CN114719322B - 一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法 - Google Patents

一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法，通过将矿井中已有的多种能源进行有效分配，可根据矿区生产用热需求，按照基本负荷和调峰负荷将热泵、余热、光热、生物质、光伏等集成一体，构建多能互补供热微网，可通过供热基本负荷单元的持续供热，以及供热调峰负荷单元的调节供热，解决了单一供热能力不足、不稳定的问题，实现多能互补协同清洁供热，为完全替代锅炉燃煤供热提供了解决方案。

Description

一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法
技术领域
本发明涉及矿区供热领域，具体为一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法。
背景技术
随着小型燃煤锅炉供热的关停，矿区供热近年来由原来的燃煤锅炉供热开始逐步由热泵供热替代。但不同地区环境气温差异较大，且不同矿井余热资源可利用量也不尽相同，单一的热泵供热难以完全替代燃煤锅炉供热。矿井供热有其自身的特殊性，热负荷通常较大，且涉及井筒防冻及工业厂房供暖等会影响矿井的安全生产。此外，矿井开采过程中也产生了大量的瓦斯、废水和废热，在矿区地表也形成了大量的采煤沉陷区。在燃煤锅炉替代的背景下，采用多能互补的清洁供热方式是未来的大趋势，将矿井原排放的废气、废水和废热以及大量空置的土地进行资源化利用，并与新能源耦合起来，通过协同优化实现清洁采暖。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法，结构简单，操作方便，为解决未来矿区清洁供热提供了解决思路，集成热泵、余热、光热、生物质、光伏等多种能源，配备储热系统，通过不同清洁能源的合理配置和优化组合，使多能互补协同效应发挥到最佳。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种矿区多能互补清洁供热系统，包括矿井、供热基本负荷单元、用热终端、供热调峰负荷单元、沼气发酵池、储气罐、热水罐、冷水罐、用电终端和烟囱；
所述矿井的输出端包括矿井水输出端、乏风输出端、瓦斯输出端和采煤沉陷区输出端，其中矿井水输出端和乏风输出端连接供热基本负荷单元的输入端，瓦斯输出端与沼气发酵池的沼气输出端混合连接后接入储气罐的输入端；采煤沉陷区输出端连接用电终端；
所述供热基本负荷单元的输出端连接用热终端；储气罐的输出端连接供热调峰负荷单元；其中供热调峰负荷单元的输出端包括发电输出端、废气输出端和换热水输出端，所述发电输出端接入用电终端，废气输出端接入烟囱；换热水输出端连接热水罐的进水口，热水罐的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池，另一路支管经过用热终端后与经过沼气发酵池的管路合并后连接冷水罐的进水口，冷水罐的出水口连接供热调峰负荷单元的输入端，形成水的换热循环。
优选的，供热基本负荷单元包括水源热泵和乏风热泵；所述矿井的矿井水输出端连接水源热泵；矿井的乏风输出端连接乏风热泵，所述水源热泵的输出端和乏风热泵的输出端合并连接后接入至用热终端。
具体的，供热基本负荷单元还包括空压机冷却余热单元，所述空压机冷却余热单元的输出端与水源热泵的输出端和乏风热泵的输出端合并连接后接入至用热终端。
