一种高温矿井采掘工作面液态CO2降温装置及方法与流程

本发明涉及矿山降温技术领域，具体涉及一种高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置及方法。

背景技术：
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我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源量占国内化石能源总量的95％。随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，地下开采深度越来越大。目前，我国煤炭开发以每年10～25m的速度快速向深部转移，矿井热害问题日益突出。深部矿井高温热害问题逐渐成为制约深部煤炭资源开采的重要因素。

矿井热害治理技术主要分为非人工制冷技术和人工制冷技术。非人工制冷技术通常应用在热害不太严重的矿井，当矿井热害比较严重时就必须采用人工制冷降温技术。随着煤矿采深的增加，巷道围岩放热强度越来越大，非人工制冷技术满足不了现场降温需要。因此，从发展趋势来看，深部高温矿井将采取以人工制冷为主，非人工制冷为辅的热害综合防治技术。经过几十年的发展，人工制冷技术已经成为一项比较成熟的矿井降温技术，目前主要有压缩空气降温技术、人工制冷水降温技术、人工制冰降温技术、热-电-乙二醇低温制冷降温系统等。但由于制冷设备价格昂贵、功耗大、设备运行和维护成本高等因素，人工制冷技术的推广受到了限制。此外，采用人工制冷降温时，降温系统往往存在混风问题，混合后的低温风流又经过巷道围岩的二次加热，进入采掘工作面时，其降温效果严重受限，在长距离巷道应用时这种问题体现的更为突出。

液态CO₂是良好的制冷介质，熔点为-56.6℃，此时其汽化潜热为347.77kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等优点。采用液态CO₂相变制冷降温时，在取得较好降温效果的同时，能有效减少向大气碳排放，保护环境。但是采用液态CO₂进行降温时，途经长距离或大高差巷道时，液态CO₂的输送距离受限，且容易出现固化堵塞现象，影响采掘工作面降温换热的效果，限制了矿井液体CO₂相变制冷降温技术的推广和应用。

技术实现要素：
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本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置及方法，解决了煤矿井下液态CO₂远距离和大高差传输的难题，增加了液态CO₂相变制冷降温方法的适用范围，提高降温换热效率，降低生产成本，保护环境，大幅提高生产效率，同时促进矿井液体CO₂相变制冷降温技术的应用和发展。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置，该装置包括通风机、风筒、液态CO₂储罐、压力泵、液态CO₂输送管、热交换器和气态CO₂排放管；

所述的热交换器设有风流进风口和风流出风口；

所述的热交换器包括壳体、冷却盘管和导风板，所述冷却盘管和所述导风板均布置在壳体内；

所述的导风板设置在风流进风口和冷却盘管之间；

所述通风机通过风筒与风流进风口连接，所述的风流出风口通过风筒与采掘工作面连通；

所述的热交换器设有液态CO₂输入口、气态CO₂排放口和冷凝水排放口，所述冷凝水排放口设置在热交换器底部；

所述的液态CO₂储罐设有出口，所述的压力泵两侧通过液态CO₂输送管分别与液态CO₂储存罐和液态CO₂输入口连接，所述的气态CO₂排放口连接气态CO₂排放管；

所述的液态CO₂输送管上，沿液态CO₂流动方向，依次设有第一压力表，第一阀门，液态CO₂流量计，压力泵，第二压力表，第一温度表，第三压力表和第二温度表，所述的第三压力表和第二温度表，设置在靠近CO₂输入口的位置。

