一种兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统

1.本发明涉及矿井安全设备领域，特别涉及一种兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统。


背景技术：

2.随着社会的进步与经济的发展，人们对工作环境的舒适度提出了较高要求，同时很多生产工艺流程对温度和湿度也有相应要求。我国有上百个金属矿井存在深部高温环境问题，尤其是在500～1000m采深的矿井中，高温矿井占比高达63％。此外，深层矿井中的高温空气不仅氧气浓度低(低于20％)，还含有少量有害气体(一氧化碳、二氧化硫等)。在高温低氧环境中作业，正常的水盐代谢被破坏，从而可能引起中暑、昏厥、呕吐等症状，严重时还会导致死亡，可见热害和较差的空气质量严重影响井下人员的工作效率乃至身体健康，已成为制约生产的主要因素。
3.现今，矿井降温主流技术主要分为非人工制冷降温和人工制冷降温。非人工制冷即通风冷却，人工制冷降温技术主要采用蒸气压缩制冷。然而对于高温矿井，通风冷却虽然能够增加矿井内氧气，降低有害气体浓度，但当矿井围岩温度达到一定程度时，单一增加风量已经起不到降温作用，也就不能有效的解决高温热害的影响，其次置换通风量过大也会增大泵送能耗。蒸气压缩制冷虽然能够有效降低矿井温度消除热害，但是在其整个运行过程中以矿井内空气循环为主，降低有害气体浓度能力有限，对空气湿度几乎无作用且无法提高含氧量，依旧需要引入新风增加额外的能耗。另外，以氨为制冷剂的蒸气压缩式制冷方式也有氨泄漏爆炸的安全隐患。
4.在当前国家提出“碳达峰、碳中和”战略的背景下，高温热害及与之相关的通风、降温能耗成为制约矿井作业绿色低碳发展的又一个主要问题。因此，急需研发一种应兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统，既能够处理矿井中的高温空气以提升其氧气浓度且去除部分有害气体，同时又可有效消除热害以改善工作环境；最好该系统还能够回收矿井内高温空气蕴含的废热作为驱动系统的能量，尽可能减少高品位的电能或机械能的消耗以实现系统节能降碳运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统，从而克服现有矿井的通风制冷方式无法同时对矿井内高温空气进行有害气体成分分离、提升氧气浓度和消除热害的缺点，并且充分利用矿井高温空气的废热，减少使用高品位的电能或机械能，起到节能减排的效果。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统，包括：抽风机，其进风口与矿井工作区连通；高温气体管，其进口与所述抽风机的出风口连通；废气排气管，其出口通过排风机与矿井外部连通；气体分离升压装置，其包括多个串联设置的气体分离升压单元，每个所述气体分离升压单元包括冷腔、热腔和微通道组，所述
冷腔和所述热腔之间通过所述微通道组连通，所述微通道组包括若干个连接相应的所述冷腔和所述热腔的微通道，每个所述微通道的特征尺寸不大于氧气分子平均自由程，所述冷腔内设有冷腔换热器，所述热腔内设有热腔换热器；第一个所述气体分离升压单元的冷腔的冷腔进口与所述高温气体管的出口连通，后一个所述气体分离升压单元的冷腔的冷腔进口与前一个所述气体分离升压单元的热腔的热腔出口连通，最后一个所述气体分离升压单元的热腔的热腔出口与出气管的进口连通；其中，每个所述热腔换热器与所述高温气体管连通，每个所述冷腔上设有排气口，且每个所述冷腔的排气口与所述废气排气管连通；第一干冷器，其干冷通道的进口与所述出气管的出口连通；膨胀机，其进口与所述第一干冷器的干冷通道的出口连通；流量调节阀，其进口与所述膨胀机的出口连通；低温气体管，其进口与所述流量调节阀的第一出口连通，每个所述冷腔换热器与所述低温气体管连通，所述低温气体管的出口与所述第一干冷器的冷流通道的进口连通；空气混合器，其第一进口分别与所述第一干冷器的冷流通道的出口和所述流量调节阀的第二出口连通，所述空气混合器的第二进口通过新风进风管与井外新风连通；以及送风机，其进风口与所述空气混合器的出口连通，所述送风机的出风口与矿井工作区连通。
