CN110332003B

CN110332003B - 一种矿井排风余热直接用于井口保温的系统及方法

Info

Publication number: CN110332003B
Application number: CN201910630269.0A
Authority: CN
Inventors: 吴学慧; 陈凡; 孙猛; 高涛; 魏京胜; 岳丰田
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2039-07-12
Also published as: CN110332003A

Abstract

一种矿井排风余热直接用于井口保温的系统及方法，适用于矿井回风余热利用领域。包括设置在矿井排风管道中的风盘管换热系统、设置在矿井新风管道中的喷淋换热系统和凝结水固化取热装置，喷淋换热系统、盘管换热系统和凝结水固化取热装置之间通过管路相连接；凝结水固化取热装置设于喷淋换热装置之前；排风余热通过盘管换热装置将热量传递给载热介质，再由载热介质在新风管内的喷淋换热装置将热量传递给新风，盘管换热装置内的凝结水通过管道系统进入凝结水固化取热装置，在固化取热装置内将热量传递给新风。其结构简单，换热效率高，能耗低、占用空间小，充分利用排风余热的同时避免了排风混入新风的安全隐患。

Description

一种矿井排风余热直接用于井口保温的系统及方法

技术领域

发明了一种矿井排风余热直接用于井口保温的系统及方法，尤其适用于一种矿井回风余热利用领域的矿井排风余热直接用于井口保温的系统及方法。

技术背景

矿井通风是为保障采矿生产安全必须采取的措施，根据矿区生产规模的不同，其总新风通风量一般为3000-20000m³/min，规范要求井口新风的通风温度不得低于2℃，这使得寒冷地区井口保温需要大量的热能。冬季矿井排风温度一般为15-25℃，相对湿度大于90%，含有大量的显热与潜热，是一种优良的可再生绿色能源。充分利用矿井排风余热具有显著的经济与环保价值。由于矿井排风湿度较大，余热利用过程中会产生凝结水，其温度一般为5-10℃，水量为3-20t/h。对这部分水的显热与潜热的充分利用同样具有可观的经济价值。

为了降低能耗、简化系统矿井排风余热通过换热系统可直接用于井口保温，当前可用的换热措施主要包括风-风间壁式换热器换热、热管技术换热。考虑到稳定性、经济性与可行性，目前应用较多的为风-风间壁式换热器取热，但由于换热系数较小，该系统普遍存在换热器体积庞大、风道布置复杂导致排凝结水困难、排风管与新风管布置困难等问题。同时由于矿井排风内含有大量气态与固态有害物质，其中部分有害物质对换热壁面有一定的侵蚀作用，如果换热器的设计、加工、运行管理不合理该系统还存在换热时排风漏入新风的潜在风险，这对矿井通风安全是难以接受的。

发明内容

技术目的：针对上述技术问题，提供一种结构简单，适合寒冷与严寒地，充分获取排风侧凝结水的固化潜热，安全、可靠、高效地实现排风余热直接用于井口保温的系统及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，它包括设置在矿井排风管道中的风盘管换热系统、设置在矿井新风管道中的喷淋换热系统和凝结水固化取热装置，喷淋换热系统、风盘管换热系统和凝结水固化取热装置之间通过管路相连接；

所述喷淋换热系统包括设置在地面上的载热剂水池，载热剂水池内上方设有多组喷淋管，每组喷淋管上设有多个喷淋头，载热剂水池尺寸与新风管道相匹配，新风管道在新风管道新风出风一侧设有挡水板，载热剂水池内还设有补水系统，所述补水系统包括通过阀门f管路与载热剂水池连接的补水箱，补水箱内装有载热剂，阀门f为浮球阀可以实现自动补水；

所述风盘管换热系统包括凝结水池，凝结水池中顺风流方向蛇形设置有换热盘管，所述换热盘管为光管，其中换热盘管进水一端通过管路与喷淋换热系统中的载热剂水池底部相连接，热盘管进水管上前后设有阀门a和阀门b，阀门a和阀门b之间设有喷淋水泵，换热盘管出水一端通过管路与喷淋换热系统中的喷淋管相连接；

