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高温矿井降温中制冷技术的应用分析

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  摘要:我国经济的飞速发展和工业水平的不断提高,使得矿产资源及各种能源的需求量大大增加,这使得矿井的采掘深度不断增加,高温矿井的数量也随之大大增加。而高温矿井中的热害问题也日益明显,高温不但对矿井工作人员的身体健康造成了很大的威胁,也在一定程度上阻碍了矿井作业的顺利进行,因而对高温矿井的降温措施进行研究和创新是有着重要的理论意义和实践意义的。本文以潘一矿为例,对其高温矿井中的制冷技术处理进行分析,进一步总结了高温矿井降温中的制冷技术关键及其运用。
  关键词:高温矿井降温制冷技术应用
  
  我国是世界第一产煤大国,而我国的煤炭绝大多数来自煤炭开采,目前,我国的煤矿开采已经开始逐步向深部发展,这就使得高温矿井的数量不断增多。高温环境下的矿井作业,矿工的劳动生产率会大大下降,其身体健康也会受到一定程度的损害,同时,也严重威胁着矿井下的安全生产。因而,对高温矿井采取一定的降温措施是十分必要的。
  1、 高温矿井热源分析
  综合分析高温矿井的高温成因,我们可以把其主要热源归纳为以下几类:
  1.1地热
  地热是最重要的深井通风热源,据研究,深井岩层放热占井下热量的48%。地热是以围岩传热形式散热。原岩放热是深井矿山的主要热源之一,当井下空气流经围岩时,两者发生热交换,从而使井下空气温度升高。因受地热增温的影响,岩石温度随深度的增加而升高。围岩与井巷空气热交换的主要形式是传导和对流,即借热传导自岩体深处向井巷传热,或经裂隙水借对流将热传给井巷。在大多数情况下,围岩主要以热传导方式将热传给岩壁,并通过岩壁传给井下空气。
  1.2空气压缩放热
  空气压缩在严格意义上并不算一个热源,但是对于较深的矿井来说,由空气自压缩所引起的风流的升温在矿井的通风和空调中所占的比例是很大的,因而,一般可以把空气自压缩归到热源中进行讨论。
  1.3机电设备散热
  目前,我国的矿井中所采用的机械绝大部分是电力机械,这些设备在利用电能做功的同时还会产生一部分热能。大量机电设备的使用产生了大量的热能,这些热能直接散发到矿井空气中去,进一步造成了矿井环境温度的升高。
  1.3氧化热、爆破热
  硫化矿以及煤炭碎石在被氧化时都会产生一定的热量,若氧化达到了自燃的程度,所产生的热量就会更大;另一方面,矿井的施工常常会用到各种炸药,炸药的爆破所产生的热能会直接散发到空气中去,因而氧化和爆破所产生的热能也是不可小觑的。
  2、 高温矿井降温中的制冷处理必要性分析
  随着开采深度的加深,高温矿井的地温灾害会日益明显,通风降温、隔绝局部热源、预冷进风更流、热水防治等传统的降温方式由于都有各自的局限性往往已经无法完全满足高温矿井越来越高的降温需求,因此对高温矿井进行人工制冷处理是十分必要的。
  就潘一矿的现状来说,随着其二水平的开拓延伸,采深已达到了-800m以下,热害日益加重,二水平的温度常常在30℃以上,为了保障矿工的身体健康及工程的作业安全,必须对高温矿井的热害进行恰当的处理。虽然潘一矿热电冷联控一期工程已经完成施工和投入使用,并产生了一定的降温效果,但随着矿井深度的加深,一期工程已经无法满足目前的制冷需求,因而二期工程的进行是很有必要的。
  3、 高温矿井降温中的制冷技术原理及其应用
  人工制冷降温,按制冷机的容量和设置位置可大致分为:(1)独立移动式带制冷机,即在各工作而实施局部制冷的方式;(2)大型带制冷机安装在地表或井下的集中固定式制冷方式,即制冷机在竖井井口或井底冷却全部进风的直接制冷方式和带制冷机的冷水用送水管送往工作面附近与移动式热交换器配套,组成局部冷却的分散制冷方式。
  以下以潘一矿热点冷联控项目为例分析高温矿井将降温中的制冷技术原理:
  潘一矿热电冷联供项目工程包括南风井瓦斯发电站、发电站余热利用及井下降温工程。潘一矿热电冷联供项目系利用潘一矿南风井瓦斯抽排站抽采的瓦斯发电,瓦斯发电机组排出的高温烟气和冷却缸套水用于制热和制冷,向潘一南风井工广供热、潘一矿井下降温系统供冷。其中,降温工程的工作原理是:采用溴化锂吸收式制冷机对温度为18℃的井下制冷循环回水进行制冷。将制得的5℃冷冻水通过螺杆式电制冷机组进一步降低温度至2.5℃后送至井下,在南风井井筒附近-550m水平新开硐室安装高压热交换站,地面2.5℃冷水输送至井下在换热器站进行冷媒交换,然后通过井下循环泵再输送至工作面、掘进头空冷器,实现井下降温。本工程制冷方式主要为热力制冷,采用潘一南风井瓦斯发电站发动机排出的烟气余热和缸套水余热制冷,增加二级电制冷进一步降低冷冻水温度至2.5℃后送井下。考虑到瓦斯浓度不足30%及发电机组故障情况,增加备用离心式电制冷机组。
  这一项目制冷量计算方法是:
  目前已安装的4台空冷器全开的情况下,制冷系统进水温度4℃,回水温度13℃,水流量100m³/h,水的比热容为4.2KJ/kg.℃,效率按65%计算。实际制冷量计算如下:
  P=100×1000×4.2×1000×(13-4)×65%÷3600
  =682500w=682.5kw
  由此可以得出,现有4台空冷器有效制冷量为:682.5kw。这一制冷量尚不能满足潘一矿的制冷需求,因而二期工程应尽快完工和投入使用,以确保矿井的安全施工。
  潘一矿高温矿井采用的制冷降温系统,能够取得较好的降温效果,满足工作面生产要求。降温系统所有冷量损失中,冷冻水供回水管道的冷量损失最大。降温过程中除湿消耗的冷量是降温消耗冷量的3.18倍。空冷器的换热温差小( 空冷器进口冷冻水温度过高),换冷效果不好,应降低载冷质的温度。通过在采面的上部安装喷淋装置,喷洒降温系统的低温冷水,能高效冷却工作面的气体及岩壁,降低工作面温度,达到很好的降温效果。在矿井深部开采或矿井热害较严重的浅部开采时,必须采用人工制冷降温。南非的有关机构研究表明,对深矿井的降温,冰冷却系统是一种较好的方法,而且矿井越深,这一技术的优越性就越显著。
  综上所述,随着我国煤矿开采量的增加,开采深度得到了不断的增加,这又造成了矿井温度的普遍升高和高温矿井数量的增加。高温矿井中的热害问题,严重威胁着矿井工人的身体健康,矿井作业的顺利进行,甚至会造成矿井作业安全问题。因而,如何有效解决高温矿井的热害问题已经成为一个重要的、热点的课题。目前,传统的通风方法、避开局部热源、预冷进风风流等降温方法已经很难满足高温矿井的降温需求。制冷技术作为一种新型的、高效的高温矿井降温方法,在近年来已经得到了越来越多的重视和应用,其广阔的发展和应用前景也是有目共睹的。因而,我们应该注意在工作实践当中不断积累经验,总结方法,对高温矿井降温中的制冷技术进行不断地研究和创新,以进一步实现对高温矿井的有效降温。
  


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