的应用价值和开发前景。该系统可实现将煤层热量传递到外部，降低了煤田火区温度，从而加快了灭火进程，解决了传统工艺中灭火用水量大的问题，节省灭火材料，降低灭火治理成本，同时还能够使煤田火区废弃热能得到更高效地利用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中：1、出水管，2、导热热管，2.1、吸热段，2.2、隔热段，2.3、冷凝段，3、温差发电片组，4、冷却装置，5、变电室，6、生态园，6.1、照明系统，6.2、灌溉系统，6.3、通风系统，6.4、暖气系统，7、居民用户室内暖气系统，8、换热器，8.1、壳程出口，8.2、壳程入口，8.3、紊流板，8.4、管程出口，8.5、管程入口，9、热提取管，9.1、绝热盖，9.2、外部导热管，9.3、内部汽化管，9.4、固定底座，10、储气室，11、水泵，12、电磁阀门，13、流量计，14、水路闸门，15、供暖管路，16、煤田火区。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示的一种煤田火区热能综合利用系统，包括分布式煤田火区热能发电系统，所述分布式煤田火区热能发电系统包括温差发电片组3和冷却装置4，煤田火区16上设有深入地下的地面钻孔，地面钻孔中设有底部封闭的导热热管2，导热热管2内填充有导热介质，导热热管2由吸热段2.1、隔热段2.2和冷凝段2.3构成，吸热段2.1深入地面钻孔内用于吸取煤田火区16的热量，冷凝段2.3设置在地面上，隔热段2.2设置在吸热段2.1与冷凝段2.3之间；所述温差发电片组3的高温端嵌在冷凝段2.3的外表面，温差发电片组3的低温端和冷却装置4接触，高温端和低温端形成的温度差实现热电转换；

该系统还包括分布式煤田火区提热供暖系统，分布式煤田火区提热供暖系统包括热提取管9、换热器8和居民用户室内暖气系统7，热提取管9包括底部封闭的外部导热管9.2和套设在外部导热管9.2中心的内部汽化管9.3，外部导热管9.2设在地面钻孔中，内部汽化管9.3的底端高于外部导热管9.2的底端，内部汽化管9.3与储气室10管路连通；所述换热器8上设有壳程出口8.1、壳程入口8.2、管程出口8.4和管程入口8.5，壳程出口8.1与冷却装置4的进口管路连通，壳程入口8.2与储气室10管路连接，管程出口8.4通过供暖管路15与居民用户室内暖气系统7连通，居民用户室内暖气系统7通过出水管1与管程入口8.5连通；冷却装置4的出口与外部导热管9.2管路连接。

为了更加高效地利用煤田火区废弃热能，所述管程出口8.4通过供暖管路15还与生态园6的暖气系统6.4进水口相连；暖气系统6.4出水口通过出水管1与管程入口8.5相连；所述热电转换的电能传输至变电室5，变电室5为生态园6的照明系统6.1、灌溉系统6.2、通风系统6.3分别提供电能；所述变电室5也可以为家庭供电或办公场所供电，不过一般家庭供电或办公场所用电都有稳定的电源，所以本发明中变电室5电能传输至生态园6。

所述热提取管9还包括设置在外部导热管9.2顶端的绝热盖9.1和设置在外部导热管9.2底端的固定底座9.4；所述绝热盖9.1包括密封焊接壳体，壳体内填充保温隔热材料，绝热盖9.1可防止热量的损失；所述固定底座9.4为锥形，固定底座9.4起到定位和固定外部导热管9.2的作用。

为了使煤田火区的热量快速的传送到外部导热管9.2内的导热介质中，所述外部导热管9.2由强导热性的钢材制成，为了防止内部汽化管9.3内的热量向外部导热管9.2传递，从而使内部汽化管9.3内的热量尽可能多的传输至储气室10内，内部汽化管9.3由强隔热性的材料制成。

为了提高换热器8的热交换效果，所述换热器8还包括设置在换热器8内的紊流板8.3。

为了控制发电效率和供暖热量，所述冷却装置4的进口与壳程出口8.1之间的连接管路上设置有水泵11和水路闸门14，冷却装置4的出口与外部导热管9.2之间的连接管路上设置有流量计13和电磁阀门12；壳程入口8.2与储气室10之间的连接管路上设置有流量计13；管程出口8.4处的供暖管路15上设置有水泵11；接入居民用户室内暖气系统7和暖气系统6.4的供暖管路15上分别设置有水路闸门14。

所述温差发电片组3由多组温差发电片串、并联结合构成，通过改变温差发电片串、并联连接方法或改变冷却装置4中冷却水流量来实现对热电转化电流电压大小的控制。

为了提高导热热管2和冷却装置4的传热效果，所述导热热管2和冷却装置4均为圆柱筒状。

分布式煤田火区热能发电系统工作原理：首先从煤田火区16向地下施工钻孔，安设地下导热热管2，冷凝段2.3放置在地面上，吸热段2.1深入地面钻孔内用于吸取煤田火区的热量，二者之间设有隔热段2.2，将导热介质注入到吸热段2.1中，导热介质吸收煤田火区16热量汽化并向上运移，经过隔热段2.2后在冷凝段2.3内表面液化放热，液化的导热介质在重力作用下回到吸热段2.1，再次吸热汽化，构成热能提取的循环过程。导热介质在冷凝段2.3内表面液化放热使温差发电片组3的热端维持较高温度，温差发电片组3的冷端通过冷却装置4维持较低温度，热端和冷端形成温度差，利用温差发电片组3热电材料的Seebeck效应进行温差发电以实现热电转换。热电转换的电能传送至变电室5，变电室5为生态园6的照明系统6.1、灌溉系统6.2、通风6.3系统分别提供电能。

