CN116850500A - 一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，包括工业冷水机组、三通阀、翅片换热器和工业制氮机。所述三通阀一端通过冷水管依次连接变频水泵和工业冷水机组，其另一端连接翅片换热器，第三端通过进气管依次连接高压气泵和工业制氮机，所述翅片换热器中布置有自动排气阀，其另一端依次连接温度传感器、截止阀和热泵装置，所述温度传感器依次连接模糊PID控制模块和变频水泵。本发明根据全封闭储煤情况，通过埋管的方式提取其氧化产热，减少升温范围和速率，提升其安全存储时间和存储质量，通过流量的自动调控，提高热能利用率和系统效率，当升温失控时，也能即刻以进气侧注氮的方式阻隔氧气，为煤的长期存储提供了技术保障。
Description
技术领域
本发明属于煤炭高效存储领域，具体涉及一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统。
背景技术
为了应对国际能源贸易市场风险，国家发改委提出要加快推进2亿吨以上政府可调度煤炭储备能力建设。为了满足政府可调度煤炭长期存储的要求，全封闭储煤场逐渐推广。煤在存储过程中会缓慢氧化，导致其热值降低，混合煤存储半年的情况下，其平均热值会降低2％，而在煤堆中氧化严重的区域热值损失会达到18％。无法满足大量煤炭长期存储的要求。煤的氧化速率随温度呈指数上升，因此使储煤温度保持在一个较低的水平，有利于煤堆的长期高效存储同时也能有效防治自燃。研究表面，当氧气浓度降低到7％以下时，煤氧反应就很难发生，全封闭储煤环境下煤堆内部氧气供应本来就不充足，因此控制氧气浓度是非常有效的措施。在全封闭环境下煤堆周围的气流流动受热浮力的作用，导致在储煤堆周围出现“烟囱效应”，即储煤堆内部和周围的空气加热升温之后密度降低，在热浮力的作用下气流向上移动并逐渐冷却，同时在煤堆底部两翼生成两个低压区，冷却后的气流从煤堆底部再次进入煤堆。导致储煤堆底部具有充足的氧气供应，因此其高温区域分布在储煤堆两翼的底部，根据煤自燃倾向性的不同，大致距离煤堆表面3～4m。
目前对于全封闭式储煤场的自燃防治技术主要是在发现储煤堆自燃迹象后通过消防水炮喷水降温或者倒垛散热的方式进行治理，这种方法仅能中断煤的自燃进程，却无法有效地保持储煤热值。同时自然对流下储煤堆升温较为缓慢且升温面积大，如果不能针对全封闭储煤条件下煤堆高温区域的分布情况进行重点降温和自燃风险防范，难以及时化解煤堆自燃风险，也会导致储煤热值的大面积损失，不能满足煤炭长期高效存储的需求。因此，亟待提出一种针对全封闭储煤环境的兼顾常态化降温保持热值，同时也能实时应对可能出现的煤堆自燃风险的系统，进而为煤炭的长期安全高效存储和我国能源安全战略和煤炭存储战略提供强有力的技术支撑。
发明内容
针对上述现状和存在的不足，本发明提出了一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，包括工业冷水机组、变频水泵、三通阀、翅片换热管、温度传感器、热泵装置、模糊PID控制模块、高压气泵和工业制氮机。所述三通阀的一端通过冷水管依次连接变频水泵和工业冷水机组，其另一端连接翅片换热器，其第三端通过进气管依次连接高压气泵和工业制氮机，所述翅片换热器中布置有换热翅片和自动排气阀，所述翅片换热器另一端通过出水管依次连接温度传感器、截止阀和热泵装置，所述温度传感器通过电缆依次连接模糊PID控制模块和变频水泵。当三通阀连接冷水管和翅片换热管时，形成热能提取系统，通过埋设在煤堆中易升温区域的翅片换热器吸收煤炭氧化产生的热量，使用热泵装置利用所吸收的热量，依据出水管中水的温度对管路中的水流量进行自动调控，提高热能提取效率；当三通阀连接进气管和翅片换热器时，形成自燃防治系统，通过向管路中注入高压氮气排出管路内留存的水，并且依托翅片换热管内的自动排气阀在煤堆的上风侧释放氮气，起到隔绝氧气防治自燃的作用。
作为本发明的一种优选技术方案，所述多个翅片换热管与煤堆边坡保持同一角度，布置在煤堆内部，与煤堆表面的垂直距离依据所储存煤的自燃倾向性大小设定为3～4m，所述最下方的翅片换热管与地面的垂直距离为2m，且多个翅片换热管之间的垂直距离为2m。