所述凝结水固化取热装置包括设置在载热剂水池前的集水坑，具体是集水坑设置在新风管道进风一侧的地面上，集水坑底部设有排水口，集水坑上设有尺寸与集水坑匹配的方形布水盘，集水坑上口与方形布水盘侧壁密封相连，方形布水盘侧面板下部外壁设有温度传感器，方形布水盘外侧设有支架，方形布水盘与集水坑之间通过电机a活动连接有可开启底部面板，方形布水盘的可开启底部面板可绕固定于方形布水盘侧面面板上的水平轴旋转，方形布水盘与可开启底部面板连接处设有密封橡胶垫，所述方形布水盘外侧设有保温材料，方形布水盘内设有碎冰装置旋转叶片，碎冰装置旋转叶片的中轴上设有可以使碎冰装置旋转叶片轴向旋转的电机b，其中方形布水盘一侧通过管路与凝结水池相连接;

碎冰装置旋转叶片由电机b控制可绕设置于方形布水盘上的轴旋转，旋转轴水平设置于方形布水盘的宽度方向，固定于方形布水盘1/2长度处，旋转轴的高度为方形布水盘内设计布水水面的高度；碎冰装置旋转叶片的宽度略小于方形布水盘长度的1/2，长度略小于方形布水盘的宽度；碎冰装置旋转叶片由4个单片组成，叶片与水平面夹角均为20°。

所述方形布水盘上设有阀门d和阀门e，凝结水池出水口上设有阀门c，阀门d和阀门e通过管路与凝结水池底部出水口阀门c相连接，管路上设有凝结水水泵。

所述凝结水水泵、阀门c、电机a、电机b和温度传感器通过线路连接有控制器。

所述方形布水盘和集水坑的长为500-3000mm，宽为500-3000mm，集水坑的深为500-2000mm，所述集水坑深度大于当地冻土深度。

所述喷淋系统流量为10-200t/h。

系统中所有的连接管道及阀门均设置有保温装置。

一种矿井排风余热直接用于井口保温方法，其步骤如下：

将载热介质注入设置于矿井排风风管内的载热剂水池内，经由喷淋水泵注入换热盘管，换热盘管内的载热介质获得矿井排风管道中的热量后将进入设置于新风管道内的喷淋换热装置喷淋出来，通过喷淋换热系统载热介质将热量传递给新风，完成换热的载热介质落入载热剂水池内，经由水泵、阀门a和阀门b送入换热盘管装置，完成换热过程；

方形布水盘通过固定支架设置于喷淋换热装置前侧，方形布水盘下方设置有与方形布水盘开口大小相同的集水坑，集水坑与方形布水盘四周密封相连；当矿井排风与换热盘管换热过程中产生的凝结水由设置于其下的凝结水池收集，凝结水先后通过凝结水水泵、阀门c、阀门d、阀门e、连接管道送入方形布水盘内，达到预设的供水时间或者设计布水水面后通过控制系统控制水泵停止供水；当控制系统收到温度传感器的温度读数达到阀值，或者达到预设固结换热时间Ⅰ后，控制电机打开方形布水盘的可开启底部面板，此时方形布水盘内存水热量持续散发使水表面出现薄冰，方形布水盘中存水流入下方的集水坑中，然后开启由电机带动的碎冰装置旋转叶片旋转，将薄冰打碎一起落入集水坑中，同时开启水泵从凝结水池给方形布水盘供水；到达预设时间Ⅱ后控制电机关闭可开启底部面板，到达预设时间Ⅲ后控制水泵停止供水；重复上述步骤，从而使凝结水在方形布水盘中继续释放热能直至凝结水达到冰点，从而有效利用凝结水中剩余的热量；

载热剂自动补水箱内装有载热剂，通过设置在载热剂水池内的浮球阀自动补水。

有益效果：

1）通过分别在排风管道与新风管道内设置换热系统，降低了风-风直接换热时两管道临近布置对安装空间的要求，提高了换热效率，缩减了换热系统的体积；2）避免了排风窜入新风的安全隐患；3）凝结水排出方便，并对凝结水的显热与部分潜热进行再次回首利用，提高了排风余热的利用效率；4）整体系统简单，体积小，易于建造，维护方便操作方便，效果明显。

附图说明

图1为本发明矿井排风余热直接用于井口保温的系统的结构示意图；

图2为本发明设置在矿井排风管道中的风盘管换热系统和凝结水固化取热装置新风换热系统结构示意图；

图3为本发明的凝结水固化取热装置示意图。

图中：1-挡水板；2-新风管道；3-载热剂水池；4-喷淋换热装置；5-排风管道；6-换热盘管；7-凝结水池；8-喷淋水泵；9-阀门a；10-阀门b；11-凝结水水泵；12-阀门c；13-电机a；14-电机b；15-方形布水盘；16-阀门d；17-阀门e；18-温度传感器；19-碎冰装置旋转叶片；20-集水坑；21-可开启底部面板；22-地面；23-补水箱；24-阀门f；25-排水口；26-支架；27-密封橡胶垫；28-保温材料；29-设计布水水面；30-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的实施例做进一步说明