优选的，供热调峰负荷单元包括光热采暖设备和沼气发电机组；所述沼气发电机组的输入端连接储气罐的输出端，沼气发电机组的输出端包括发电输出端、废气输出端和换热水输出端，其中发电输出端连接用电终端(14)；废气输出端至烟囱，换热水输出端连接热水罐的进水口，热水罐的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池，另一路支管经过用热终端后与经过沼气发酵池的管路合并后连接冷水罐的进水口，冷水罐的出水口分两路支管，其中一路支管连接至沼气发电机组，另一路支管经过光热采暖设备后与沼气发电机组的换热水输出端合并连接至热水罐的进水口处。
进一步的，供热调峰负荷单元还包括烟气余热换热器，所述烟气余热换热器的输入端分别连接沼气发电机组的废气输出端和换热水输出端，其中废气输出端通过烟气余热换热器接入烟囱，换热水输出端通过烟气余热换热器接入热水罐。
优选的，矿井的采煤沉陷区输出端布置若干光伏发电设备，若干光伏发电设备接入用电终端，用于提供电能。
一种矿区多能互补清洁供热系统的使用方法，基于上述所述的一种矿区多能互补清洁供热系统，其特征在于，包括如下步骤：
矿井分别输出矿井水、乏风、瓦斯和采煤沉陷区，其中矿井水和乏风分别输入至水源热泵和乏风热泵；水源热泵、乏风热泵和空压机冷却余热单元的输出至用热终端进行热量消耗；采煤沉陷区布置若干光伏发电设备，最终接入用电终端提供电能；瓦斯和沼气发酵池发酵的沼气混合后输入至储气罐中进行储存，储气罐的输出的沼气经过沼气发电机组后输出废气经烟气余热换热器输入至烟囱内进行排放；沼气发电机组的发电输出端接入用电设备提供电能；沼气发电机组的换热水输出端经过烟气余热换热器输入至热水罐中，热水罐中的热水分别通过两路支管，其中一路支管通过沼气发酵池对池中发酵物料进行加热，另一路经过用热终端进行热量消耗冷却后与经沼气发酵池的支管中的换热水混合后流入冷水罐中，冷水罐中的冷水一路流向沼气发电机组中重新吸收热量，另一路流经光热采暖设备吸热后与沼气发电机组的换热水输出端的换热水混合接入热水罐中。
优选的，用热终端通过水源热泵、乏风热泵和空压机冷却余热单元输入的热量为供热基本负荷消耗；用热终端通过热水罐输入的热量为供热调峰负荷消耗，用于调节昼夜气温变化和用热终端的负荷波动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种矿区多能互补清洁供热系统，通过将矿井中已有的多种能源进行有效分配，可根据矿区生产用热需求，按照基本负荷和调峰负荷将热泵、余热、光热、生物质、光伏等集成一体，构建多能互补供热微网，可通过供热基本负荷单元的持续供热，以及供热调峰负荷单元的调节供热，解决了单一供热能力不足、不稳定的问题，实现多能互补协同清洁供热，为完全替代锅炉燃煤供热提供了解决方案。
进一步的，供热基本负荷单元包括水源热泵、乏风热泵和空压机冷却余热单元，保证了对用热终端的持续供热，使得用热终端的热量消耗可以恒定消耗，保证了供热的稳定性。
进一步的，供热调峰负荷单元包括光热采暖设备、沼气发电机组和烟气余热换热器，其中沼气发电机组的换热水输出端通过换热水输出端通过烟气余热换热器接入热水罐，热水罐的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池，另一路支管经过用热终端后，使得对用热终端热量波动响应，可根据用热终端不同时刻的热量需求进行热调节，提高了热量供给的灵活性，经过用热终端消耗冷却后的换热水与经过沼气发酵池的管路中的换热水合并后连接冷水罐的进水口，冷水罐一路回流至连接至沼气发电机组，形成水的换热循环，另一路经过光热采暖设备后与沼气发电机组的换热水输出端的换热水合并连接至热水罐的进水口处。
进一步的，沼气发电机组的发电输出端接入用电终端提供电能；沼气发电机组的废气输出端经过烟气余热换热器输入至烟囱内排放。
