阅读说明：本技术 一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备和控制方法 (Power generation equipment for preventing and controlling spontaneous combustion of coal gangue dump and heat recovery and control method ) 是由 范鹏宏 穆满根 张军亮 王慧芳 荆丽波 刘刚 吕李华 姜威 钱浩然 夏祉君 付强 于 2020-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备和控制方法,包括循环液态传热工质供给系统,双套密封管钻封热交换系统,温度监测及智能控制系统和热量回收发电系统；循环液态传热工质供给系统包括储存池与液态供给管路和回收管路；储存池与双套密封管连通；储存池与热量回收发电系统连通；双套密封管与供给管路连通,双套密封管外侧壁通过高温输出管路与热量回收发电系统连通。本申请提出了一种施工简单、安全可靠、经济高效及节能环保的煤矸石山自燃防治及热回收发电设备,具有有效、可控降温、低供电能源成本、节能环保、可循环使用、工程量小、维护费用低等优点,有很强的经济性和实用性。(The invention discloses a power generation device and a control method for preventing spontaneous combustion of a coal gangue dump and heat recovery, wherein the power generation device comprises a circulating liquid heat transfer working medium supply system, a double-sleeve sealing pipe drilling and sealing heat exchange system, a temperature monitoring and intelligent control system and a heat recovery power generation system; the circulating liquid heat transfer working medium supply system comprises a storage pool, a liquid supply pipeline and a recovery pipeline; the storage pool is communicated with the double-sleeve sealing pipe; the storage pool is communicated with a heat recovery power generation system; the double-sleeve sealing pipe is communicated with the supply pipeline, and the outer side wall of the double-sleeve sealing pipe is communicated with the heat recovery power generation system through a high-temperature output pipeline. The application provides a coal gangue hill spontaneous combustion prevention and heat recovery power generation equipment that is simple to be under construction, safe and reliable, economic high efficiency and energy-concerving and environment-protective, has advantages such as effective, controllable cooling, low power supply energy cost, energy-concerving and environment-protective, circulated use, engineering volume is little, the maintenance cost is low, has very strong economic nature and practicality.)

一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备和控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿煤矸石山自燃防灭火治理技术领域，尤其涉及一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备和控制方法。

背景技术

煤矸石是在煤炭开采过程被选出来的一种含碳量低的固体废弃物，其产量约占煤炭总产量的10％-20％。由于煤炭开采深度的不断加大，煤矸石的排放量逐年增加，目前我国已形成煤矸石山2600余座，大量煤矸石的露天堆积，不仅占用土地，而且会在空气的长期氧化作用下产生自燃，释放出包括CO、H2S、SO2等气体在内的大量有毒有害气体，危害人民健康及污染环境。

煤矸石山一旦与氧气长期接触发生自燃，对其灭火治理就非常困难，而且对这种自燃释放的热量得不到有效、绿色利用。传统防灭火方法包括注浆灭火法、覆盖碾压法、挖掘熄灭法、煤矸分离法、深部注入惰性气体法、压注阻化材料、洒水降温等方法，但是由于成本高、工程量大或防治效果不好、不环保而得不到广泛的推广应用，煤矸石山自燃的防治问题需进一步有效解决。

有关研究表明，在煤矸石山自燃以后，煤矸石表面温度可达40-50℃，矸石山内部温度可达300-1000℃，正式因为这种热量的大量积累导致了大量有毒有害气体的释放，因此在煤矸石山自燃的有效防治的基础上，需要进一步解决热量回收问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备和控制方式，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现有效可控降温，降低供电能源成本，整个系统节能环保，可循环使用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备，其特征在于，包括循环液态传热工质供给系统，双套密封管钻封热交换系统和热量回收发电系统；

所述循环液态传热工质供给系统包括储存池与液态供给管路和回收管路；所述储存池通过所述供给管路与所述双套密封管钻封热交换系统连通；所述储存池通过所述回收管路与所述热量回收发电系统连通；

所述双套密封管钻封热交换系统包括双套密封管和高温输出管路；所述双套密封管嵌入煤矸石山内；所述双套密封管设置有至少一个，所述双套密封管顶端与所述供给管路连通，所述双套密封管外侧壁通过所述高温输出管路与所述热量回收发电系统连通。

优选的，多个双套密封管钻封热交换系统以十字网格状交叉布置与煤矸石山的测量节点，每个双套密封管钻封热交换系统中又设置有多个双套密封管，每个密封管均与高温输出管路和供给管路连通，以达到其液态传热工质转移的目的。