如图1所示，本发明的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，它包括设置在矿井排风管道5中的风盘管换热系统、设置在矿井新风管道2中的喷淋换热系统和凝结水固化取热装置，喷淋换热系统、风盘管换热系统和凝结水固化取热装置之间通过管路相连接；

所述喷淋换热系统的流量为10-200t/h，其包括设置在地面22上的载热剂水池3，载热剂水池3内上方设有多组喷淋管，每组喷淋管上设有多个喷淋头，载热剂水池3尺寸与新风管道2相匹配，新风管道2在新风管道2新风出风一侧设有挡水板1，载热剂水池3内还设有补水系统，所述补水系统包括通过阀门f24管路与载热剂水池3连接的补水箱23，阀门f24上设有浮漂并利用浮漂控制连接或者关闭连接补水箱23的管路，载热剂自动补水箱23内装有载热剂；

所述风盘管换热系统包括凝结水池7，凝结水池7中顺风流方向蛇形设置有换热盘管6，所述换热盘管6为光管，其中换热盘管6进水一端通过管路与喷淋换热系统中的载热剂水池底部相连接，热盘管6进水管上前后设有阀门a9和阀门b10，阀门a9和阀门b10之间设有喷淋水泵8，换热盘管6出水一端通过管路与喷淋换热系统中的喷淋管相连接；

所述凝结水固化取热装置包括设置在载热剂水池3前的集水坑20，具体是集水坑20设置在新风管道2进风一侧的地面22上，集水坑20底部设有排水口25，集水坑20上设有尺寸与集水坑20匹配的方形布水盘15，方形布水盘15和集水坑20的长为500-3000mm，宽为500-3000mm，集水坑20的深为500-2000mm，所述集水坑20深度大于当地冻土深度，所述方形布水盘15上设有阀门d16和阀门e17，凝结水池7出水口上设有阀门c12，阀门d16和阀门e17通过管路与凝结水池7底部出水口阀门c12相连接，管路上设有凝结水水泵11，所述凝结水水泵11、阀门c12、电机a13、电机b14和温度传感器18通过线路连接有控制器30，集水坑20上口与方形布水盘15侧壁密封相连，方形布水盘15侧面板下部外壁设有温度传感器18，方形布水盘15外侧设有支架26，方形布水盘15与集水坑20之间通过电机a13活动连接有可开启底部面板21，方形布水盘15的可开启底部面板21可绕固定于方形布水盘15侧面面板上的水平轴旋转，方形布水盘15与可开启底部面板21连接处设有密封橡胶垫27，所述方形布水盘15外侧设有保温材料28，方形布水盘15内设有碎冰装置旋转叶片19，碎冰装置旋转叶片19的中轴上设有可以使碎冰装置旋转叶片19轴向旋转的电机b14，其中方形布水盘15一侧通过管路与凝结水池7相连接；

碎冰装置旋转叶片19由电机b14控制可绕设置于方形布水盘15上的轴旋转，旋转轴水平设置于方形布水盘15的宽度方向，固定于方形布水盘15的1/2长度处，旋转轴的高度为方形布水盘15内设计布水水面29的高度；碎冰装置旋转叶片19的宽度略小于方形布水盘15长度的1/2，长度略小于方形布水盘15的宽度；碎冰装置旋转叶片19由4个单片组成，叶片与水平面夹角均为20⁰。

系统中所有的连接管道及阀门均设置有保温装置。

一种矿井排风余热直接用于井口保温方法，其步骤如下：

将载热介质注入设置于矿井排风风管内的载热剂水池3内，经由喷淋水泵8注入换热盘管6，换热盘管6内的载热介质获得矿井排风管道5中的热量后将进入设置于新风管道内的喷淋换热装置4喷淋出来，通过喷淋换热系统4载热介质将热量传递给新风，完成换热的载热介质落入载热剂水池3内，经由水泵8、阀门a9和阀门b10送入换热盘管装置6，完成换热过程；