一种矿区多能互补清洁供热系统的使用方法，通过不同类型的清洁能源的合理配置和优化组合，构建多能互补供热微网，实现多能互补协同清洁供热，在供热问题上完全代替了锅炉燃煤供热，有效的解决了单一供热以及供热不稳定的问题。
附图说明
图1为本发明中矿区多能互补清洁供热系统的结构示意图。
图中：1-矿井；2-水源热泵；3-乏风热泵；4-空压机冷却余热单元；5-用热终端；6-光热采暖设备；7-沼气发酵池；8-储气罐；9-沼气发电机组；10-烟气余热换热器；11-热水罐；12-冷水罐；13-光伏发电设备；14-用电终端；15-烟囱。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种矿区多能互补清洁供热系统，通过将矿井中已有的多种能源进行有效分配，可根据矿区生产用热需求，按照基本负荷和调峰负荷将热泵、余热、光热、生物质、光伏等集成一体，构建多能互补供热微网，可通过供热基本负荷单元的持续供热，以及供热调峰负荷单元的调试供热，解决了单一供热能力不足、不稳定的问题，实现多能互补协同清洁供热，为完全替代锅炉燃煤供热提供了解决方案。
具体的，该矿区多能互补清洁供热系统，包括矿井1、供热基本负荷单元、用热终端5、供热调峰负荷单元、沼气发酵池7、储气罐8、热水罐11、冷水罐 12、用电终端14和烟囱15；
所述矿井1的输出端包括矿井水输出端、乏风输出端、瓦斯输出端和采煤沉陷区输出端，其中矿井水输出端和乏风输出端连接供热基本负荷单元的输入端，瓦斯输出端与沼气发酵池7的沼气输出端混合连接后接入储气罐8的输入端；采煤沉陷区输出端连接用电终端14；
所述供热基本负荷单元的输出端连接用热终端15；储气罐8的输出端连接供热调峰负荷单元；其中供热调峰负荷单元的输出端包括发电输出端、废气输出端和换热水输出端，所述发电输出端接入用电终端14，废气输出端接入烟囱 15；换热水输出端连接热水罐11的进水口，热水罐11的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池7，另一路支管经过用热终端5后与经过沼气发酵池7的管路合并后连接冷水罐12的进水口，冷水罐12的出水口连接供热调峰负荷单元的输入端，形成水的换热循环。
具体的，供热基本负荷单元包括水源热泵2和乏风热泵3；所述矿井1的矿井水输出端连接水源热泵2；矿井1的乏风输出端连接乏风热泵3，所述水源热泵2的输出端和乏风热泵3的输出端合并连接后接入至用热终端5。
其中，供热基本负荷单元还包括空压机冷却余热单元4，所述空压机冷却余热单元4的输出端与水源热泵2的输出端和乏风热泵3的输出端合并连接后接入至用热终端5。
具体的，供热调峰负荷单元包括光热采暖设备6和沼气发电机组9；所述沼气发电机组9的输入端连接储气罐8的输出端，沼气发电机组9的输出端包括发电输出端、废气输出端和换热水输出端，其中发电输出端连接用电终端14；废气输出端至烟囱15，换热水输出端连接热水罐11的进水口，热水罐11的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池7，另一路支管经过用热终端5后与经过沼气发酵池7的管路合并后连接冷水罐12的进水口，冷水罐 12的出水口分两路支管，其中一路支管连接至沼气发电机组9，另一路支管经过光热采暖设备6后与沼气发电机组9的换热水输出端合并连接至热水罐11 的进水口处。
其中，供热调峰负荷单元还包括烟气余热换热器10，所述烟气余热换热器 10的输入端分别连接沼气发电机组9的废气输出端和换热水输出端，其中废气输出端通过烟气余热换热器10接入烟囱，换热水输出端通过烟气余热换热器 10接入热水罐11。