作为本发明的一种优选技术方案，所述每条翅片换热管中间隔5米布设一个自动排气阀，翅片换热管的内径为89.2mm，翅片厚度10.5mm，翅片间距为25.4mm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述冷水管和出水管均使用保温材料包裹。
作为本发明的一种优选技术方案，所述变频水泵的运行工况是由模糊PID控制模块根据出水管中水流的温度与设定水温(26℃)之差计算得到的。
作为本发明的一种优选技术方案，所述热能提取系统的使用方法包括以下步骤：
S1.调节三通阀并打开截止阀，使工业冷水机组、热泵装置、变频水泵和翅管换热器形成通路，形成日常热值保持的热能提取系统；
S2.开启工业冷水机组制备5～8℃的冷水，同时开启变频水泵，将制备的冷水泵入埋设在高温区域的翅片换热管中进行热交换，吸收煤堆氧化产生的热量；
S3.通过出水管中的温度传感器监测温度信息，并将其传递给模糊PID控制模块，模糊PID控制模块根据当前水流温度与设定温度(26℃)之差，计算出当前煤堆升温状态下的最优水泵运行参数，并控制变频水泵调整工况；
S4.保存有翅片换热器中提取的热能的高温水进入热泵装置进行热交换，充分利用其中的热能后，进入工业冷水机组重新制备为5～8℃的冷水；
S5.重复上述步骤S2、S3和S4，不断提取储煤堆中氧化产生的热量，使全封闭条件下储煤堆中易氧化的区域始终保持在一个较低的温度，有效延缓储煤的氧化速度，减小热值损失，延长存储时间。
作为本发明的一种优选技术方案，所述自燃防治系统的使用方法包括以下步骤：
s1.关闭变频水泵、工业冷水机组和热泵装置，调节三通阀，使高压气泵和工业制氮机连接冷水管，形成煤堆自燃应急处置的自燃防治系统；
s2.开启工业制氮机和高压气泵，使制备的高压氮气通过冷水管进入翅片换热管，在高压气体的作用下使管路中原有的水排出；
s3.在排出管路中的水的同时，翅片换热管中的气体在自动排气阀的作用下不断在储煤堆的进风侧向储煤堆的氧化区域释放氮气；
s4.在翅片换热管中原有的水完全排出后，关闭截止阀，加快氮气排放速率，在煤堆两翼形成氮气屏障，阻断氧气的供给路线，消除煤堆自燃风险。
由于采用上述技术方案，本发明专利具备以下有益效果：
1、本发明通过将多个翅片换热管与煤堆边坡保持同一角度，布置在煤堆内部，与煤堆表面的垂直距离约为3～4m的位置，针对全封闭储煤环境下煤堆的高温区域，实现了有针对性地提取热能，提升了煤堆整体的热值保持率和所提取热能的利用率。
2、本发明针对全封闭储煤环境下，煤的升温速率较低而升温范围较大的特点，使用翅片换热管提高换热效率，更有利于在储煤温度较低(50℃以下)的情况下更高效的回收热能，使储煤保持在一个氧化速率较低的温度范围，提高了热能提取效率和热值保持率。
3、本发明通过热泵技术将储煤氧化产生的热量加以回收，提高了煤炭资源的利用率。
4、本发明通过模糊PID控制器控制变频水泵的工作参数，针对自然对流下储煤堆升温较缓慢的情况，通过水泵工况的自动调节，提高了热能提取效率和所提取热能的可利用率，降低了系统运行成本。
5、本发明通过将翅片换热管布置在储煤堆中氧气供应的进风口，不仅可以针对氧化最严重的区域进行热能提取，同时也能及时通过上风口注氮的方式降低整个储煤堆中的氧气浓度，消除整个储煤堆的自燃危险性，实现了一管多用，降低了煤堆自燃的应急反应时间，提高了自燃的应急处置能力。
附图说明
图1为本发明的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统结构示意图；
图2为本发明中热能利用及注氮管路在储煤堆中布置位置的截面示意图
图3为本发明中热能利用及注氮管路在储煤堆中布置位置的三维立体示意图
图4为本发明中模糊PID控制模块的工作逻辑示意图