7.优选地，上述技术方案中，所述微通道组为具有选择透过性的多孔膜。
8.优选地，上述技术方案中，所述高温气体管包括高温气体进管和高温气体汇集管，所述高温气体进管的进口与所述抽风机的出风口连通；每个所述热腔换热器的进口通过温控流量调节阀与所述高温气体进管连通，每个所述热腔换热器的出口与所述高温气体汇集管连通；所述高温气体进管的出口和所述高温气体汇集管的出口均与第一个所述气体分离升压单元的冷腔的冷腔进口连通。
9.优选地，上述技术方案中，所有的所述热腔换热器与所述高温气体进管和所述高温气体汇集管之间采用同程式连接。
10.优选地，上述技术方案中，所述低温气体管包括低温气体进管和低温气体汇集管，所述低温气体进管的进口与所述流量调节阀的第一出口连通；每个所述冷腔换热器的进口通过温控流量调节阀与所述低温气体进管连通，每个所述冷腔换热器的出口与所述低温气体汇集管连通；所述低温气体进管的出口和所述低温气体汇集管的出口均与所述第一干冷器的冷流通道的进口连通。
11.优选地，上述技术方案中，所有的所述冷腔换热器与所述低温气体进管和所述低温气体汇集管之间采用同程式连接。
12.优选地，上述技术方案中，还包括第二干冷器，所述第二干冷器的冷流通道的进口与所述流量调节阀的第一出口连通，所述第二干冷器的冷流通道的出口与所述低温气体管的进口连通；所述第二干冷器的干冷通道的进口与所述第一干冷器的干冷通道的出口连通，所述第二干冷器的干冷通道的出口与所述膨胀机的进口连通。
13.优选地，上述技术方案中，所述新风进风管上设有风量调节阀。
14.优选地，上述技术方案中，还包括空气过滤器，所述空气过滤器的进口与所述空气混合器的出口连通，所述空气过滤器的出口与所述送风机的进风口连通。
15.优选地，上述技术方案中，所述抽风机与矿井工作区连通的进风口设有过滤网。
16.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
17.1.本发明的降温系统采用矿井内的废热作为驱动源，直接使用矿井的高温空气加
热热腔，将废热资源回收利用，相比于传统废热利用，该降温系统无需其他载热介质，减少了多步骤的换热损失；同时，降温系统使用部分经过膨胀机制取的低温空气冷却除湿、冷却冷腔，充分利用了系统自身产生的冷源，提高能量使用率；该降温系统无需增设额外冷热源，也不用水系统作为冷热介质，使整个系统更加简明紧凑，从而使其适用于矿井这类空间有限的使用场景；
18.2.本发明的气体分离升压装置将矿井内的空气进行富氧处理、降温之后送入工作区的同时，还将矿井内的部分有害气体通过废气排气管排至井外；这与传统通风冷却相比，不仅能起到除湿除热害作用，还能减少了矿井新风的引入量，降低了输送能耗，起到了二次节能的作用；
19.3.本发明的降温系统利用矿井空气作为热腔的加热介质、冷腔的冷却介质、压缩气体制冷的制冷剂，一气多用，避免使用传统制冷剂的泄漏安全隐患，环保廉价；
20.4.本发明的降温系统是一种可利用低品位热能工作的系统，不受废热品质制约；利用废热驱动压缩富氧空气相较于机械能(或电能)电驱动更加绿色节能；分离有害气体时区别于膜分离，该方法是依托热流逸效应推动氧气通过微孔膜的同时截留了有害气体；将矿井的热害变废为宝。
附图说明
21.图1是根据本发明的兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统的结构示意图。
