深井降温与热量利用研究

 引 言

 
    随着浅部资源的减少，开采深部资源成为采矿的主要方式，而深部开采必然要面临深井高温热害的问题，特别是河南、淮南、辽宁等地区大量的深部煤层开采工作面临着热害的影响[1]- [3]。同时，深部岩层高温资源也是地热资源开发的基础。本文是对矿井深部热量利用的研究，提出了相应的理论和技术方法，利用逆卡诺循环理论将深井工作面的环境温度降至符合《煤矿安全规程》[4]要求，并将这部分去除的热量回收利用起来。本项目将地源热泵理论应用于深部矿井的热量利用方面，其研究成果将有力地改善以往深井降温技术的缺陷，并推动热泵技术的发展，为开发新的岩层地热资源和合理利用深部岩层热量提供理论基础，从而具有重大的经济和社会效益，对于深井矿产资源的开采具有较强的现实意义。

 
1国内外研究概况、水平

 
1.1深井降温技术

 
    目前，国内外深井降温技术主要有冰冷式降温技术、集中空调式降温技术，另外，还有隔绝热源、个体防护等措施。20世纪70年代，德国首先开展了矿井集中空调人工制冷技术的研究，而后南非首次采用冰冷却系统降温，但是以上所提及的技术并没有将深井降温和深部岩层热量的利用结合起来。我国从1954年对此问题立项，先后在抚顺、淮南、平顶山、北票等矿区，建立了矿内热环境观测系统，积累了丰富的原始资料。还先后进行了全国矿井地温和高温热害普查，基本上掌握了全国矿井高温热害的现状。2008年何满潮又提出了HEMS深井降温系统及热害控制对策。胡春胜对孙村煤矿进行了深部实用制冷降温技术的研究与应用 。问题在于这些研究均以单纯的深井降温为主，理论研究取得一定成果，但在实践中投资大、耗能高、热量不能有效利用，且对周围环境造成一定影响。
 

 1.2地源热泵理论[5]

 
    卡诺在1824年发表了关于卡诺循环的论文；1850年初开尔文（L.Kelvin）提出：冷冻装置可以用于加热。1852年威廉.汤姆逊发表了一篇论文，首先提出一种热泵设想。 在十九世纪七十年代，基于这些原理的制冷设备的开发工作得到了迅速发展。苏黎世在1912年成功安装一套以河水作为低品位热源的热泵设备用于供暖，并以此申报专利，这就是早期的水源热泵系统，也是世界上第一个水源热泵系统。霍尔坦（Haldane）在1927年安装了一台实验用热泵，进行循环供暖和水加热。70年代以来，热泵工业进入了黄金时期，世界各国对热泵的研究工作都十分重视。诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，热泵新技术层出不穷，用途也在不断的开拓，广泛应用于空调和工业领域，在能源节约和环境保护领域起着重大的作用。

 
    我国热泵技术的研究开发工作与国外相比尚有差距。 20世纪50年代，天津大学热能研究所开始着手开展热泵方面的研究，60年代开始，热泵在我国工业上开始得到应用。1965年，上海冰箱厂研制成功我国第一台热泵型窗式空调机，同年，天津大学与天津冷气机厂研制成功我国第一台水冷式热泵空调机。此后，我国热泵的理论基础研究工作取得较快的发展。

 
1.1中高温热泵工质

 
   1990年以前, 电冰箱、空调器工质一般采用CF和HCFC类，它具有优越的物理和制冷性能，安全性好、技术成熟、价格低廉，但它们对臭氧层具有破坏作用且产生温室效应。另外还有CO2、NH3或碳氢化合物等工质，其使用压力较高，循环时易进入超临界区，或者具有较高的爆炸危险性，故对相应的系统一般都有特殊的要求。根据《蒙特利尔议定书》的要求，发达国家应从1996年1月1日起禁用CFC ，发展中国家将于2010年1月1日起禁用CFC，而我国将此禁用时间提前到了2007年7月1日。但目前仍有大量的以CFC为制冷剂的离心式冷水机组在使用，说明替代离心式冷水机组中的CFC制冷剂是个难题。

 
     美国霍尼韦尔(Honeywell)公司自2002年起开始研发HFC-134a的混合物替代品，开发出了由四氟丙烯(CF3CF=CH2)和三氟碘甲烷(CF3I)组成的二元混合物(以四氟丙烯为主)，并命名为Fluid H。法国罗地亚(Rhodia)公司也研发了一种可用于离心式冷水机组的CFC-12替代品，并命名为ISCEON 39TC。我国清华大学自2000年起，至今已经研发了四种中高温热泵工质,它们均是混合工质,分别命名为HTR01,HTR02,HTR03和HTR04。天津大学提出了可替代HCFC-22的含HFC-236fa,HFC-1311,HFE-134,HFE-143等物质的二元或三元混合物作为中高温热泵的工质。

