矿井降温技术现状及问题探讨
摘要: 简要地介绍了现有井下降温现状及技术, 从多方面分析比较各种制冷工艺的优缺点. 并对矿井降温技术在实际选择时进行比较。
关键词: 矿井; 空调; 降温技术; 冰制冷
0 引言
随着煤炭工业的发展, 煤炭开采的矿井越来越向深部开采拓展, 矿井开采的深度越大, 热害问题也越严重。
减少和防止深井煤炭生产过程中的热害问题就成为重要的研究课题。
本文就矿井降温技术及问题作初步探讨。
1 矿井降温技术的研究现状
目前矿井常用的降温方法有非人工制冷降温方法和人工制冷降温方法两类。
1.1非人工制冷的降温方法
改善通风: 矿井降温可以借助增加风量来实现。
随着流过巷道风量的增加, 从岩体放出的氧化热和其他热源放出的热量分散到更大体积的空气里, 从而使风流的温度降低。
在一定的条件下增加风量,比人工降温方法更为经济。
但是, 当风量增加时, 负压也随之呈二次方增加, 风机功耗也随之呈三次方增加。
减少各种热源放热: 1.减少氧化放热。
在矿井热平衡中氧化放热和局部热源放热起了很大的作用。
最大限度减少巷道中的煤尘含量,实行坑木代用,缩短从工作面到地面的运煤时间以及采用专门的材料涂抹巷壁可以大大降低其氧化放热层; 2.排除机械放热。
通常固定设备(如主排水泵、绞车等)是布置在用新风流通风的专用(硐室)中。
一般流经这些(硐室) 而被加热的空气均进人流向工作面的主风流,这样就使井下空气加热。
如果这些回风排至总回风流中, 便可大大减少由机械放热引起的风流加热,大多数情况下在技术上是可行的; 3.巷壁绝热。
可以在深矿井及中深矿井中热害严重的区段作为辅助手段与其他降温措施配合使用,但进行巷壁绝热的费用,特别是当必须扩大巷道断面时,会大大提高吨煤成本。
因此,巷壁绝热只是在技术、经济合理的基础上采用; 4.防止放湿。
防止巷道滴水和利用与风流隔绝的排水沟是防止井下空气受湿的最普通方法; 5.防止压风管道的加热。
从压风机送到敷设于井筒中管道的压风通常温度达70 ~ 80℃,也能使风流升温。
这些非人工降温的方法虽然可以解决一些问题,但不能解决根本问题。
1.2 空气压缩式制冷技术
由于空气压缩制冷循环的制冷系数、单位质量制冷工质的制冷能力均小于蒸汽压缩制冷
系统,在产生相同制冷量的情况下,空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置,并且单位制冷量的投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统,因此,全矿井采用空气压缩式制冷系统降温的矿井是屈指可数的。
而压力引射器、涡流管制冷器等装置,实际上仅是一种空气膨胀装置,它必须与地面空气压缩机联合使用。
1.3 人工制冷水的降温方法
该降温技术已经成为矿井降温的主要手段。
该矿井降温技术主要有: 井下集中式、地面集中式、井下地面联合集中式、分布式。
在经济上地面集中式和井上下联合集中式具有其优越性; 而在技术上3种集中式系统各有特点:井下集中式系统的致命弱点是冷凝热排放困难; 地面集中式和井上下联合集中式系统必须使用高低压转换设备, 此设备在冷冻水转换过程中会产生3 ~ 4℃的温度跃升。
1.4 人工制冰降温技术
冷却系统的主要原理是利用冰的溶解热,通过冰的溶解把水冷却到接近0℃, 然后把冰冷却水送到各个工作面, 系统由冰的制备, 冰的运输和冰的溶解3个主要部分组成。
冰的融化是冰冷却系统中一个非常重要的环节, 它关系到能否获得稳定的低温水和稳定的水流量。
冰冷却降温技术仍处在试验研究阶段,特别是冰的输送和冰的融化技术目前还很不成熟。
由以上可见, 目前的井下降温技术均有不足之处, 研究系统简单, 成本低, 效率高, 运行可靠的井下降温技术具有重要的意义。
2 矿井降温技术在选择时的比较
2.1 地面集中式制冷降温系统
地面集中式制冷降温系统可以分两期投入, 且能够较好的解决井筒掘进到底后, 巷道开拓时的临时降温需要。
制冰片式: 1.优点是设备安装、维护管理方便;制冷机组没有防爆要求; 制冷后产生的冷凝热排放方便; 在国内多个煤矿有具体应用的案例; 2.缺点是系统复杂, 装机总功率大, 能耗高; 供冷管道长, 系统冷量损耗大; 制冷效率低, 需在井筒中安装大直径的输冷管道及对管道进行保温处理; 井筒中输冰管路存在堵塞二次结冰可能。
