НОВАЯ СИСТЕМА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ С ПОЛУЧЕНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ПОДЗЕМНОГО ПОЖАРА
NEW THERMOELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM TO GENERATE HEAT ENERGY FROM UNDERGROUND FIRE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области использования вторичного тепла в зоне пожара на угольном месторождении и, более конкретно, к новой системе генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии от подземного пожара.
Предпосылки для создания изобретения
Подземный пожар – это общий термин для пожара на угольном месторождении или в угольной шахте, возникающего в угольном пласте вследствие человеческих факторов или случайного возгорания. Такие пожары представляют обычное явление в Китае, США, Австралии, Индии, Индонезии и других странах, приводя к: ① потере большого количества угольных ресурсов (глобально, такие потери составляют приблизительно 1 млрд т/год, тогда как в настоящее время потребление угля во всем мире составляет 8 млрд т/год); ② угрозе безопасности горных работ (серьезное влияние на мокрый способ добычи угля и безопасность горных работ оказывают зоны оседания почвы и зоны выгорания вследствие подземного пожара, что приводит к блокировке ресурсов или даже несчастным случаям); ③ потеря большого количества энергии (энергия, генерируемая при подземных пожарах, составляет приблизительно 1000 ГВт/год, что на 400 ГВт/год больше чем совокупная мировая мощность АЭС); и ④ разрушение окружающей среды (объем годовых выбросов CO2, создаваемых подземными пожарами, составляет 10% от всего объема выбросов в мире. Пожар на угольном месторождении представляет серьезную угрозу здоровью людей, вызывая серию соответствующих заболеваний, таких как респираторные заболевания, рак кожи и сердечные болезни; вредные вещества, такие как ртуть, селен и другие тяжелые металлы, сульфиды и ультрадисперсные частицы PM2.5, которые выбрасываются в воздух и накапливаются в долгосрочном плане, загрязняют воздух, землю и воду).
Воздействие пожара на угольном месторождении на окружающую среду нельзя игнорировать, поскольку оно приводит к серьезному ① загрязнению воздуха, когда огромные количества тепла, токсичных и вредных газов и парниковых газов выбрасываются в атмосферу; ② загрязнению воды, когда кислотно-щелочные соединения, создаваемые горением на угольном месторождении, выходят в форме ручьев и подпочвенных вод из поверхности земли вместе с трещинной водой в долинах, скалах и на склонах или постоянно движутся вместе с грунтовыми водами; ③ разрушению земной растительности, когда температура на поверхности зоны пожара на угольном месторождении резко повышается, разрушая существующую физическую структуру и природу почвы, при этом сульфаты и сера, осаждающиеся в зоне пожара, повышают кислотность почвы, содержание серы увеличивается, и растительность погибает; и ④ потенциальным геологическим опасностям, когда после выгорания мелкозалегающих угольных пластов, линзообразных тел, целиков и т.д. формируется выгоревшая зона, изменяя состояние баланса между кровлей угольного пласта и окружающими породами и приводя к появлению большого числа разломов, провалов и т.д. на поверхности земли, которые создают каналы подачи кислорода для горения угольных пластов и формируют порочный круг "горение-обрушение-горение"; более того, способность земной поверхности удерживать грунт и воду значительно уменьшается, что легко приводит к потокам грязи, оползням и другим геологическим катастрофам.
С одной стороны, хотя Китай добился большого прогресса в области исследований угольных пожаров и получил ряд новых результатов, все еще достаточно простора для совершенствования по сравнению с развитыми странами, такими как Австралия и США в области базовой теории исследований угольных пожаров и борьбы с ними. С другой стороны, вместе с динамическим развитием зоны пожара на угольном месторождении масштаб и объем угольного пожара в некоторых областях еще увеличивается с увеличением зоны и масштаба горения. Однако существующие теории, технологии и оборудование для предотвращения пожаров не могут быть полностью адаптированы к развитию подземного пожара. Резюмируя вышесказанное, существует настоятельная необходимость для государства в усилении непрерывных инвестиций и оборудования для борьбы с угольными пожарами, чтобы эффективно взять их под контроль и эффективно использовать ресурсы тепловой энергии. Известные способы борьбы с угольными пожарами, в которых пожар тушат закачивая жидкий цементный раствор или жидкий азот, чтобы предотвратить распространение огня, но которые не могут блокировать накапливание энергии подземного пожара, по большей части являются полумерами без хорошего результата. Согласно изобретению, система может извлекать тепловую энергию подземного пожара для генерации электричества, что не только блокирует распространение угольного пожара, но и использует накопленную энергию подземного пожара при полной блокировке условий образования пожара. Более того, изобретение имеет явные экономические и экологические преимущества и большую значимость.