22.图2是根据本发明的气体分离升压单元的结构示意图。
23.主要附图标记说明：
24.1-气体分离升压单元，2-冷腔，2-1-冷腔的冷腔进口，2-2-排气口，3-热腔，3-1-热腔的热腔出口，4-冷腔换热器，5-热腔换热器，6-微通道组，7-高温气体进管，8-高温气体汇集管，9-低温气体汇集管，10-低温气体进管，11-第一干冷器，12-第二干冷器，13-膨胀机，14-流量调节阀，15-空气混合器，16-风量调节阀，17-新风进风管，18-废气排气管，19-温控流量调节阀，20-抽风机，21-送风机，22-空气过滤器，23-排风机，24-矿井工作区。
具体实施方式
25.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
26.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
27.图1和图2显示了根据本发明优选实施方式的一种兼具净化空气和富氧功能的矿井用降温系统的结构示意图，该降温系统包括抽风机20、高温气体管、废气排气管18、气体分离升压装置、第一干冷器11、膨胀机13、流量调节阀14、低温气体管、空气混合器15以及送风机21。
28.参考图1和图2，抽风机20的进风口与矿井工作区24连通，高温气体管的进口与抽风机20的出风口连通，以将矿井工作区24内的高温空气输送到高温气体管内，从而输送到降温系统中。废气排气管18的出口通过排风机23与矿井外部连通，以将降温系统内分离的
有害气体向外排出。气体分离升压装置包括多个串联设置的气体分离升压单元1，从矿井内回收的高温空气流经气体分离升压单元1后被升压，且其中的有害气体组分被分离排出。每个气体分离升压单元1包括冷腔2、热腔3和微通道组6，冷腔2和热腔3之间通过微通道组6连通，微通道组6包括若干个连接相应的冷腔2和热腔3的微通道，每个微通道的特征尺寸不大于氧气分子平均自由程。冷腔2内设有冷腔换热器4，用于冷却冷腔2；热腔3内设有热腔换热器5，用于加热热腔3。当气体分子平均自由程与微通道的特征尺寸相当或更大，且存在沿壁面切线方向的温度梯度时，壁面附近的气体分子会自发地由冷端向热端蠕动，这一现象称为热流逸效应。因此在热流逸效应下冷腔2里的空气分子会通过微通道组自动地向热腔3流动并在此聚集，从而使热腔3的压力逐渐增加，冷腔2的压力逐渐减小，冷、热腔之间产生压力差，即在微通道内形成压力梯度，达到升压效果。空气是一种多组分混合气体，当其流过同一特征尺寸的微通道时，各组分因自身分子特性不同而导致发生热流逸效应的程度不同，从而产生流动差异。空气中分子平均自由程与微通道特征尺寸相当或更大的组分大部分由冷腔2流向热腔3，而分子平均自由程比微通道特征尺寸小得多的组分则大部分留在冷腔2。其中，微通道组可为普通纤维膜或具有选择透过性的多孔膜等结构。优选地，微通道组为具有选择透过性的多孔膜，有害气体种类中分子平均自由程比微通道特征尺寸大或相当的气体组分可用特定的选择透过性膜将其截留在冷腔2；有害气体种类中分子平均自由程比微通道特征尺寸小得多的气体组分则在热流逸效应作用下留在冷腔2，进一步提高有害气体组分的分离和排放效果。最终的效果便是空气中的氧气和氮气等组分从冷腔2向热腔3移动并富集升压(由于分子特性，其中氧气分子的运动速度更快从而使氧气的浓度增大得比氮气的快)，有害气体被隔离并聚集在冷腔2中并向外排放。