具体的，矿井1的采煤沉陷区输出端布置若干光伏发电设备13，若干光伏发电设备13接入用电终端14，用于提供电能。
本发明中，沼气发酵7产生的沼气与矿井1产生的瓦斯储存在储气罐8中，储气罐8出口与沼气发电机组9相连，沼气发电机组9产生的烟气进入烟气余热换热器10经降温后进入烟囱15排放；
矿井1生产过程中产生矿井水余热由水源热泵2回收，乏风余热由乏风热泵3回收，瓦斯气体经抽采后进入储气罐8，矿区采煤沉陷区布置有光伏发电 13、光伏发的电和沼气发的电最终接入用电终端14。
水源热泵2、乏风热泵3、空压机冷却余热4回收产生的热量作为供热基本负荷，光热采暖6、沼气发电机组9和烟气余热换热器10产生的热量作为供热调峰负荷，储存在热水罐11中，用于调节昼夜环境变化和矿区用热终端5负荷波动。
沼气发酵7利用热水罐11出口热水加热保持恒温发酵，使沼气发酵的产气率保持在较高水平。
本发明还提供了一种矿区多能互补清洁供热系统的使用方法，基于双数所述的一种矿区多能互补清洁供热系统，包括如下步骤：
矿井1分别输出矿井水、乏风、瓦斯和采煤沉陷区，其中矿井水和乏风分别输入至水源热泵2和乏风热泵3；水源热泵2、乏风热泵3和空压机冷却余热单元4的输出至用热终端5进行热量消耗；采煤沉陷区布置若干光伏发电设备 13，最终接入用电终端14提供电能；瓦斯和沼气发酵池7发酵的沼气混合后输入至储气罐8中进行储存，储气罐8的输出的沼气经过沼气发电机组9后输出废气经烟气余热换热器10输入至烟囱15内进行排放；沼气发电机组9的发电输出端接入用电设备14提供电能；沼气发电机组9的换热水输出端经过烟气余热换热器10输入至热水罐11中，热水罐11中的热水分别通过两路支管，其中一路支管通过沼气发酵池7对池中发酵物料进行加热，另一路经过用热终端5 进行热量消耗冷却后与经沼气发酵池7的支管中的换热水混合后流入冷水罐12 中，冷水罐12中的冷水一路流向沼气发电机组9中重新吸收热量，另一路流经光热采暖设备6吸热后与沼气发电机组9的换热水输出端的换热水混合接入热水罐11中。
具体的，用热终端5通过水源热泵2、乏风热泵3和空压机冷却余热单元4 输入的热量为供热基本负荷消耗；用热终端5通过热水罐11输入的热量为供热调峰负荷消耗，用于调节昼夜气温变化和用热终端5的负荷波动。
本发明提供的一种矿区多能互补清洁供热系统及使用方法，矿井生产过程中产生矿井水、乏风和空压机冷却余热作为基本供热负荷，将沼气和矿井瓦斯利用沼气发电机组在发电的同时进行余热回收利用，同时耦合光热、光伏等新能源，充分发挥矿区能源分布优势，构建矿区多能互补清洁供热微网，为未来完全替代燃煤锅炉供热提供了解决方案。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种矿区多能互补清洁供热系统，其特征在于，包括矿井（1）、供热基本负荷单元、用热终端（5）、供热调峰负荷单元、沼气发酵池（7）、储气罐（8）、热水罐（11）、冷水罐（12）、用电终端（14）和烟囱（15）；
所述矿井（1）的输出端包括矿井水输出端、乏风输出端、瓦斯输出端和采煤沉陷区输出端，其中矿井水输出端和乏风输出端连接供热基本负荷单元的输入端，瓦斯输出端与沼气发酵池（7）的沼气输出端混合连接后接入储气罐（8）的输入端；采煤沉陷区输出端连接用电终端（14）；
所述供热基本负荷单元的输出端连接用热终端（5）；储气罐（8）的输出端连接供热调峰负荷单元；其中供热调峰负荷单元的输出端包括发电输出端、废气输出端和换热水输出端，所述发电输出端接入用电终端（14），废气输出端接入烟囱（15）；换热水输出端连接热水罐（11）的进水口，热水罐（11）的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池（7），另一路支管经过用热终端（5）后与经过沼气发酵池（7）的管路合并后连接冷水罐（12）的进水口，冷水罐（12）的出水口连接供热调峰负荷单元的输入端，形成水的换热循环；