Раскрытие изобретения
В свете проблем потери ресурсов при подземном пожаре на угольном месторождении, загрязнения окружающей среды и т.д., цель изобретения заключается в том, чтобы предложить новую систему генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии подземного пожара, чтобы реализовать повторное использование ресурсов тепловой энергии подземного пожара на угольном месторождении и решить проблему загрязнения окружающей среды в зоне пожара.
Для решения вышеуказанных технических задач изобретение предлагает следующие технические решения: предложена новая система генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии подземного пожара, включающая зону пожара на угольном месторождении и буровые скважины на зоне пожара на угольном месторождении; подземные теплопроводные трубопроводы с закрытыми нижними частями, расположенные в упомянутых буровых скважинах, причем один конец каждого из подземных теплопроводных трубопроводов расположен под землей для абсорбции тепла и другой конец снабжен сообщенным с ним теплопроводным контейнером; теплопроводный контейнер снабжен расположенным на нем устройством сброса давления и включает чипсеты для генерации термоэлектрической энергии и аккумулятор для хранения электричества; чипсеты для генерации термоэлектрической энергии, включающие радиаторные трубки холодной стороны на своих наружных сторонах, расположены на наружной стенке теплопроводного контейнера между теплопроводным контейнером и радиаторными трубками холодной стороны, на радиаторных трубках холодной стороны расположены соединенные с ними радиатор и насос.
По сравнению с известным уровнем техники изобретение имеет следующие преимущества: чипсеты для генерации термоэлектрической энергии в изобретении прикреплены непосредственно к теплопроводному контейнеру, так что система проста по конструкции, не включает дублирующих компонентов и имеет высокий КПД теплопроводности. Чипсеты для генерации термоэлектрической энергии, имеющие радиаторные трубки холодной стороны на своих наружных слоях, установлены на поверхности, чтобы увеличить площадь контакта между нагревательными средами, хладагентами и чипсетами для генерации термоэлектрической энергии и эффективно использовать тепловую энергию подземного пожара. Система генерации термоэлектрической энергии проста в эксплуатации и может быть хорошо адаптирована к условиям технической эксплуатации в зоне пожара на угольном месторождении.
Подземные теплопроводные трубопроводы установлены в 5 буровых скважинах, заходящих глубоко в зону угольного пожара, так что чем больше тепловой энергии угольного пожара можно извлечь, тем выше будет КПД извлечения тепловой энергии угольного пожара и тем больше увеличится мощность генерации. Для хранения нагревательных сред используется высокоэффективный теплопроводный контейнер, и чипсеты для генерации термоэлектрической энергии с радиаторными трубками холодной стороны на их наружных слоях установлены на поверхности, так что площадь контакта между нагревательными средами, хладагентами и чипсетами для генерации термоэлектрической энергии увеличена, и тепловая энергия подземного пожара может быть эффективно использована. Система генерации термоэлектрической энергии проста в эксплуатации и может быть хорошо адаптирована к условиям технической эксплуатации в зоне пожара на угольном месторождении. Применен многоконтурный радиатор охлаждающей воды с изогнутыми охлаждающими ребрами, так что площадь охлаждения холодной водой может быть увеличена для ускорения рассеяния тепла и повышения эффективности генерации энергии.
В одном варианте осуществления применяются по меньшей мере два подземных теплопроводных трубопровода, соединенных с теплопроводным контейнером. Применены 5 скважин, пробуренных в угольном месторождении и 5 подземных теплопроводных трубопроводов, которые включают один главный теплопроводный трубопровод, расположенный в середине, и четыре вспомогательных теплопроводных трубопровода, равномерно распределенных вокруг него. Подземные теплопроводные трубопроводы могут быть установлены в пяти скважинах, пробуренных в угольном месторождении и глубоко заходящих в зону угольного пожара, так что чем больше тепловой энергии угольного пожара можно извлечь, тем выше будет КПД извлечения тепловой энергии угольного пожара и тем больше увеличится мощность генерации.