图中：1、工业冷水机组；2、冷水管；3、变频水泵；4、三通阀；5、翅片换热器；6、自动排气阀；7、换热翅片；8、出水管；9、温度传感器；10、截止阀；11、热泵装置；12、电缆；13、模糊PID控制模块；14、进气管；15、高压气泵；16、工业制氮机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述，图2中的箭头所示为全封闭储煤场中自然对流下的风流方向。
应当明确，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，包括工业冷水机组1、变频水泵3、三通阀4、翅片换热管5、温度传感器9、热泵装置11、模糊PID控制模块13、高压气泵15和工业制氮机16。所述三通阀4的一端通过冷水管2依次连接变频水泵3和工业冷水机组1，其另一端通过冷水管2连接翅片换热器5，其第三端通过进气管14依次连接高压气泵15和工业制氮机16，所述翅片换热器5中布置有换热翅片7和自动排气阀6，所述翅片换热器5另一端通过出水管8依次连接温度传感器9、截止阀10和热泵装置11，所述温度传感器9通过电缆12依次连接模糊PID控制模块13和变频水泵3。当三通阀4连接冷水管2和翅片换热管5时，形成热能提取系统，通过埋设在煤堆中易升温区域的翅片换热器5，以冷水热交换的方式吸收煤炭氧化产生的热量，使用热泵装置11利用所吸收的热量，提高能源利用率，依据出水管8中水的温度对管路中的水流量进行自动调控，提高热能提取效率；当三通阀4连接进气管14和翅片换热器5时，形成自燃防治系统，在发现煤堆升温速率过快或者其他自燃迹象时，通过向管路中注入高压氮气排出管路内留存的水，并且依托翅片换热管5内布设的自动排气阀6，在煤堆的上风侧释放氮气，起到隔绝氧气防治自燃的作用。
本实施例中，所述多个翅片换热管与煤堆边坡保持同一角度，布置在煤堆内部，与煤堆表面的垂直距离依据所储存煤的自燃倾向性大小设定为3～4m，所述最下方的翅片换热管与地面的垂直距离为2m，且多个翅片换热管之间的垂直距离为2m。
本实施例中，所述每条翅片换热管中间隔5米布设一个自动排气阀，翅片换热管的内径为89.2mm，翅片厚度10.5mm，翅片间距为25.4mm。
本实施例中，所述冷水管和出水管均使用保温材料包裹。
本实施例中，所述变频水泵的运行工况是由模糊PID控制模块根据出水管中水流的温度与设定水温(26℃)之差计算得到的
本实施例中，所述热能提取系统的使用方法包括以下步骤：
S1.调节三通阀并打开截止阀，使工业冷水机组、热泵装置、变频水泵和翅管换热器形成通路，形成日常热值保持的热能提取系统；
S2.开启工业冷水机组制备5～8℃的冷水，同时开启变频水泵，将制备的冷水泵入埋设在高温区域的翅片换热管中进行热交换，吸收煤堆氧化产生的热量；
S3.通过出水管中的温度传感器监测温度信息，并将其传递给模糊PID控制模块，模糊PID控制模块根据当前水流温度与设定温度(26℃)之差，计算出当前煤堆升温状态下的最优水泵运行参数，并控制变频水泵调整工况；
S4.保存有翅片换热器中提取的热能的高温水进入热泵装置进行热交换，充分利用其中的热能后，进入工业冷水机组重新制备为5～8℃的冷水；
S5.重复上述步骤S2、S3和S4，不断提取储煤堆中氧化产生的热量，使全封闭条件下储煤堆中易氧化的区域始终保持在一个较低的温度，有效延缓储煤的氧化速度，减小热值损失，延长存储时间。
本实施例中，自燃防治系统的使用方法包括以下步骤：
s1.关闭变频水泵、工业冷水机组和热泵装置，调节三通阀，使高压气泵和工业制氮机连接冷水管，形成煤堆自燃应急处置的自燃防治系统；
s2.开启工业制氮机和高压气泵，使制备的高压氮气通过冷水管进入翅片换热管，在高压气体的作用下使管路中原有的水排出；
s3.在排出管路中的水的同时，翅片换热管中的气体在自动排气阀的作用下不断在储煤堆的进风侧向储煤堆的氧化区域释放氮气；
s4.在翅片换热管中原有的水完全排出后，关闭截止阀，加快氮气排放速率，在煤堆两翼形成氮气屏障，阻断氧气的供给路线，消除煤堆自燃风险。