其中：

所述的通风机为矿用局部通风机。

所述的通风机采用压入式通风方法，为整个降温装置提供通风动力，向采掘工作面供给新鲜冷却风流。

所述的液态CO₂储罐用于储存液态CO₂。

所述的液态CO₂用于作为整个降温装置的制冷介质。

所述的冷凝水排放口用于排放热交换器内风流析出的冷凝水。

所述的第一压力表，用于监测液态CO₂储罐内压力值。

所述的第一阀门，用于控制液态CO₂储罐中液态CO₂的出口流量。

所述的液态CO₂流量计，用于监测液态CO₂的出口流量。

所述的压力泵，用于对液态CO₂输送管内液态CO₂进行加压。

所述的压力泵上连接有调频装置，所述的调频装置用于调整压力泵的运行频率。

所述的第二压力表，用于监测压力泵加压后液态CO₂输送管内的液态CO₂的压力值。

所述的第一温度表，用于监测压力泵加压后液态CO₂输送管内的液态CO₂的温度值。

所述的液态CO₂输送管用于将液态CO₂储罐内的液态CO₂输送到热交换器的冷却盘管。

所述的液态CO₂输送管外层设有保温层。

所述的保温层，用于减少液态CO₂在所述液态CO₂输送管输运过程中冷能损失，提高液态CO₂的利用效率。

所述的液态CO₂输送管由若干单元输送管串联而成，各单元输送管之间通过法兰盘连接，法兰盘接口处安有垫圈，若干距离的输送管路之间串联软管实现软连接。

所述的软连接，用于抵偿液态CO₂输送管路因温度改变导致的尺寸变化。

所述的液态CO₂输送管和软管耐压强度在5MP以上，耐温下限不高于-57℃。

所述的第三压力表，用于监测液态CO₂在进入冷却盘管之前的压力。

所述的第二温度表，用于监测液态CO₂在进入冷却盘管之前的温度。

所述的导风板，用于克服风流在热交换器内的不均匀分配，增加换热效率，减少通风阻力。

所述的冷却盘管为竖直星型翅片管，所述的冷却盘管按照蛇形盘管的方式布置；

所述的热交换器用于使液态CO₂与风流进行热量交换，液态CO₂遇热汽化产生的冷量用于冷却由风筒输送到热交换器内的风流，形成冷却风流，达到降低风流温度的目的。

所述的热交换器尺寸根据具体巷道断面尺寸进行设计。

所述的热交换器的布置数量n根据采掘工作面的降温需要确定，其中n≥1。

当n＞1时，各台换热器应依次紧邻串联布置，后一台热交换器的风流进风口与前一台热交换器的风流出风口通过风筒连接，后一台热交换器的液态CO₂输入口与前一台热交换器的CO₂排出口通过软管连接；通过多台换热器的布置，使得降温操作时气态CO₂输出口输出的气态CO₂中含有的未汽化的液态CO₂充分汽化，对冷却风流进行二次冷却，提高降温效果。

所述的第三温度表，用于监测换热器出口CO₂的温度值。

所述的第四压力表，用于监测换热器出口CO₂的压力值。

所述的第二阀门为泄压阀，用于控制冷却盘管内压力及气态CO₂的排放。

所述的气态CO₂排放管用于将液态CO₂经过热交换器后转换为的气态CO₂排放至采空区。

所述的气态CO₂排放管由若干单元排放管串联而成，各单元排放管之间通过快速接头连接。

所述的高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置布置在巷道内，其中，所述的通风机安设在进风巷道；所述热交换器安设在靠近采掘工作面的位置，使形成的冷却风流能够迅速送至采掘工作面；所述的风筒和热交换器均通过挂钩吊挂在巷道顶板，所述的液态CO₂输送管和气态CO₂排放管均铺设在巷道壁。

采用所述的高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置进行降温的方法，包括以下步骤：

步骤1，加压

(1)启动通风机，风流通过风筒，流向换热器；

(2)关闭第一阀门，设定第二阀门的安全压力，开启压力泵，对液态CO₂输送管和冷却盘管加压，直至第四压力表压力达到设计的压力值，其中，第四压力表设计的压力值应不大于第二阀门的安全压力；

步骤2，压力与温度控制

(1)打开第一阀门，液态CO₂通过液态CO₂输送管流动到压力泵，经过压力泵的加压作用输送到冷却盘管；

(2)监测液态CO₂输入口前液态CO₂输送管内的液态CO₂的压力值和温度值，确保该处压力和温度条件下CO₂为液态；同时，监测液态CO₂储罐内的液态CO₂的压力值，当液态CO₂储罐内的压力值低于其最低工作压力时，更换液态CO₂储罐；