В одном варианте осуществления главный теплопроводный трубопровод является длинным трубопроводом и может быть использован для подачи жидкого цементного раствора, гашения и изоляции подземного пожара после утилизации тепловой энергии, и вспомогательные теплопроводные трубопроводы 3.2 являются короткими трубопроводами, которые используют только для изоляции  подземного пожара после утилизации тепловой энергии. Эти 5 теплопроводных трубопроводов увеличивают расход нагревательных сред, увеличивают скорость утилизации подземной тепловой энергии и повышают КПД генерации энергии.
В одном варианте осуществления устройством для сброса давления является автоматическим и включает датчик давления для измерения давления в теплопроводном контейнере и автоматический предохранительный клапан, который автоматически сбрасывает давление, если давление в контейнере станет чрезмерным.
В одном варианте осуществления модуль горячей стороны состоит из теплопроводного контейнера, подземных теплопроводных трубопроводов и чипсетов для генерации термоэлектрической энергии, и модуль холодной стороны состоит из радиаторных трубок холодной стороны, чипсетов для генерации термоэлектрической энергии, радиатора и насоса. Площадь контакта между нагревательными средами, хладагентами и чипсетами для генерации термоэлектрической энергии такого модуля для генерации термоэлектрической энергии большая, так что скорость теплопроводности на горячей стороне высокая, холодная сторона достаточно охлаждается, и КПД извлечения тепловой энергии угольного пожара высокий.
В одном варианте осуществления боковая стенка теплопроводного контейнера имеет вогнутую или выпуклую форму, и теплопроводный контейнер в целом имеет крестообразную конструкцию. Такая конструкция увеличивает площадь контакта между чипсетами для генерации термоэлектрической энергии и теплопроводным контейнером, и позволяет получить высокий КПД извлечения тепловой энергии угольного пожара.
В одном варианте осуществления насос способен регулировать расход и может регулировать расход хладагентов в зависимости от температуры теплопроводного контейнера при эксплуатации, чтобы повысить КПД генерации энергии модуля генерации термоэлектрической энергии.
В одном варианте осуществления трубки радиатора охлаждающей воды имеют многоконтурную изогнутую форму, так что площадь охлаждения холодной водой может быть увеличена для ускорения рассеяния тепла и повышения КПД генерации энергии.
В одном варианте осуществления чипсеты для генерации термоэлектрической энергии закрыты на поверхности теплопроводного контейнера и соединены последовательно и параллельно.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – схема конструкции новой системы генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии подземного пожара согласно изобретению.
Фиг. 2 – вид сверху новой системы генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии подземного пожара согласно изобретению.
Фиг. 3 – схема конструкции чипсета для генерации термоэлектрической энергии новой системы генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии подземного пожара согласно изобретению.
На чертежах: 1 – зона пожара на угольном месторождении; 2 – скважина, пробуренная в угольном месторождении; 3 – подземный теплопроводный трубопровод; 3.1 - главный теплопроводный трубопровод; 3.2 – вспомогательный теплопроводный трубопровод; 4 – теплопроводный контейнер; 5 – устройство для сброса давления; 6 – чипсет для генерации термоэлектрической энергии; 7 – аккумулятор; 8 – радиаторная трубка холодной стороны; 9 – радиатор; 10 – насос; 11 – вывод аккумулятора.
Подробное описание некоторых вариантов осуществления
Далее изобретение будет описано подробно со ссылками на чертежи.
