一种矿井余热资源梯级回收系统及其应用方法

本发明属于矿井余热回收，具体涉及一种矿井余热资源梯级回收系统及其应用方法。

背景技术：

1、随着人们生活水平的提高，矿井开采深度不断增加，但面临诸多问题。具体为：

2、(1)高温地热频发，主要存在于矿井热水涌水等方面，对矿井生产和人员健康带来极大的危害。为降温引入的井下集中式空调系统，其冷凝热排放也成为关键问题，冷凝器大量排热易造成硐室热害，不仅使得设备制冷效率降低，还危害操作人员健康。

3、(2)矿井水具有稳定的温度，是十分适合为矿区生活用水持续供热的余热资源。但矿井水中所含的大量淤泥、砂石、煤粉易堵塞换热盘管，而传统的清仓装备工序复杂、效率低下，缓慢的水质净化过程会导致矿井水热量散失。

4、(3)矿井中普遍应用的矿井水仓沉淀较慢，需要频繁人工清淤，效率低下，费时费力。

5、(4)大规模、高强度的开采带来了许多采空区，为防止地表陷落、诱发地震，需及时而有计划地处理采空区。目前较为安全的处理方式是进行水带泥沙回填。为深部矿井运输回填材料会造成较高人力物力损耗。

6、(5)矿井掘进工作面温度较高，并且伴随着大量灰尘影响工人视线与呼吸，低温喷淋可有效改善此种情况；与此同时，传统矿井水仓需要不断向外排放矿井水以保持水位。从地面向井下运水需要消耗大量资源。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井余热资源梯级回收系统，其系统结构简单，设计合理，实现方便，结合应用方法，能够有效应用在矿井余热资源梯级回收中，实现矿井余热资源梯级回收，特别是对矿井水资源的多级利用，工序衔接得当、实施便捷，合理利用余热资源品位特性，能够同时完成余热提取、喷淋降温、充注回填多项工作，使用效果好，便于推广使用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井余热资源梯级回收系统，包括位于矿井内的矿井水多级利用系统和制冷系统，以及位于矿区地面的供热系统；所述矿井水多级利用系统包括矿井水换热池，所述矿井水换热池内设置有换热盘管，所述矿井水换热池的进水端设置有物理清淤装置，所述矿井水换热池的出水端设置有工作面喷淋装置，所述矿井水换热池侧面设置有化学净化装置；所述制冷系统与换热盘管之间连接有板式换热器，所述供热系统与换热盘管和板式换热器均连接。

3、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述物理清淤装置包括设置在矿井水换热池顶部的净化箱和设置在矿井水换热池一侧的砂石处理仓，以及设置在矿井水换热池另一侧的除砂机构；所述净化箱的顶部设置有矿井水进水口，所述净化箱内由上至下依次间隔设置有粗滤网、钢条和细滤网，所述粗滤网与钢条之间竖直设置有弹簧，所述细滤网上设置有滑道；所述砂石处理仓内设置有第一砂石滤网和第二砂石滤网，所述第一砂石滤网与第二砂石滤网之间连接有震动机构，所述第一砂石滤网上方设置有第一粉碎辊，所述第二砂石滤网上方设置有第二粉碎辊，所述砂石处理仓的底部设置有砂石收集池，所述砂石收集池的侧面连接有砂石输送管道，所述砂石输送管道上设置有泥浆泵。

4、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述第一砂石滤网倾斜设置，且第一砂石滤网的一端通过第一固定件固定在净化箱外壁上，所述第二砂石滤网水平设置，且第二砂石滤网的一端通过第二固定件固定在砂石处理仓内壁上。

5、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述震动机构包括连接杆和设置在连接杆中间位置处的滑槽，所述连接杆的一端与第一砂石滤网的另一端连接，所述连接杆的另一端与第二砂石滤网的另一端连接，靠近所述第一砂石滤网的连接杆上套设有第一震动弹簧，靠近所述第二砂石滤网的连接杆上套设有第二震动弹簧，所述滑槽内设置有震动电机，所述震动电机的输出轴上连接有能够沿滑槽滑动的配重块。