方形布水盘15通过固定支架26设置于喷淋换热装置4前侧，方形布水盘15下方设置有与方形布水盘15开口大小相同的集水坑20，集水坑20与方形布水盘15四周密封相连；当矿井排风与换热盘管6换热过程中产生的凝结水由设置于其下的凝结水池7收集，凝结水先后通过凝结水水泵11、阀门c12、阀门d16、阀门e17、连接管道送入方形布水盘15内，达到预设的供水时间或者设计布水水面29后通过控制系统30控制水泵11停止供水；当控制系统30收到温度传感器18的温度读数达到阀值，或者达到预设固结换热时间Ⅰ后，控制电机13打开方形布水盘15的可开启底部面板21，此时方形布水盘15内存水热量持续散发使水表面出现薄冰，方形布水盘15中存水流入下方的集水坑20中，然后开启由电机14带动的碎冰装置旋转叶片19旋转，将薄冰打碎一起落入集水坑20中，同时开启水泵11从凝结水池7给方形布水盘15供水；到达预设时间后Ⅱ控制电机13关闭可开启底部面板21，到达预设时间Ⅲ后控制水泵11停止供水；重复上述步骤，从而使凝结水在方形布水盘15中继续释放热能直至凝结水达到冰点，从而有效利用凝结水中剩余的热量，所述预设固结换热时间Ⅰ、预设时间后Ⅱ或预设时间Ⅲ均为实际操作后时间测得时间；

实施方式一、

换热盘管6设置于矿井排风风管内，换热盘管6内的载热介质获得排风的热量后进入设置于新风管道内的喷淋换热装置4内，通过喷淋换热系统4载热介质将热量传递给新风，完成换热的载热介质落入载热剂水池3内，经由水泵8、阀门9、10送入换热盘管6，完成换热过程；

实施方式二、

方形布水盘15通过固定支架26设置于喷淋换热装置4前侧，方形布水盘15下方设置有与方形布水盘15开口大小相同的集水坑20，集水坑20与方形布水盘15四周密封相连；

实施方式三、

换热盘管6换热过程中产生的凝结水由设置于其下侧的凝结水池7收集，凝结水通过水泵11、阀门c12、阀门d16、阀门e17及保温管道系统送入方形布水盘15内，达到事先设定好的供水时间1~5min后通过控制系统30控制水泵11停止供水；控制系统30根据方形布水盘底部的温度传感器18的读数0~2℃或者设定好的固结换热时间1~30min控制电机13打开方形布水盘15的可开启底部面板21；然后开启由电机b14带动的碎冰装置旋转叶片19，旋转180⁰；同时开启水泵11给方形布水盘15供水；3-5秒钟后由电机a13关闭可开启底部面板21，到达事先设定好的供水时间后水泵11停止供水。

实施方式四载热剂自动补水箱23装有载热剂，通过设置在载热剂水池3内的浮球阀自动补水。

Claims

1.一种矿井排风余热直接用于井口保温的系统，其特征在于：它包括设置在矿井排风管道（5）中的风盘管换热系统、设置在矿井新风管道（2）中的喷淋换热系统和凝结水固化取热装置，喷淋换热系统、风盘管换热系统和凝结水固化取热装置之间通过管路相连接；

所述喷淋换热系统包括设置在地面（22）上的载热剂水池（3），载热剂水池（3）内上方设有多组喷淋管，每组喷淋管上设有多个喷淋头，载热剂水池（3）尺寸与新风管道（2）相匹配，新风管道（2）在新风管道（2）新风出风一侧设有挡水板（1），载热剂水池（3）内还设有补水系统，所述补水系统包括通过阀门f（24）管路与载热剂水池（3）连接的补水箱（23），补水箱（23）内装有载热剂，阀门f（24）为浮球阀可以实现自动补水；

所述风盘管换热系统包括凝结水池（7），凝结水池（7）中顺风流方向蛇形设置有换热盘管（6），所述换热盘管（6）为光管，其中换热盘管（6）进水一端通过管路与喷淋换热系统中的载热剂水池底部相连接，换热盘管（6）进水管上前后设有阀门a（9）和阀门b（10），阀门a（9）和阀门b（10）之间设有喷淋水泵（8），换热盘管（6）出水一端通过管路与喷淋换热系统中的喷淋管相连接；