分布式火区提热供暖系统工作原理：首先从煤田火区16向地下施工钻孔，安设地下热提取管9，来自分布式煤田火区热能发电系统中冷却装置4中的冷却水沿圆筒壁流入外部导热管9.2中，冷却水高温条件下吸热汽化为蒸汽热源，从内部汽化空心管9.3中向上溢出至储气室10内，不断带走地下煤火热量。蒸汽热源统一收集到储气站10达到一定压力和温度要求，蒸汽热源经过流量计13经过壳程入口8.2通入换热室8，在紊流板8.3的扰流作用下，蒸汽热源和管程内的冷水进行充分换热，加热后的水从管程出口8.4流出后并经过水泵11加压通过供暖管道15分两路送往居民用户室内暖气系统7和生态园6的暖气系统6.4，进户前可由水路闸门控制流量，通过暖气系统7和暖气系统6.4中的暖气片放出热量维持室温。供暖后的水冷却汇集到出水管1通过管程入口8.5重新进入换热器8中换热，形成供暖循环节水回路。

蒸汽热源和管程内的冷水进行充分换热后，蒸汽热源冷凝成凝结水从壳程出口8.1流出并通过水泵11和水路闸门14流入发电系统中的冷却装置4中，从而形成发电-供暖循环节水回路。在发电-供暖循环节水回路中，冷却水进入发电系统的冷却装置4以维持温差发电片组3冷端的低温条件，通过水路闸门14调节冷却水的流速流量，以控制温差发电的电流电压大小，完成散热降温后的冷却水经过流量计13并由电磁阀门12自动控制，最后流入供暖系统的热提取管9中吸热蒸发，蒸汽热源进入换热器8中与供暖水充分换热后降温冷凝，凝结水通过水泵加压再次打入发电系统的冷却装置4中，形成往复冷却-吸热-换热-冷凝的发电-供暖循环节水回路。

Claims (9)

1.一种煤田火区热能综合利用系统，包括分布式煤田火区热能发电系统，所述分布式煤田火区热能发电系统包括温差发电片组(3)和冷却装置(4)，煤田火区(16)上设有深入地下的地面钻孔，地面钻孔中设有底部封闭的导热热管(2)，导热热管(2)内填充有导热介质，导热热管(2)由吸热段(2.1)、隔热段(2.2)和冷凝段(2.3)构成，吸热段(2.1)深入地面钻孔内用于吸取煤田火区(16)的热量，冷凝段(2.3)设置在地面上，隔热段(2.2)设置在吸热段(2.1)与冷凝段(2.3)之间；所述温差发电片组(3)的高温端嵌在冷凝段(2.3)的外表面，低温端和冷却装置(4)接触，温差发电片组(3)的高温端和低温端形成的温度差实现热电转换；

其特征在于：还包括分布式煤田火区提热供暖系统，分布式煤田火区提热供暖系统包括热提取管(9)、换热器(8)和居民用户室内暖气系统(7)，热提取管(9)包括底部封闭的外部导热管(9.2)和套设在外部导热管(9.2)中心的内部汽化管(9.3)，外部导热管(9.2)设在地面钻孔中，内部汽化管(9.3)的底端高于外部导热管(9.2)的底端，内部汽化管(9.3)与储气室(10)管路连通；所述换热器(8)上设有壳程出口(8.1)、壳程入口(8.2)、管程出口(8.4)和管程入口(8.5)，壳程出口(8.1)与冷却装置(4)的进口管路连通，壳程入口(8.2)与储气室(10)管路连接，管程出口(8.4)通过供暖管路(15)与居民用户室内暖气系统(7)连通，居民用户室内暖气系统(7)通过出水管(1)与管程入口(8.5)连通；冷却装置(4)的出口与外部导热管(9.2)管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述管程出口(8.4)通过供暖管路(15)还与生态园(6)的暖气系统(6.4)进水口相连；暖气系统(6.4)出水口通过出水管(1)与管程入口(8.5)相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述热提取管(9)还包括设置在外部导热管(9.2)顶端的绝热盖(9.1)和设置在外部导热管(9.2)底端的固定底座(9.4)；所述绝热盖(9.1)包括密封焊接壳体，壳体内填充保温隔热材料；所述固定底座(9.4)为锥形。

4.根据权利要求1或2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述外部导热管(9.2)由强导热性的钢材制成，内部汽化管(9.3)由强隔热性的材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述换热器(8)还包括设置在换热器(8)内的紊流板(8.3)。

6.根据权利要求2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述冷却装置(4)的进口与壳程出口(8.1)之间的连接管路上设置有水泵(11)和水路闸门(14)，冷却装置(4)的出口与外部导热管(9.2)之间的连接管路上设置有流量计(13)和电磁阀门(12)；壳程入口(8.2)与储气室(10)之间的连接管路上设置有流量计(13)；管程出口(8.4)处的供暖管路(15)上设置有水泵(11)；接入居民用户室内暖气系统(7)和暖气系统(6.4)的供暖管路(15)上分别设置有水路闸门(14)。

7.根据权利要求2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述热电转换的电能传输至变电室(5)，变电室(5)为生态园(6)的照明系统(6.1)、灌溉系统(6.2)、通风系统(6.3)分别提供电能。

8.根据权利要求1或2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述温差发电片组(3)由多组温差发电片串、并联结合构成，通过改变温差发电片串、并联连接方法或改变冷却装置(4)中冷却水流量来实现对热电转化电流电压大小的控制。

9.根据权利要求1或2所述的一种煤田火区热能综合利用系统，其特征在于：所述导热热管(2)和冷却装置(4)均为圆柱筒状。

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