 
    综上所述，国内外已在深井降温技术、地源热泵理论、中高温热泵工质等方面做了大量的研究和实践工作。但地源热泵技术在深井热害领域的应用研究很少，原因在于我国煤矿深井的开采地质条件复杂，瓦斯含量增大、压力增高，瓦斯灾害严重，治理困难；矿山压力增高、构造应力显著，围岩难以控制；地温高，热害防治难；煤层底板高承压水威胁深井安全开采等实际存在的自然条件，不利于地源热泵理论的应用。

 
2深井热害问题的解决
 

     深部工程问题产生的根本原因是由于工程所处位置复杂的地质力学环境使岩体结构[6]、力学特性和工程响应均发生根本性变化，从而使深部工程的岩体表现出其特有的物理、力学特征现象。

 
    针对目前深井降温技术中存在的问题，辽宁工程技术大学提出了利用矿井巷道温度作为热源的深井新型卡诺循环模式。

 
    2.1 深井降温及热量利用系统结构

    深井降温与热量利用系统的结构详见图1。系统主要包括：地面热量输送系统、地面工作站、压力转换器、工作面降温系统、工作面风输送系统、液、气态工质输送系统七个主要部分。

图1深井降温与热量利用系统

    0 2.2 深井降温与热量利用系统工作原理

 
    地面工作站设有压缩机、冷凝器、换热器[7] [8]。主要作用是压缩井下工作面降温系统出来的气态工质，工质在冷凝器内放出热量，热量经换热器置换后供给地面供热及洗浴。压力转换器作用主要是将从冷凝器流向工作面降温系统液态工质压力降低。工作面降温系统主要设置蒸发器。作用主要是将从压力转换器出来的低压液态工质蒸发成气态，放出冷量，冷量与工作面高温空气进行换热作用。工作面风输送系统设有风机、送风管道、管件等。作用主要是将降温系统的冷风送至各个工作面。地面工作站至工作面的液态工质输送系统、工作面至地面工作站气态工质输送系统设在副井内。图2为工作面空冷降温系统。

图2工作面空冷降温系统

    3.降温技术

    结合煤矿的具体工程条件及地层温度场参数，设计深井降温与热量利用系统，并进行现场技术实施，该技术系统流程见图1, 工作面空冷降温系统见图2。

 
3.1 地面工作站

 
    地面工作站的主要功能是制冷站和换热站，将冷凝器内的热量置换出来，供给地面供热及洗浴。根据冷负荷计算，选择2台型号为8AS17的机组作为地面工作站主体设备，总制冷量为2232 kW，满足设计要求。机组重量6190Kg，最大输入功率500kW。

 
3.2  压力转换器
 

    压力转换器的重要特点是:一方面压力转换器本身无需耗电，工质流动与设备转动一体化，从而消除了以往降压器本身发热所带来的人工热源。另一方面，因设备回收了高压制冷剂的大部分位能，从而消除了这部分位能向热能的转化，并可将回收的位能用于发电。

 
3.3  工作面降温系统

     工作面降温系统是深井降温的末端设备。在标准工况下其运行参数要求为：换热能力2000 kW，进风温度31℃，相对湿度90%，出风温度22℃，供冷风总风量1750 m3/min，工作压力3 MPa，外形尺寸为宽×高≤3 500 mm×1 700 mm。

 
3.4工作面风输送系统

 
    工作面风输送系统在主巷道内设计成专用风道，在综合采煤工作面设送风口，尽量使全部冷风都流经工作面，这样，工作面风输送系统形成了全空冷式降温系统，可以大大提高降温换热效率。

4结论

在“深井降温与热量利用系统”的研究过程中，需要注意以下问题：

(1) 整个系统循环采用的工质必须符合《煤矿安全规程》要求；
(2)液态工质流动过程中要严格控制压力和温度；压力转换器部分解决了深井管道中流体的高压难题，但不能完全解决。因此，在蒸发器前还要设节流阀调节流量；
(3) 气态工质流动过程中，压力由正到负。如果流量过大，地面工作站要设真空泵，提高管道流量；
(4) 液、气态工质输送系统管道的保温要经过严格计算。 

 参考文献：
 [1] 冯兴隆,陈日辉.国内外深井降温技术研究和进展.云南冶金,2005,34(5):7—10
[2] 刘何清,吴超,等.矿井降温技术研究述评.金属矿山,2005,4:43—46
[3] 何满潮,张毅,郭东明.新能源治理深部矿井热害储冷系统研究.中国矿业,2006,15(9):62—64
[4] 国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程.北京:煤炭工业出版社,2005
[5]蒋能兆等，空调用热泵技术及应用，北京；机械工业出版社，1994
[6]张树光.热害矿井巷道温度场分布规律研究,国地质灾害与防治学报,2003,9(14):9-11
[7]杨伟.深井降温系统换热器热力计算方法研究.地缘热泵,2008,11(27):38—41
[8]杨伟.深井降温系统换热器应用研究.地缘热泵,2008,12(28):28—31