所述凝结水固化取热装置包括设置在载热剂水池（3）前的集水坑（20），具体是集水坑（20）设置在新风管道（2）进风一侧的地面（22）上，集水坑（20）底部设有排水口（25），集水坑（20）上设有尺寸与集水坑（20）匹配的方形布水盘（15），集水坑（20）上口与方形布水盘（15）侧壁密封相连，方形布水盘（15）侧面板下部外壁设有温度传感器（18），方形布水盘（15）外侧设有支架（26），方形布水盘（15）与集水坑（20）之间通过电机a（13）活动连接有可开启底部面板（21），方形布水盘（15）的可开启底部面板（21）可绕固定于方形布水盘（15）侧面面板上的水平轴旋转，方形布水盘（15）与可开启底部面板（21）连接处设有密封橡胶垫（27），所述方形布水盘（15）外侧设有保温材料（28），方形布水盘（15）内设有碎冰装置旋转叶片（19），碎冰装置旋转叶片（19）的中轴上设有可以使碎冰装置旋转叶片（19）轴向旋转的电机b（14），其中方形布水盘（15）一侧通过管路与凝结水池（7）相连接；

碎冰装置旋转叶片（19）由电机b（14）控制可绕设置于方形布水盘（15）上的轴旋转，旋转轴水平设置于方形布水盘（15）的宽度方向，固定于方形布水盘（15）1/2长度处，旋转轴的高度为方形布水盘（15）内设计布水水面（29）的高度；碎冰装置旋转叶片（19）的宽度略小于方形布水盘（15）长度的1/2，长度略小于方形布水盘（15）的宽度；碎冰装置旋转叶片（19）由4个单片组成，叶片与水平面夹角均为20⁰。

2.根据权利要求1所述的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，其特征在于：所述方形布水盘（15）上设有阀门d（16）和阀门e（17），凝结水池（7）出水口上设有阀门c（12），阀门d（16）和阀门e（17）通过管路与凝结水池（7）底部出水口阀门c（12）相连接，管路上设有凝结水水泵（11）。

3.根据权利要求2所述的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，其特征在于：所述凝结水水泵（11）、阀门c（12）、电机a（13）、电机b（14）和温度传感器（18）通过线路连接有控制器（30）。

4.根据权利要求1所述的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，其特征在于：所述方形布水盘（15）和集水坑（20）的长为500-3000mm，宽为500-3000mm，集水坑（20）的深为500-2000mm，所述集水坑（20）深度大于当地冻土深度。

5.根据权利要求1所述的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，其特征在于：所述喷淋换热系统流量为10-200t/h。

6.根据权利要求1所述的矿井排风余热直接用于井口保温的系统，其特征在于：系统中所有的连接管道及阀门均设置有保温装置。

7.一种使用权利要求1所述矿井排风余热直接用于井口保温的系统的保温方法，其特征在于步骤如下：

将载热介质注入设置于新风管道（2）内的载热剂水池（3）内，经由喷淋水泵（8）注入换热盘管（6），换热盘管（6）内的载热介质获得矿井排风管道（5）中的热量后将进入设置于新风管道内的喷淋换热系统（4）喷淋出来，通过喷淋换热系统（4）载热介质将热量传递给新风，完成换热的载热介质落入载热剂水池（3）内，经由喷淋水泵（8）、阀门a（9）和阀门b（10）送入换热盘管（6），完成换热过程；

方形布水盘（15）通过固定支架（26）设置于喷淋换热系统（4）前侧，方形布水盘（15）下方设置有与方形布水盘（15）开口大小相同的集水坑（20），集水坑（20）与方形布水盘（15）四周密封相连；当矿井排风与换热盘管（6）换热过程中产生的凝结水由设置于其下的凝结水池（7）收集，凝结水先后通过凝结水水泵（11）、阀门c（12）、阀门d（16）、阀门e（17）、连接管道送入方形布水盘（15）内，达到预设的供水时间或者设计布水水面（29）后通过控制系统（30）控制凝结水水泵（11）停止供水；当控制系统（30）收到温度传感器（18）的温度读数达到预值，或者达到固结换热时间后，控制电机a（13）打开方形布水盘（15）的可开启底部面板（21），此时方形布水盘（15）内存水热量持续散发使水表面出现薄冰，方形布水盘（15）中存水流入下方的集水坑（20）中，然后开启由电机b（14）带动的碎冰装置旋转叶片（19）旋转，将薄冰打碎一起落入集水坑（20）中，同时开启凝结水水泵（11）从凝结水池（7）给方形布水盘（15）供水；到达预设时间后控制电机a（13）关闭可开启底部面板（21），到达预设时间后控制凝结水水泵（11）停止供水；重复上述步骤，从而使凝结水在方形布水盘（15）中继续释放热能直至凝结水达到冰点，从而有效利用凝结水中剩余的热量。

8.根据权利要求7所述的系统的保温方法，其特征在于：载热剂自动补水箱（23）内装有载热剂，通过设置在载热剂水池（3）内的浮球阀自动补水。