制冰粒式:1.优点是设备安装、维护管理方便;制冷机组没有防爆要求; 制冷机组并联连接, 安全运行性能较高。
流化冰流动性好, 井筒输送方便, 输送时不会产生堵塞、二次结冰; 流化冰载冷量大, 制冷效率高, 冷凝热排放方便;2.缺点是系统复杂,装机总功率大,能耗高; 供冷管道长。
系统冷量损耗较大, 流化冰生产过程需加盐。
对输冷管路、设备存在腐蚀作用; 需在井筒中安装大直径的输冷管道及对管道进行保温处理; 地面制冷车间占地面积大。
2.2 井下制冷降温系统
井下集中式制冷降温系统: 其冷却水管路安装在主井井筒内, 且要在井下开拓大断面的制冷硐室,需井筒装备完, 矿井基本形成时才能有效投入运行;不能很好的解决掘进巷道时的临时降温需要。
1.优点是冷冻水在井下循环。
系统供冷管道短, 冷量损耗小, 制冷效率高; 系统简单, 装机容量相对较小; 无高压冷冻水系统; 井筒中敷设的冷却水管路不需保温; 冷凝热在地面排放; 地面部分占地面积很小; 2.缺点是井下要开凿大断面的硐室; 制冷设备要有防爆、防腐要求: 井下制冷机组冷凝器侧要承受高压,对设备性能要求高; 井下部分安全性相对较差一些;需化学水处理系统。
水源热泵式: 1.优点是冷冻水在井下循环。
系统供冷管道短, 冷量损耗较小, 制冷效率较高; 系统简单; 冷却水系统直接取自井下的矿井水; 冷凝热在井下直接排放; 机组不占用地面空问;2.缺点是井下要开凿专用的硐室;制冷设备要有防爆、防腐要求;机组额定制冷量较小; 因冷凝热排放在矿井水仓中,水仓温度较高; 矿井水井下处理作为系统冷却水难以满足大容量制冷机组器求;在煤矿单位具体应用的案例较少。
通过综合比较分析, 若考虑井筒掘进到底后, 形成车场、巷道开拓时(掘迸进尺约500m) 的临时降温需要, 建议采用地面集中式的矿井制冷降温方案。
若不考虑井筒掘进到底后,形成车场、巷道开拓时的临时降温需要, 建议采用井下集中式、冷凝热地面排放的矿井制冷降温方案。
该方案节能、制冷效率较高, 但需在主、副井筒装备完成后, 系统才能投入运行。
2.3矿井降温今后研究方向
针对目前矿井空调系统存在的问题, 今后的研究方向主要有以下几个方面: 1.建立合理的矿井空气调节标准, 目前已有的标准只考虑了干球温度, 没有考虑湿度的影响。
在矿井这种高温高湿的环境下, 湿度对人体的影响是不容忽视的。
因此, 迫切需要制定一个新的标准, 综合考虑温度和湿度以及其它空气参数的影响, 科学、全面地评价矿井内的空气环境, 指导井下的降温工作; 2.目前的矿井空调系统都没有考虑空气的除湿问题, 而在矿井下的高温高
湿环境中, 如能解决除湿问题, 也可以大大改善矿工的工作环境, 减少工人工作时的不适感。
因此, 如能研制出带有除湿功能的新型空冷器也可以一定程度上解决矿井降温的问题; 3.冷负荷的计算是空调系统设计的基础。
围岩散热作为矿井内主要热源之一计算非常困难。
虽然围岩不稳定传热系数的计算公式很多, 但是有的很复杂, 需要参数较多, 不便于收集,难以在工程实际中应用; 有的只适用于金属矿,对煤矿不适用。
因此迫切需要找到一种既经济实用又能满足精度要求的计算方法。
3 结论
随着矿井开采深度的不断增加,矿井热害的问题会更加突出。
从一定角度来说,矿井降温技术的发展决定了矿井开采能力未来的发展。
今后,矿井降温应更多的从系统工程、经济性和新技术的角度来考虑。
在矿井中采用冰制冷和局部制冷组合降温的方式, 在保证矿井主体冰制冷降温的前提下,充分利用局部制冷机组的方便性和移动性,根据矿井的热源突发位置来进行补足制冷。
利用矿区的特点和有利条件, 进行能效比分析, 确定最经济的制冷降温方案。
参考文献
[1] 冯小凯, 姬长发.矿井空调降温技术分析[A] . 全国暖通空调制冷2008年学术年会, 2008.
[2] 耿俊俊,王新，齐学元. 矿井热环境空调降温技术研究[J].科技信息, 2008, (29) .
[3] 王成, 杨胜强.矿井降温措施综述[J].能源技术与管理, 2008, (1) .
[4] 张辉,菅从光,张晓磊. 矿井热害冰制冷降温技术经济性分析[J] .能源技术与管理, 2008.。