29.参考图1和图2，在多个串联设置的气体分离升压单元1内，第一个气体分离升压单元1的冷腔2的冷腔进口2-1与高温气体管的出口连通，后一个气体分离升压单元1的冷腔2的冷腔进口2-1与前一个气体分离升压单元1的热腔3的热腔出口3-1连通，最后一个气体分离升压单元1的热腔3的热腔出口3-1与出气管的进口连通，以将所有的气体分离升压单元1串联起来，提高所处理空气中氧气的浓度并更好地分离有害气体、同时提升气体的压力。其中，每个热腔换热器5与高温气体管连通，直接使用矿井工作区24的高温空气加热热腔3；每个冷腔2上设有排气口2-2，且每个冷腔2的排气口2-2与废气排气管18连通，将每级冷腔2内分离出来的有害气体通过废气排气管18排放到矿井外部。第一干冷器11的干冷通道的进口与出气管的出口连通，膨胀机13的进口与第一干冷器11的干冷通道的出口连通。矿井工作区24内的高温空气通过气体分离升压装置进行升压、富集氧气和分离其中的有害气体，成为品质较高的高温富氧空气，经过第一干冷器11进行冷却除湿后，送入膨胀机13内绝热膨胀降温，变为低温富氧空气。流量调节阀14的进口与膨胀机13的出口连通，低温气体管的进口与流量调节阀14的第一出口连通，每个冷腔换热器4与低温气体管连通，低温气体管的出口与第一干冷器11的冷流通道的进口连通。空气混合器15的第一进口分别与第一干冷器11的冷流通道的出口和流量调节阀14的第二出口连通，空气混合器15的第二进口通过新风进风管17与井外新风连通。送风机21的进风口与空气混合器15的出口连通，送风机21的出风口与矿井工作区24连通。从膨胀机13出来的低温富氧空气通过流量调节阀14后分为两部分，一部分输送到低温气体管内，用于冷却各个冷腔2，并流入第一干冷器11的冷流通道中，用作冷腔2和第一干冷器11的冷却介质，充分利用降温系统自产的冷源，最后再流入空气混
合器15内；另一部分通过流量调节阀14直接流入空气混合器15内，以使两部分低温富氧空气与井外新风进行混合。混合后的空气经过送风机21送入矿井工作区内除热除湿并提升氧气浓度，改善矿井工作环境。
30.参考图1，高温气体管可为将每个气体分离升压单元1的热腔换热器5依次串联起来的单管结构，也可为高温气体进管7和高温气体汇集管8等结构。优选地，高温气体管包括高温气体进管7和高温气体汇集管8，高温气体进管7的进口与抽风机20的出风口连通；每个热腔换热器5的进口通过温控流量调节阀19与高温气体进管7连通，通过温控流量调节阀19调节进入热腔换热器5的高温空气的流量，能够根据需求控制热腔3的温度。每个热腔换热器5的出口与高温气体汇集管8连通；高温气体进管7的出口和高温气体汇集管8的出口均与第一个气体分离升压单元1的冷腔2的冷腔进口2-1连通。矿井内的高温空气由抽风机20抽取输送，进入高温气体进管7后再送入每一级气体分离升压单元1的热腔换热器5，加热热腔3，之后流入高温气体汇集管8，然后高温气体汇集管8的空气和高温气体进管7内的剩余空气一起进入第一个气体分离升压单元1的冷腔2中，进行多级升压、氧气富集和有害气体分离。进一步优选地，所有的热腔换热器5与高温气体进管7和高温气体汇集管8之间采用同程式连接，以保证进入最后一个气体分离升压单元1的高温空气仍处于指定的高温状态，防止温度失调。
31.参考图1，低温气体管可为将每个气体分离升压单元1的冷腔换热器4依次串联起来的单管结构，也可为低温气体进管10和低温气体汇集管9等结构。优选地，低温气体管包括低温气体进管10和低温气体汇集管9，低温气体进管10的进口与流量调节阀14的第一出口连通。每个冷腔换热器4的进口通过温控流量调节阀19与低温气体进管10连通，通过温控流量调节阀19调节进入冷腔换热器4的低温空气的流量，能够根据需求控制冷腔2的温度。每个冷腔换热器4的出口与低温气体汇集管9连通；低温气体进管10的出口和低温气体汇集管9的出口均与第一干冷器11的冷流通道的进口连通。从膨胀机13出来的一部分低温空气经过冷腔换热器4，冷却冷腔2后统一流入低温气体汇集管9，再一起流入第一干冷器11的冷流通道中，作为冷却介质使用，充分利用系统自身产生的冷源，最后再汇入空气混合器15中。进一步优选地，所有的冷腔换热器4与低温气体进管10和低温气体汇集管9之间采用同程式连接，以保证进入最后一个气体分离升压单元1的低温空气仍处于指定的低温状态，防止温度失调。