(3)根据采掘工作面的降温需要，通过调整压力泵的运行频率和第二阀门的安全压力来控制液态CO₂的流量；

步骤3，热交换降温

(1)流经冷却盘管的液态CO₂，与流经热交换器的风流发生相变换热，由液态CO₂转变为气态CO₂，并经气态CO₂排放管排放至采空区；

(2)流经热交换器的风流吸收液态CO₂汽化产生的冷量形成冷却风流，冷却风流通过风筒输送到采掘工作面，实现采掘工作面降温；

步骤4，停止降温

当停止降温时，先关闭第一阀门，压力泵继续工作，直至将液态CO₂输送管中的液态CO₂排空。

所述的步骤2(1)中，由于液态CO₂具有高压力，第一阀门打开后，液态CO₂通过液态CO₂输送管主动流入压力泵。

所述的步骤2(2)中，通过第三压力表和第二温度表监测液态CO₂输入口前液态CO₂输送管内的液态CO₂的压力值和温度值。

所述的步骤2(2)中，通过第一压力表监测液态CO₂储罐内的液态CO₂的压力值。

所述的步骤2(3)中，压力泵的运行频率和阀门安全压力的调整应按照从小到大的原则进行。

所述的步骤3(2)中，流经热交换器的风流吸收液态CO₂汽化产生的冷量形成冷却风流的同时，风流析出冷凝水，冷凝水由冷凝水排放口排出。

所述的步骤3(2)中，冷却风流在通风压力作用下自动输送到采掘工作面。

本发明的有益效果：

(1)本发明的装置采用压力泵和阀门系统的组合控制实现液态CO₂在巷道中的远距离和大高差传输，解决液态CO₂传输过程中的固化堵管问题；

(2)本发明装置的热交换器轻便、灵活，便于移动，不影响工作面正常生产；

(3)本发明的装置通过设置冷凝水排放口，使汽化过程中产生的冷凝水及时排出，确保热交换器能正常工作，同时保护热交换器，延长使用寿命；

(4)本发明的装置结构简单，操作方便，降温设备投入成本低，可操作性强，能够快速构建降温系统，对降温地点实现有效降温；

(5)本发明的方法将气态CO₂废气排入采空区，促进矿井火灾的防治；

(6)本发明的方法利用液态CO₂汽化过程中释放的冷能用来降低流经热交换器的风流温度，将冷却风流直接送至采掘工作面，解决了以往降温装置存在的混风问题，实现了对采掘工作面的高效降温，为工作人员提供舒适的工作环境。

附图说明：

图1为本发明的高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置结构示意图；

其中，1-矿用局部通风机；2-风筒；3-液态CO₂储罐；4-第一压力表；5-第一阀门；6-液态二氧化碳流量计；7-压力泵；8-调频装置；9-第二压力表；10-第一温度表；11-液态CO₂输送管；12-第三压力表；13-第二温度表；14-风流进风口；15-导风板；16-冷却盘管；17-壳体；18-风流出风口；19-热交换器；20-第四压力表；21-第三温度表；22-泄压阀；23-气态CO₂排放管。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置，结构示意图如图1所示，该装置包括：矿用局部通风机1、风筒2、液态CO₂储罐3、压力泵7、液态CO₂输送管11、热交换器19和气态CO₂排放管23；其中：

所述的热交换器19设有风流进风口14和风流出风口18；

所述的热交换器19包括壳体17、冷却盘管16和导风板15，所述冷却盘管16和所述导风板15均布置在壳体17内；

所述的导风板15设置在风流进风口14和冷却盘管16之间；

所述矿用局部通风机1通过风筒2与风流进风口14连接，所述的风流出风口18通过风筒2与采掘工作面连通；

所述的热交换器19设有液态CO₂输入口、气态CO₂排放口和冷凝水排放口，所述冷凝水排放口设置在热交换器19底部；

所述的液态CO₂储罐3设有出口，所述的压力泵7两侧通过液态CO₂输送管11分别与液态CO₂储存罐3和液态CO₂输入口连接，所述的气态CO₂排放口连接气态CO₂排放管23；

所述的液态CO₂输送管11上，沿液态CO₂流动方向，依次设有第一压力表4，第一阀门5，液态CO₂流量计6，压力泵7，第二压力表9，第一温度表10，第三压力表12和第二温度表13，所述的第三压力表12和第二温度表13，设置在靠近CO₂输入口的位置；