Со ссылками на чертежи, предложена новая система генерации термоэлектрической энергии с получением тепловой энергии подземного пожара, включающая зону 1 пожара на угольном месторождении и скважины 2, пробуренные в угольном месторождении в зоне 1 пожара. Подземные теплопроводные трубопроводы 3 с закрытыми нижними частями расположены в скважинах 2, пробуренных в угольном месторождении, причем один конец каждого из подземных теплопроводных трубопроводов 3 расположен под землей для абсорбции тепла, и другой его конец снабжен сообщенным с ним теплопроводным контейнером 4; теплопроводный контейнер 4 снабжен устройством 5 для сброса давления и также включает чипсеты 6 для генерации термоэлектрической энергии и аккумулятор 7, соединенный с чипсетами 6 для генерации термоэлектрической энергии, для хранения электричества; чипсеты 6 для генерации термоэлектрической энергии, имеющие радиаторные трубки 8 холодной стороны на их наружных сторонах, расположены на наружной стенке теплопроводного контейнера 4 между теплопроводным контейнером 4 и радиаторными трубками 8 холодной стороны, и радиатор 9 и насос 10 соединены с радиаторными трубками 8 холодной стороны и расположены на них.
Используются по меньшей мере два подземных теплопроводных трубопровода 3, соединенных с теплопроводным контейнером 4.
Используются 5 скважин, пробуренных в угольном месторождении 2, и 5 подземных теплопроводных трубопровода 3, которые включают один главный теплопроводный трубопровод 3.1, расположенный в середине, и четыре вспомогательных теплопроводных трубопровода 3.2, равномерно распределенных вокруг него.
Главный теплопроводный трубопровод 3.1 является длинным трубопроводом, и вспомогательные теплопроводные трубопроводы 3.2 являются короткими трубопроводами.
Устройством для сброса давления 5 является автоматическое устройство для сброса давления, включающее датчик давления для измерения давления в теплопроводном контейнере 4 и автоматический предохранительный клапан.
Модуль горячей стороны состоит из теплопроводного контейнера 4, подземных теплопроводных трубопроводов 3 и чипсетов 6 для генерации термоэлектрической энергии, и модуль холодной стороны состоит из радиаторных трубок 8 холодной стороны, чипсетов 6 для генерации термоэлектрической энергии 6, радиатора 9 и насоса 10.
Боковая стенка теплопроводного контейнера 4 имеет вогнутую или выпуклую форму, и теплопроводный контейнер 4 в общем имеет крестообразную конструкцию.
Насос 10 является насосом, способным регулировать расход.
Трубки в радиаторе 9 охлаждающей воды имеют многоконтурную изогнутую конструкцию.
Чипсеты 6 для генерации термоэлектрической энергии закрыты на поверхности теплопроводного контейнера 4 и соединены последовательно и параллельно.
В конкретном варианте осуществления подземные теплопроводные трубопроводы установлены в 5 скважинах, пробуренных в угольном месторождении и глубоко заходящих в угольное месторождение, высокоэффективный теплопроводный контейнер, в который нагнетают нагревательные среды, сообщен с верхними частями подземных теплопроводных трубопроводов и расположен на них, так что нагревательные среды абсорбируют тепло подземного пожара посредством подземных теплопроводных трубопроводов, глубоко заходящих под землю и передают это тепло высокоэффективному теплопроводному контейнеру, нагревая этим нагревательные среды в контейнере. Тепло нагревательных сред в высокоэффективном теплопроводном контейнере передается на горячую сторону чипсета для генерации термоэлектрической энергии, и на его холодной стороне тепло рассеивается модулем холодной стороны, состоящим из радиатора охлаждающей воды, водяного насоса, радиаторных трубок холодной стороны и чипсетов для генерации термоэлектрической энергии. Электрическая энергия, генерируемая чипсетами для генерации термоэлектрической энергии, накапливается в аккумуляторе.
Для повторного использования тепла из зоны пожара на угольном месторождении может использоваться некоторое множество таких устройств. Система простая и практичная по конструкции и подходит для условий технической эксплуатации. Она может генерировать электричество, используя тепловую энергию подземного пожара на угольном месторождении, чтобы избежать распространения пожара и потери угольных ресурсов, и имеет очевидные экономические и экологические преимущества и большую значимость.
Описание изобретения и его вариантов осуществления не предназначено для ограничения; вариант осуществления, показанный на чертежах, является только одним из вариантов осуществления изобретения и не ограничивает реальную конструкцию. В общем, типы конструкции и варианты осуществления, подобные описанному техническому решению, которые разработаны средними специалистами в данной области техники на основании вышеизложенного без приложения творческих усилий, должны подпадать под объем охраны изобретения.