6、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述除砂机构包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、弹簧驱动杆和铰接杆，所述第一齿轮和第二齿轮啮合，所述第二齿轮和第三齿轮同轴连接，所述弹簧驱动杆的一端通过铰接杆连接在第一齿轮上，所述弹簧驱动杆的另一端与粗滤网连接。

7、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述化学净化装置包括化学试剂箱、l型齿条和推盘，所述化学试剂箱设置在矿井水换热池外壁上，所述化学试剂箱的外侧设置有按压开关，所述化学试剂箱的内侧设置有位于矿井水换热池内的喷嘴，所述化学试剂箱内储存有化学净化药剂；所述l型齿条与第三齿轮啮合，所述推盘位于细滤网上，且能够沿滑道滑动，所述l型齿条的一端与推盘连接，所述l型齿条的另一端能够随着l型齿条的移动靠近并挤压按压开关，所述推盘的底部连接有位于矿井水换热池中的搅拌棒。

8、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述制冷系统包括冷凝器和蒸发器，所述冷凝器和蒸发器之间连接有第一循环管和第二循环管，所述第一循环管上设置有循环泵，所述第二循环管上设置有阀门，所述板式换热器包括热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口，所述热流体进口和热流体出口均与冷凝器连通，所述冷流体进口与换热盘管连通，所述冷流体出口通过上行管路与供热系统连通，所述上行管路上设置有介质泵。

9、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统，所述供热系统包括热泵机组和供热用户端，所述热泵机组与供热用户端之间连接有供热管道和循环回水管，所述热泵机组通过下行管路与换热盘管连通，所述下行管路中充注有换热介质。

10、本发明还公开了一种矿井余热资源梯级回收系统的应用方法，采用上述的系统，所述应用方法包括以下步骤：

11、步骤a1、当带有淤泥砂石的矿井水从所述矿井水进水口进入净化箱后，在重力作用下大颗粒的淤泥砂石经过粗过滤留存在粗滤网上，较小的细砂与煤粉经过细过滤留存在细滤网上；

12、步骤a2、经过双重物理过滤的矿井水进入矿井水换热池中，仍保有绝大部分热量，矿井水与充注有换热介质的换热盘管对流换热，矿井水温度降低，换热介质温度升高；

13、步骤a3、堆积在粗滤网上的淤泥砂石重量逐渐增加，弹簧发生形变，粗滤网靠近砂石处理仓的一端向下倾斜，淤泥砂石沿倾斜的粗滤网滑入砂石处理仓中；同时，粗滤网拉动弹簧驱动杆和铰接杆，铰接杆带动第一齿轮转动，第一齿轮带动第二齿轮和第三齿轮转动，第三齿轮带动l型齿条移动，l型齿条推动推盘向砂石处理仓移动；

14、步骤a4、淤泥砂石在第一粉碎辊的作用下粉碎成细小砂石，经震动中的第一砂石滤网过滤，进入砂石收集池中，未过滤的砂石沿着倾斜的第一砂石滤网下滑，在第二粉碎辊的作用下二次粉碎，再经震动中的第二砂石滤网过滤，进入砂石收集池中；同时，细滤网上的细砂与煤粉被推盘推到砂石处理仓中，砂石收集池中的细小砂石在泥浆泵作用下输送至矿井充填区，进行自动充注回填工作；

15、步骤a5、随着l型齿条的移动，l型齿条末端挤压按压开关，位于矿井水换热池内的喷嘴向矿井水中注入化学净化药剂，与推盘底部连接的搅拌棒随推盘在矿井水换热池中移动，将化学净化药剂与矿井水进行搅拌，加快化学净化药剂与矿井水中的金属离子的化学反应速度，在矿井水换热的同时进行化学净化；