所述压力泵上连接有调频装置；

所述的液态CO₂储罐3用于储存液态CO₂；

所述的液态CO₂用于作为整个降温装置的降温介质；

所述的冷凝水排放口用于排放热交换器内风流析出的冷凝水；

所述的第一压力表4，用于监测液态CO₂储罐内压力值；

所述的第一阀门5，用于控制液态CO₂储罐中液态CO₂的出口流量；

所述的液态CO₂流量计6，用于监测液态CO₂的出口流量；

所述的压力泵7，用于对液态CO₂输送管内液态CO₂进行加压；

所述的调频装置8，用于调整压力泵7的运行频率；

所述的第二压力表9，用于监测压力泵加压后液态CO₂输送管内的液态CO₂的压力值；

所述的第一温度表10，用于监测压力泵加压后液态CO₂输送管内的液态CO₂的温度值；

所述的液态CO₂输送管11用于将液态CO₂储罐3内的液态CO₂输送到热交换器19的冷却盘管16；

所述的液态CO₂输送管11外层设有保温层，用于减少液态CO₂在所述液态CO₂输送管输运过程中冷能损失，提高液态CO₂的利用效率；

所述的液态CO₂输送管11由若干单元输送管串联而成，各单元输送管之间通过法兰盘连接，法兰盘接口处安有垫圈，若干距离的输送管路之间串联软管实现软连接，用于抵偿液态CO₂输送管路因温度改变导致的尺寸变化；

所述的液态CO₂输送管11和软管耐压强度在5MP以上，耐温下限不高于-57℃；

所述的第三压力表12，用于监测液态CO₂在进入冷却盘管之前的压力；

所述的第二温度表13，用于监测液态CO₂在进入冷却盘管之前的温度；

所述的导风板15，用于克服风流在热交换器内的不均匀分配，增加换热效率，减少通风阻力；

所述的冷却盘管16为竖直星型翅片管，所述的竖直星型翅片管按照蛇形盘管的方式布置；

所述的热交换器19用于使液态CO₂与风流进行热量交换，液态CO₂遇热汽化产生的冷量用于冷却由风筒输送到热交换器内的风流，形成冷却风流，达到降低风流温度的目的；热交换器19尺寸根据具体巷道断面尺寸进行设计；

所述的第四压力表20，用于监测换热器出口CO₂的压力值；

所述的第三温度表21，用于监测换热器出口CO₂的温度值；

所述的泄压阀22，用于控制冷却盘管内压力及气态CO₂的排放；

所述的气态CO₂排放管23用于将液态CO₂经过热交换器后转换为的气态CO₂排放至采空区；

所述的气态CO₂排放管23由若干单元排放管串联而成，各单元排放管之间通过快速接头连接；

所述的高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置布置在巷道内；矿用局部通风机1安设在进风巷道；热交换器19安设在靠近采掘工作面的位置，使形成的冷却风流能够迅速送至采掘工作面；风筒2和热交换器19均通过挂钩吊挂在巷道顶板，液态CO₂输送管11和气态CO₂排放管23均铺设在巷道壁。

本实施例中的巷道为某矿掘进工作面，掘进外口距离掘进面1350m，液态CO₂储罐3布置在距离掘进外口约120m处，标高-499.30m，热交换器距离掘进面约200m处，标高-399.10m。液态CO₂的输运距离为1030m，前后高差100.2m。

采用所述的高温矿井采掘工作面液态CO₂降温装置进行降温的方法，包括以下步骤：

步骤1，加压

(1)启动矿用局部通风机1，采用压入式通风方法提供风流，风流通过风筒2，流向换热器19；

(2)关闭第一阀门5，设定泄压阀22的安全压力为1.0MPa，开启压力泵7，对液态CO₂输送管11和冷却盘管16加压，直至第四压力表20压力达到1MPa；

步骤2，压力与温度控制

(1)打开第一阀门5，液态CO₂具有高压力通过液态CO₂输送管11主动流动到压力泵7，经过压力泵7的加压作用输送到冷却盘管16；

(2)通过第三压力表12和第二温度表13监测液态CO₂输入口前液态CO₂输送管内的液态CO₂的压力值和温度值，确保该处压力和温度条件下CO₂为液态；同时，通过第一压力表4监测液态CO₂储罐3内的液态CO₂的压力值，当液态CO₂储罐3内的压力值低于其最低工作压力时，更换液态CO₂储罐3；

(3)根据采掘工作面的降温需要，通过从小到大的原则调整压力泵7的运行频率和泄压阀22的安全压力来控制液态CO₂的流量；

步骤3，热交换降温

(1)流经冷却盘管16的液态CO₂，与流经热交换器19的风流发生相变换热，由液态CO₂转变为气态CO₂，并经气态CO₂排放管23排放至采空区；

(2)流经热交换器的风流吸收液态CO₂汽化产生的冷量形成冷却风流，同时析出冷凝水，冷却风流在通风压力作用下通过风筒2自动输送到采掘工作面，实现采掘工作面降温，冷凝水由冷凝水排放口排出；

步骤4，停止降温

当停止降温时，先关闭第一阀门5，压力泵7继续工作，直至将液态CO₂输送管中的液态CO₂排空。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。