基于跨临界CO2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统

本发明涉及制冷和废水资源化，尤其涉及一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统。

背景技术：

1、煤炭是世界三大能源之一，随着煤炭行业矿井开采深度的增加，井下热害也变的越来越严重，传统的机械降温技术如制冷水降温技术、制冰降温技术、吸收式及蒸汽压缩式联合循环矿井空调系统均因制冷系统效率低、热环境湿度控制难、对井下除湿缺乏有效研究、除湿环节冷耗大等问题而使得制冷效果差强人意。井下工人仍是在温度32-35℃，甚至38-40℃，相对湿度接近100％的采煤掘进面工作，不仅严重侵害矿工身体健康，同时还影响矿井高效安全生产。

2、除此之外，煤矿开采过程中产生的矿井水必须排出地面，否则，矿井水害是仅次于瓦斯事故的第二大灾害。据2023年统计，每生产一吨原煤，平均产生矿井水约3吨，我国矿井水年产生量达60多亿立方米，含有nacl、na2so4、cacl2、mgso4、mgcl2等盐类，这些盐类溶解度较大，直接回用会引起设备的结垢、腐蚀和软泥沉积等，必须进行脱盐处理。

3、目前，治理热害普遍采用的是氟利昂冷冻水井下降温，系统动力设备较多，输送管路冷量损失较大，导致部分较远工作面的降温效果不理想，且冷凝热无法回收利用，尤其是，氟利昂制冷剂对臭氧层的破坏和温室效应较大。并且，受矿井条件、处理成本、技术成熟度等制约，导致很多煤矿的矿井水通过处理仅部分回用于工业、生活、农业与生态等，其余达标后仍大量排放，且缺少资源化利用意识，未将矿井水“零排放”后的资源作为矿区效益。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，用以解决现有技术中煤矿的制冷系统制冷效果不理想，以及矿井水资源化处理成本较高的问题。

2、本发明提供一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，包括：膜浓缩子系统，用于对矿井水进行预处理、分盐和浓缩，得到盐浓缩液；

3、分盐结晶子系统，利用制冷子系统提供的热量，对所述膜浓缩子系统得到的盐浓缩液进行蒸发并结晶，以得到结晶盐；

4、制冷子系统，用于对矿井进行制冷，并为所述分盐结晶子系统提供热量，所述制冷子系统包括压缩机、节流装置和空冷器；

5、所述压缩机用于将co2压缩成超临界co2，超临界co2进入所述分盐结晶子系统放热降温；

6、所述节流装置用于将从所述分盐结晶子系统降温后返回的co2减压成低温低压co2；

7、所述空冷器用于将低温低压的co2与工作面进行热交换，以对工作面进行制冷降温。

8、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述制冷子系统还包括闭式冷却塔；

9、所述闭式冷却塔分别与所述分盐结晶子系统和所述节流装置连接，所述压缩机在第一导通状态和第二导通状态之间切换；在所压缩机处于所述第一导通状态时，所述闭式冷却塔与所述压缩机连通，在所述压缩机处于所述第二导通状态时，所述分盐结晶子系统与所述压缩机连通。

10、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述制冷子系统还包括：第一控制阀和第二控制阀；

11、所述第一控制阀设于所述压缩机和所述分盐结晶子系统之间的管道上；所述第二控制阀设于所述压缩机和所述闭式冷却塔之间的管道上；

12、所述第一控制阀和所述第二控制阀联动控制，在所述第一控制阀和所述第二控制阀的一者处于打开状态，另一者处于关闭状态。

13、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述制冷子系统还包括耦合装置；

14、所述耦合装置的一端与所述空冷器连接，所述耦合装置的另一端分别与所述节流装置和所述压缩机连接；

15、所述耦合装置用于将所述节流装置流出的co2进行减压，并将所述空冷器流出的co2进行气液分离，使液态co2回流至所述空冷器，使气态co2增压后流入所述压缩机。

16、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述分盐结晶子系统包括nacl蒸发结晶单元、na2so4蒸发结晶单元、杂盐干燥单元和回用水池；