32.参考图1，优选地，该降温系统还包括第二干冷器12，第二干冷器12的冷流通道的进口与流量调节阀14的第一出口连通，第二干冷器12的冷流通道的出口与低温气体进管10的进口连通；第二干冷器12的干冷通道的进口与第一干冷器11的干冷通道的出口连通，第二干冷器12的干冷通道的出口与膨胀机13的进口连通。矿井内的高温空气经过气体分离升压装置进行升压、富集氧气和分离有害气体后，依次通过第一干冷器11和第二干冷器12，进一步降温除湿，同时析出部分水分，将空气的含湿量尽可能降低，防止空气中的水分在低温时析出，从而影响膨胀机13的性能。
33.参考图1，优选地，新风进风管17上设有风量调节阀16，能够根据矿井工作区所需的氧气浓度及空气总量情况调节风量调节阀16来补充新风。
34.参考图1，优选地，该降温系统还包括空气过滤器22，空气过滤器22的进口与空气混合器15的出口连通，空气过滤器22的出口与送风机21的进风口连通，用于对空气混合器
15混合后的气体进行过滤，提高空气质量。
35.参考图1，优选地，抽风机20与矿井工作区24连通的进风口设有过滤网，用于过滤粉尘杂质，防止堵塞微通道。
36.参考图1和图2，使用时，气体分离升压单元可沿矿井内墙壁串联，安装方便。矿井内的高温空气由抽风机20汇集输送至每个气体分离升压单元1中。输送的高温空气由高温气体进管7，经每个气体分离升压单元1的温控流量调节阀19调节，根据需求调节进入每个气体分离升压单元1的热腔换热器5的流量，加热热腔3。经过每级热腔换热器5后，高温空气进入高温气体汇集管8。高温气体汇集管8和高温气体进管7均与第一个气体分离升压单元1的冷腔的冷腔进口2-1连通，以将高温气体汇集管8汇集的高温空气和高温气体进管7内剩余的高温空气依次输送到每个气体分离升压单元1中进行多级升压、氧气富集和有害气体分离。空气进入气体分离升压装置后，由于冷腔2与热腔3之间存在温度差，在微通道组6中产生了热流逸效应。设定隔层的微通道组6的微通道的特征尺寸与氧气的平均分子自由程相当或更小，那么空气中的氧气和氮气等组分会从冷腔2进入热腔3(由于分子特性，其中氧气分子的运动速度更快从而使氧气浓度增大)，进而富集导致压力升高，再流入下一个冷腔2中，有害气体由连接冷腔2排气口2-2的废气排气管18排走，最终由排风机23排放到井外。高温空气经过气体分离升压装置进行多级升压、分离有害气体并富集氧气后，依次进入第一干冷器11和第二干冷器12，等压冷却除湿。在干冷器内，降低空气温度，同时析出部分水分，降低空气的湿度，以防止空气进入膨胀机13凝结出水而影响性能。经过除湿降温后的高温高压空气再进入膨胀机13，在膨胀机13内绝热膨胀降温成为低温空气。随后低温空气分成两部分，由流量调节阀14根据需求调节，一部分经过第二干冷器12作为冷却介质；随后这部分低温空气由低温气体进管10进入每个气体分离升压单元1的冷腔换热器4，加大冷腔2和热腔3之间的温差，强化热流逸效应；接着这部分低温空气经过冷腔换热器4后流入低温气体汇集管9，再流入第一干冷器11，作为冷却介质。最后，这部分低温空气经过第一干冷器11后与之前膨胀机13出来的另一部分低温空气一起进入空气混合器15。空气混合器15还连有补充新风的新风进风管17，能够根据矿井工作区氧气浓度以及空气总量情况需求调节风量调节阀16来补充新风，将新风与低温空气混合。混合后的空气经过空气过滤器22提高其品质，最后由送风机21送入矿井工作区24内，改善空气的质量，同时消除热害以改善工作环境。
37.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。