优选的，所述供给管路和回收管路均采用包括不锈钢等在内的防腐蚀性(或经过防腐蚀处理)耐高温材料。

所述双套密封管包括内层套管，外层套管和钻头；所述内层套管设置于所述外层套管内，且与所述外层套管密封连接；所述钻头固定设置于所述外层套管底部；所述内层套管的管口与所述供给管路管壁连通。

优选的，所述外层套管于煤矸石山中的位置可将其分为绝热段和吸热段；其划分需根据煤矸石山内部的实际温度，吸热段为煤矸石山的高温区域；

绝热隔层设置于外层套管外壁的绝热段，由于需要将煤矸石山内部高温经液态传热工质吸热，再通过高温输出管路进行输出，为防止其热交换时热量大量流失，需在外层套管外壁的绝热段设置绝热隔层；且同理，于内层套管和高温输出管路的外壁皆全设置有绝热隔层；由于内层套管伸入外层套管内腔；为了防止刚从储存池进入的低温液态传热工质直接于内层套管内加热，故于内层套管外壁和外层套管的绝热段全部设置有绝热隔层；

其绝热隔层的材料可为镀铝薄膜、镀铝聚酯薄膜、镀铝聚酰亚胺薄膜在内的等多种绝热材料的单一或组合。

优选的，内层套管其长度为外层套管长度的0.618倍，外层套管其钻入煤矸石山长度10-15m。

优选的，设置于外层套管外壁的螺旋螺纹，其作用为增强所述双密封套管于煤矸石山内的密封效果。

其底部的钻头所起到的效果为将双套密封管***煤矸石山内时降低其阻力，且所述钻头钻孔处需经过密封处理，防止长时间和外界空气接触；

所述热量回收发电系统包括回收池，温差发电器，散热片，变压器和外部用电；所述回收池外侧密封布置有所述温差发电器；所述温差发电器外侧设置有至少一个所述散热片；所述温差发电器与所述变压器电性连接；所述变压器与所述外部用电电性连接；所述回收管路伸入所述回收池内。

优选的，所述回收池其建造材料为良好的导热耐腐蚀材料；所述温差发电器可以使用包括中温区Pb-Te基热电材料或掺入铊的Pb-Te基热电材料在内等具有高效热电转换的发电材料。

储存池，外层套管和回收池均设置有液态传热工质；所述液态传热工质为地表水、地下水、自来水、城市与工业污水处理后的回用水、海水及其他符合工业用水标准的水源或包括液氨、液氮、液戊烷、导热油在内的等具有良好导热效果的传热工质。

还设置有温度监测及智能控制系统；所述温度监测及智能控制系统包括电脑温度监控平台，可编程控制器PLC，设置于回收池内的搅拌器和回收池温度传感器，设置于回收管路上的回收管路循环泵和回收管路流量控制阀，设置于供给管路上的供给管路循环泵和供给管路流量控制阀，设置于储存池内的储存池温度传感器，设置于外层套管内的双套密封管温度传感器和设置于煤矸石山内部的煤矸石山温度传感器；

所述电脑温度监控平台与变压器电连接；所述电脑温度监控平台与所述可编程控制器PLC电连接；所述回收池温度传感器，储存池温度传感器，双套密封管温度传感器和煤矸石山温度传感器均与所述电脑温度监控平台电连接；所述搅拌器，回收管路循环泵，回收管路流量控制阀，供给管路循环泵和供给管路流量控制阀与所述可编程控制器PLC电连接。

优选的，所述搅拌器设置于所述回收池底部，其作用是通过搅拌器的旋转控制其回收池内的温度，由于通过高温输出管路进入的传热工质为高温气体，通过温差发电器利用其内的温差从而产生电能。

还设置有螺旋螺纹和绝热层；所述内层套管和高温输出管路的外管壁均覆设有所述绝热层；所述外层套管的外管壁上侧也覆设有所述绝热层；所述外层套管外侧设置有螺旋螺纹。

所述外部用电包括蓄电池和国家电网；所述蓄电池和国家电网--分别与所述变压器电性连接。

优选的，一般对煤矸石山热量利用时，只能通过即时发电的方式，但本申请的装置不仅可以通过即时发电的方式进入国家电网用电，还可通过直接储存于蓄电池或电动汽车等储电设备。

由于煤矸石山内部温度于90度进入加热升温期；300度以上为其实质燃烧期；通过设置于各个系统内的温度传感器和煤矸石山内部的温度传感器，来准确获知其各个位置的温度，通过所述搅拌器，回收管路循环泵，回收管路流量控制阀，供给管路循环泵和供给管路流量控制阀控制整个循环系统内传热工质的流动速度，将煤矸石山高温区域内部温度控制在90度以下或更低；这样可以预防煤矸石山高温区温度过高产生自燃，减少有毒有害物质的排放，同时将煤矸石自燃产生的热量有效回收利用。