16、步骤a6、经过化学净化与提取热量的低温矿井水输送至工作面喷淋装置中，为工作面除尘降温，同时降低工作面喷淋装置的喷嘴堵塞风险。

17、上述的一种矿井余热资源梯级回收系统的应用方法，还包括确定矿井余热资源梯级回收系统所提取的总换热量及板式换热器中换热介质的进口流量的方法，具体过程包括：

18、步骤b1、确定换热介质从矿井水换热池提取的一级换热量；

19、q1＝klδtm′

20、

21、

22、

23、

24、式中，q1为换热介质从矿井水换热池提取的一级热量，k为换热盘管单位管长换热系数，l为管长，δt′m为矿井水与换热介质的对数平均温差，tw为矿井水进口水温，t1为换热介质在矿井水换热池的进口温度，t2为换热介质在矿井水换热池的出口温度，h1为换热盘管内换热介质侧的对流换热系数，h2为换热盘管外矿井水侧的对流换热系数，re1为换热介质的雷诺数，re2为矿井水的雷诺数，pr1为换热介质的普朗特数，pr2为矿井水的普朗特数，prw为换热盘管外壁的普朗特数，d1为换热盘管外径，d2为换热盘管内径，λ1为换热介质的导热系数，λ2为矿井水的导热系数，λ3为管壁导热系数；

25、步骤b2、确定换热介质从冷凝热提取的二级换热量及板式换热器中换热介质的进口流量；

26、q2＝cp′vcρ′(tc′-tc″)

27、

28、式中，q2为换热介质从冷凝热回收系统提取的二级换热量，vc为板式换热器热流体侧进口流量，v为板式换热器中换热介质的进口流量，c′p为板式换热器热流体侧进口介质的定压比热容，cp为换热介质的定压比热容，ρ′为板式换热器热流体侧进口介质的密度，ρ为换热介质的密度，t′c为板式换热器热流体侧进口温度，t″c为板式换热器热流体侧出口温度，t2为换热介质进口温度，t3为换热介质出口温度；

29、步骤b3、确定矿井余热资源梯级回收系统从地下梯级提取的总换热量q＝q1+q2。

30、本发明与现有技术相比具有以下优点：

31、1、本发明的矿井余热资源梯级回收系统基于地热能提取技术，通过设置阶梯式热量提取的装置实现矿井余热利用，充分利用矿井水余热与井下制冷硐室冷凝热的能量品位不同的特点，根据热量品位高低次序合理地梯级提取热量，不仅能充分利用两种余热资源的特性，还能在降低井下温度的同时为地面矿区持续供热。

32、2、本发明的矿井余热资源梯级回收系统充分利用井下原有设备与空闲空间，系统结合紧凑，为实施方案提供极大的便利：矿井水自动换热清淤装置位于采空区，接入井下原有工作面喷淋装置；板式换热器连接井下制冷硐室原有制冷机组；下行管路与上行管路分别位于两条井下原有巷道中；矿井水多级利用系统结合紧凑、实施便捷，可自动同时完成余热提取、喷淋降温、充注回填多项工作。

33、3、本发明的矿井水自动换热清淤装置工序简单便捷，物理过滤与化学沉淀的装置达到一体化的效果，物理清淤的同时通过搅拌的方式加快化学反应速度，使得双重物理过滤与化学沉淀的效率高、时间短，不仅确保换热时矿井水中原有的淤泥砂石不致堵塞管热盘管，有效延长换热设备使用寿命与提高换热效率，高效的物理过滤还使得矿井水进入换热前的热量散失较少，尽可能保持原有水温。

34、4、本发明的矿井水自动换热清淤装置无需人工频繁清淤，便能达到在持续进水的状态下自动清仓的效果，减少能源与人力损耗；清淤得到的淤泥砂石自动被泥浆泵抽注进采空区回填钻孔里，不仅提高了矿井水过滤物处理效率，还完成了采空区回填工作，免除了从地面向井下运输回填材料的损耗，保障矿区地质安全。

35、5、本发明的矿井水多级利用系统充分利用了矿井水产自井下的地理优势，不仅利用矿井水余热，还合理利用了原本在矿井水仓中被排放浪费的矿井水资源。将经过净化提热后的低温清洁矿井水直接泵入原有工作面喷淋装置，为工作面除尘降温提供适宜的喷淋水，不仅改善掘进工作面环境，还免除了从地面向井下运输喷淋水的损耗。

36、6、本发明系统结构简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在矿井余热资源梯级回收中，使用效果好，便于推广使用。

37、综上所述，本发明系统结构简单，设计合理，实现方便，结合应用方法，能够有效应用在矿井余热资源梯级回收中，实现矿井余热资源梯级回收，特别是对矿井水资源的多级利用，工序衔接得当、实施便捷，合理利用余热资源品位特性，能够同时完成余热提取、喷淋降温、充注回填多项工作，使用效果好，便于推广使用。

38、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。