所述供热基本负荷单元包括水源热泵（2）和乏风热泵（3）；所述矿井（1）的矿井水输出端连接水源热泵（2）；矿井（1）的乏风输出端连接乏风热泵（3），所述水源热泵（2）的输出端和乏风热泵（3）的输出端合并连接后接入至用热终端（5）；
所述供热调峰负荷单元包括光热采暖设备（6）和沼气发电机组（9）；所述沼气发电机组（9）的输入端连接储气罐（8）的输出端，沼气发电机组（9）的输出端包括发电输出端、废气输出端和换热水输出端，其中发电输出端连接用电终端（14）；废气输出端至烟囱（15），换热水输出端连接热水罐（11）的进水口，热水罐（11）的出水口分两路支管设置，其中一路支管经过沼气发酵池（7），另一路支管经过用热终端（5）后与经过沼气发酵池（7）的管路合并后连接冷水罐（12）的进水口，冷水罐（12）的出水口分两路支管，其中一路支管连接至沼气发电机组（9），另一路支管经过光热采暖设备（6）后与沼气发电机组（9）的换热水输出端合并连接至热水罐（11）的进水口处；
所述供热基本负荷单元还包括空压机冷却余热单元（4），所述空压机冷却余热单元（4）的输出端与水源热泵（2）的输出端和乏风热泵（3）的输出端合并连接后接入至用热终端（5）；
所述供热调峰负荷单元还包括烟气余热换热器（10），所述烟气余热换热器（10）的输入端分别连接沼气发电机组（9）的废气输出端和换热水输出端，其中废气输出端通过烟气余热换热器（10）接入烟囱（15），换热水输出端通过烟气余热换热器（10）接入热水罐（11）；
所述用热终端（5）通过水源热泵（2）、乏风热泵（3）和空压机冷却余热单元（4）输入的热量为供热基本负荷消耗；用热终端（5）通过热水罐（11）输入的热量为供热调峰负荷消耗，用于调节昼夜气温变化和用热终端（5）的负荷波动。
2.根据权利要求1所述的一种矿区多能互补清洁供热系统，其特征在于，所述矿井（1）的采煤沉陷区输出端布置若干光伏发电设备（13），若干光伏发电设备（13）接入用电终端（14），用于提供电能。
3.一种矿区多能互补清洁供热系统的使用方法，基于权利要求1-2任一项所述的一种矿区多能互补清洁供热系统，其特征在于，包括如下步骤：
矿井（1）分别输出矿井水、乏风、瓦斯和采煤沉陷区，其中矿井水和乏风分别输入至水源热泵（2）和乏风热泵（3）；水源热泵（2）、乏风热泵（3）和空压机冷却余热单元（4）的输出至用热终端（5）进行热量消耗；采煤沉陷区布置若干光伏发电设备（13），最终接入用电终端（14）提供电能；瓦斯和沼气发酵池（7）发酵的沼气混合后输入至储气罐（8）中进行储存，储气罐（8）的输出的沼气经过沼气发电机组（9）后输出废气经烟气余热换热器（10）输入至烟囱（15）内进行排放；沼气发电机组（9）的发电输出端接入用电终端（14）提供电能；沼气发电机组（9）的换热水输出端经过烟气余热换热器（10）输入至热水罐（11）中，热水罐（11）中的热水分别通过两路支管，其中一路支管通过沼气发酵池（7）对池中发酵物料进行加热，另一路经过用热终端（5）进行热量消耗冷却后与经沼气发酵池（7）的支管中的换热水混合后流入冷水罐（12）中，冷水罐（12）中的冷水一路流向沼气发电机组（9）中重新吸收热量，另一路流经光热采暖设备（6）吸热后与沼气发电机组（9）的换热水输出端的换热水混合接入热水罐（11）中。
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