一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、于煤矸石山表面设置测量节点，测量节点采用十字网格交叉布置，使用红外测温仪测定煤矸石山表面温度，对比环境温度确定异常区域；

步骤二、于异常区域布置钻孔群，钻孔群采用网格状布置，双套密封管通过底部的钻头插设于钻孔群内；于储存池内添加液态传热工质；

步骤三、储存池内的液态传热工质通过供给管道进入内层套管，于外层套管内发生热交换，变成高温气体，通过外层套管侧壁顶端连通的高温输出管路进入回收池；

步骤四、高温气体和液体冷却后变为低温液态传热工质通过回收管路流回储存池完成循环；

步骤五、回收池将高温气体和液体冷却时，利用其冷却温差，通过温差发电器发电，进入变压器变压后对电脑温度监控平台与可编程控制器PLC和外部用电器进行供电；

步骤六、电脑温度监控平台对各个位置进行监控，再反馈到可编程控制器PLC对液态传热工质循环运送的流速进行控制。

优选的，所述步骤一中测量节点的适宜间距为5-10m。

优选的，步骤二中钻孔间距适宜距离为1m，具体长度应根据表面温度测量情况而定。

所述步骤六的控制方法具体为当电脑温度监控平台读取双套密封管温度传感器及煤矸石山温度传感器的温度数据，通过可编程控制器PLC控制供给管路流量控制阀和供给管路循环泵，将液态传热工质的流速进行调节，加速或者减缓外层套管吸热段的热交换状态直至周围煤矸石的温度降低至90度以下或更低；可以通过温度监测及智能控制系统中的电脑温度监控平台读取液态传热工质回收池温度传感器的温度数据，通过可编程控制器PLC控制回收管路流量控制阀、回收管路循环泵和搅拌器，控制液态传热工质的温度和流速通过回收管路送回储存池；可以根据回收池温度传感器的温度数据，加速或减缓搅拌器的运转速度，保证回收循环运送的流速。

本发明公开了以下技术效果：本设备利用双套密封管钻封热交换系统的钻封一体密封效果好及有效、可控的热传导性能优势，将煤矸石山内部因氧化而产生的热量不断回收至发电系统；在双套密封管热交换系统的密集布置下，可以使煤矸石山的高温异常区域温度不断降低，预防自燃的发生，减少有毒有害物质的排放，同时将煤矸石自燃产生的热量有效回收利用；本申请提出了一种施工简单、安全可靠、经济高效及节能环保的对煤矸石山自燃防治及热回收发电设备，具有有效、可控降温、低供电能源成本、节能环保、可循环使用、工程量小、维护费用低等优点，有很强的经济性和实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为煤矸石山自燃及热量回收发电设备示意图。

图2为有效控温防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备结构示意图。

图3为本发明的煤矸石山温度异常区域分布示意图。

图4为本发明密集网格钻封施工布置示意图。

图5为本发明的单个双套密封管钻封热交换系统示意图。

其中，1-循环液态传热工质供给系统，11-储存池，12-供给管路，13-回收管路，2-双套密封管钻封热交换系统，21-内层套管，22-外层套管，23-高温输出管路，24-钻头，25-螺旋螺纹，26-绝热层，27-液态传热工质，3-温度监测及智能控制系统，31-电脑温度监控平台，32-可编程控制器PLC，33-搅拌器，34-供给管路循环泵，35-供给管路流量控制阀，36-回收管路循环泵，37-回收管路流量控制阀，38-回收池温度传感器，39-储存池温度传感器，310-双套密封管温度传感器，311-煤矸石山温度传感器，4-热量回收发电系统，41-回收池，42-温差发电器，43-散热片，44-变压器，45-蓄电池，46-国家电网，5-煤矸石山，6-异常区域和7-钻孔群。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种防治煤矸石山自燃及热量回收发电设备，其特征在于，包括循环液态传热工质供给系统1，双套密封管钻封热交换系统2和热量回收发电系统4；

循环液态传热工质供给系统1包括储存池11与液态供给管路12和回收管路13；储存池11通过供给管路12与双套密封管钻封热交换系统2连通；储存池11通过回收管路13与热量回收发电系统4连通；

双套密封管钻封热交换系统2包括双套密封管和高温输出管路23；双套密封管嵌入煤矸石山5内；双套密封管设置有至少一个，双套密封管顶端与供给管路12连通，双套密封管外侧壁通过高温输出管路23与热量回收发电系统4连通。

双套密封管包括内层套管21，外层套管22和钻头24；内层套管21设置于外层套管22内，且与外层套管22密封连接；钻头24固定设置于外层套管22底部；内层套管21的管口与供给管路12管壁连通。