17、所述nacl蒸发结晶单元与所述压缩机连接，所述nacl蒸发结晶单元与超临界co2换热，以得到nacl结晶盐；

18、所述na2so4蒸发结晶单元和所述杂盐干燥单元分别与所述nacl蒸发结晶单元连接，所述na2so4蒸发结晶单元与经过一次换热的co2换热，以得到na2so4结晶盐，所述杂盐干燥单元与经过一次换热的co2换热，以得到杂盐；

19、所述回用水池分别与所述nacl蒸发结晶单元、所述na2so4蒸发结晶单元和所述杂盐干燥单元连接，用于汇集所述nacl蒸发结晶单元、所述na2so4蒸发结晶单元和所述杂盐干燥单元产生的淡水。

20、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述nacl蒸发结晶单元包括：盐水闪蒸罐、第二效加热器和第二效分离器；

21、所述盐水闪蒸罐与所述制冷子系统连通，接受超临界co2对所述盐浓缩液的加热，并产出蒸汽和二次浓缩液；

22、所述第二效加热器与所述盐水闪蒸罐、第二效分离器连接，用于接收所述盐水闪蒸罐输出的蒸汽，并对所述盐水闪蒸罐输入的二次浓缩液进行加热，并且对所述第二效分离器回流的浓缩液进行加热；

23、所述第二效分离器与所述第二效加热器连接，用于对进入第二效分离器的加热后的二次浓缩液闪蒸，并产生二次蒸汽和含nacl结晶盐的饱和液体；

24、所述第二效加热器产生的淡水输入所述回用水池。

25、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述nacl蒸发结晶单元还包括：

26、离心机和母液泵；

27、所述离心机与所述第二效分离器连接，所述离心机用于制得nacl结晶盐和母液；

28、所述母液泵用于将所述母液送入所述第二效加热器。

29、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述nacl蒸发结晶单元还包括：

30、冷凝器，用于对所述第二效分离器产生的二次蒸汽和不凝气体进行冷凝，并将冷凝水通向所述回用水池；

31、真空泵，用于在所述盐水闪蒸罐、所述第二效加热器、所述第二效分离器和所述冷凝器内形成真空，并抽取不凝气体；

32、所述冷凝器产生的淡水输入所述回用水池。

33、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述nacl蒸发结晶单元还包括：

34、原料液罐，与所述膜浓缩子系统连通，用于对所述盐浓缩液进行缓冲处理；

35、原料液预热器，与所述原料液罐连通，用于对所述盐浓缩液进行预热。

36、根据本发明提供的一种基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，所述膜浓缩子系统还包括：

37、预处理单元，用于对所述矿井水进行预处理，以达到反渗透单元进水的水质要求；

38、反渗透单元，用于对经过预处理的矿井水进行浓缩处理，并存储所述反渗透单元产生的清水，为所述分盐结晶子系统提供冷却水。

39、分离单元，用于对经过浓缩处理的矿井水进行分盐处理，将所述矿井水分为硫酸钠高盐水和氯化钠高盐水。

40、本发明提供的基于跨临界co2冷热双联供的制冷与矿井水资源化系统，在膜浓缩子系统中，使用膜分离技术将矿井水预处理、分盐和浓缩，制得的盐浓缩液输入分盐结晶子系统，使用制冷子系统供应的超临界co2将盐浓缩液蒸发结晶，制得结晶盐，降温后的co2返回制冷子系统，被减压成低温低压co2，并在井下的空冷器中与工作面的热空气交换热量，使工作面的温度下降。本发明的制冷子系统使用co2作为制冷剂，动力设备少，运行费用低，并且设备的体积小，co2能够将采掘工作面的温度降低20℃左右，极大程度的改善了矿井的作业环境，提高了采煤的工作效率，并且在分盐结晶子系统中，热源均来源于超临界co2，不需要使用其他热源，而且分盐结晶子系统替代了制冷系统中的冷却器，实现了冷热双联供，能源的利用率高，矿井水的结晶盐全部回收利用，实现了废水的资源化。

41、由上可知，本发明提供的制冷与矿井水资源化系统，能够同时实现井下制冷和矿井水资源化处理，降低了矿井水资源化处理的运行成本，提高了矿井的综合效益。