以上所述，仅为发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于包括工业冷水机组、变频水泵、三通阀、翅片换热管、温度传感器、热泵装置、模糊PID(比例积分微分)控制模块、高压气泵和工业制氮机。所述三通阀的一端通过冷水管依次连接变频水泵和工业冷水机组，其另一端连接翅片换热器，其第三端通过进气管依次连接高压气泵和工业制氮机，所述翅片换热器中布置有换热翅片和自动排气阀，所述翅片换热器另一端通过出水管依次连接温度传感器、截止阀和热泵装置，所述温度传感器通过电缆依次连接模糊PID控制模块和变频水泵。当三通阀连接冷水管和翅片换热管时，形成热能提取系统，通过埋设在煤堆中易升温区域的翅片换热器吸收煤炭氧化产生的热量，使用热泵装置利用所吸收的热量，依据出水管中水的温度对管路中的水流量进行自动调控，提高热能提取效率；当三通阀连接进气管和翅片换热器时，形成自燃防治系统，通过向管路中注入高压氮气排出管路内留存的水，并且依托翅片换热管内的自动排气阀在煤堆的上风侧释放氮气，起到隔绝氧气防治自燃的作用。
2.根据权利要求1所述的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于，所述多个翅片换热管与煤堆边坡保持同一角度，布置在煤堆内部，与煤堆表面的垂直距离依据所储存煤的自燃倾向性大小设定为3～4m，所述最下方的翅片换热管与地面的垂直距离为2m，且多个翅片换热管之间的垂直距离为2m。
3.根据权利要求1所述的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于，所述每条翅片换热管中间隔5米布设一个自动排气阀，翅片换热管的内径为89.2mm，翅片厚度10.5mm，翅片间距为25.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于，所述冷水管和出水管均使用保温材料包裹。
5.根据权利要求1所述的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于，所述变频水泵的运行工况是由模糊PID控制模块根据出水管中水流的温度与设定水温(26℃)之差计算得到的。
6.根据权利要求1所述的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于，所述热能提取系统的使用方法包括以下步骤：
S1.调节三通阀并打开截止阀，使工业冷水机组、热泵装置、变频水泵和翅管换热器形成通路，形成日常热值保持的热能提取系统；
S2.开启工业冷水机组制备5～8℃的冷水，同时开启变频水泵，将制备的冷水泵入埋设在高温区域的翅片换热管中进行热交换，吸收煤堆氧化产生的热量；
S3.通过出水管中的温度传感器监测温度信息，并将其传递给模糊PID控制模块，模糊PID控制模块根据当前水流温度与设定温度(26℃)之差，计算出当前煤堆升温状态下的最优水泵运行参数，并控制变频水泵调整工况；
S4.保存有翅片换热器中提取的热能的高温水进入热泵装置进行热交换，充分利用其中的热能后，进入工业冷水机组重新制备为5～8℃的冷水；
S5.重复上述步骤S2、S3和S4，不断提取储煤堆中氧化产生的热量，使全封闭条件下储煤堆中易氧化的区域始终保持在一个较低的温度，有效延缓储煤的氧化速度，减小热值损失，延长存储时间。
7.根据权利要求1所述的一种全封闭储煤场长期存储的热能提取及自燃防治系统，其特征在于，所述自燃防治系统的使用方法包括以下步骤：
s1.关闭变频水泵、工业冷水机组和热泵装置，调节三通阀，使高压气泵和工业制氮机连接冷水管，形成煤堆自燃应急处置的自燃防治系统；
s2.开启工业制氮机和高压气泵，使制备的高压氮气通过冷水管进入翅片换热管，在高压气体的作用下使管路中原有的水排出；
s3.在排出管路中水的同时，翅片换热管中的气体在自动排气阀的作用下不断在储煤堆的进风侧向储煤堆的氧化区域释放氮气；
s4.在翅片换热管中原有的水完全排出后，关闭截止阀，加快氮气排放速率，在煤堆两翼形成氮气屏障，阻断氧气的供给路线，消除煤堆自燃风险。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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