热量回收发电系统4包括回收池41，温差发电器42，散热片43，变压器44和外部用电；回收池41外侧密封布置有温差发电器42；温差发电器42外侧设置有至少一个散热片43；温差发电器42与变压器44电性连接；变压器44与外部用电电性连接；回收管路13伸入回收池41内。

储存池11，外层套管22和回收池41均设置有液态传热工质27；液态传热工质27为地表水、地下水、自来水、城市与工业污水处理后的回用水、海水及其他符合工业用水标准的水源或包括液氨、液氮、液戊烷、导热油在内的等具有良好导热效果的传热工质。

还设置有温度监测及智能控制系统3；温度监测及智能控制系统3包括电脑温度监控平台31，可编程控制器PLC32，设置于回收池41内的搅拌器33和回收池温度传感器38，设置于回收管路13上的回收管路循环泵34和回收管路流量控制阀35，设置于供给管路12上的供给管路循环泵36和供给管路流量控制阀37，设置于储存池11内的储存池温度传感器39，设置于外层套管22内的双套密封管温度传感器310和设置于煤矸石山5内部的煤矸石山温度传感器311；

电脑温度监控平台31与变压器44电连接；电脑温度监控平台31与可编程控制器PLC32电连接；回收池温度传感器38，储存池温度传感器39，双套密封管温度传感器310和煤矸石山温度传感器311均与电脑温度监控平台31电连接；搅拌器33，回收管路循环泵34，回收管路流量控制阀35，供给管路循环泵36和供给管路流量控制阀37与可编程控制器PLC32电连接。

还设置有螺旋螺纹25和绝热层26；内层套管21和高温输出管路23的外管壁均覆设有绝热层26；外层套管的22外管壁上侧也覆设有绝热层26；外层套管22外侧设置有螺旋螺纹25。

外部用电包括蓄电池45和国家电网46；蓄电池45和国家电网46分别与变压器44电性连接。

本发明的具体步骤如下：

步骤一、于煤矸石山5表面设置测量节点，测量节点采用十字网格交叉布置，使用红外测温仪测定煤矸石山5表面温度，对比环境温度确定异常区域6；

步骤二、于异常区域6布置钻孔群7，钻孔群7采用网格状布置，双套密封管通过底部的钻头24插设于钻孔群7内；于储存池11内添加液态传热工质27；

步骤三、储存池11内的液态传热工质27通过供给管道12进入内层套管21，于外层套管22内发生热交换，变成高温气体和液体，通过外层套管22侧壁顶端连通的高温输出管路23进入回收池41；

步骤四、高温气体和液体冷却后变为低温液态传热工质27通过回收管路13流回储存池11完成循环；

步骤五、回收池41将高温气体和液体冷却时，利用其冷却温差，通过温差发电器42发电，进入变压器44变压后对电脑温度监控平台31与可编程控制器PLC32和外部用电器进行供电；

步骤六、电脑温度监控平台31对各个位置进行监控，再反馈到可编程控制器PLC32对液态传热工质循环运送的流速进行控制。

步骤六的控制方法具体为当电脑温度监控平台31读取双密封罐温度传感器310及煤矸石山温度传感器311的温度数据，通过可编程控制器PLC32控制供给管路流量控制阀35和供给管路循环泵34，将液态传热工质27的流速进行调节，加速或者减缓外层套管22吸热段的热交换状态直至周围煤矸石的温度降低至90度以下；可以通过温度监测及智能控制系统3中的电脑温度监控平台31读取液态传热工质回收池温度传感器38的温度数据，通过可编程控制器PLC32控制回收管路流量控制阀37、回收管路循环泵36和搅拌器33，控制液态传热工质27的温度和流速通过回收管路送回储存池11；可以根据回收池温度传感器38的温度数据，加速或减缓搅拌器33的运转速度，保证回收循环运送的流速。

在本发明的一个实施例中，步骤一中测量节点的适宜间距为5m；内层套管21其长度为外层套管22长度的0.618倍，外层套管其钻入煤矸石山长度15m。

本发明公开了以下技术效果：本设备利用双套密封管钻封热交换系统的钻封一体密封效果好及有效、可控的热传导性能优势，将煤矸石山内部因氧化而产生的热量不断回收至发电系统；在双套密封管热交换系统的密集布置下，可以使煤矸石山的高温异常区域温度不断降低，预防自燃的发生，减少有毒有害物质的排放，同时将煤矸石自燃产生的热量有效回收利用；本申请提出了一种施工简单、安全可靠、经济高效及节能环保的对煤矸石山自燃防治及热回收发电设备，具有有效、可控降温、低供电能源成本、节能环保、可循环使用、工程量小、维护费用低等优点，有很强的经济性和实用性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。