基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统

本发明涉及一种基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，属于矿井除湿。

背景技术：

1、矿井高温高湿环境不仅加剧井下设备的腐蚀，缩短设备寿命，而且严重影响工人的生产效率和身心健康。因此，合适的温湿环境对于维持矿井高效运行具有重要的意义。

2、目前，针对矿井的高温高湿问题，常见的解决方法有采用传统空调除湿、溶液除湿、膜基溶液除湿，虽然对改善矿井温湿环境起到了一定的作用，但也存在明显缺陷，如，传统空调除湿因依赖露点温度能耗高；溶液除湿以水蒸气分压差为驱动力除湿，存在因液滴携带而引起的潜在健康威胁以及设备腐蚀问题；膜基溶液除湿使用膜将溶液和空气分开，虽能够规避溶液除湿的弊端，但普通聚合物膜存在因污染、堵塞而引起的性能下降问题，且膜的加入增大了传质阻力，除湿性能提升空间大。

3、此外，矿井乏风风量大，但当前对于矿井乏风余热的利用受限于较低的甲烷体积分数，存在资源浪费的现象。因此，如何营造矿井适宜温湿环境以及提高矿井乏风余热的利用，是亟需进行的一项研究。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，该系统能够为矿井生产营造适宜的温湿环境，保障矿井高效运行，提高设备除湿性能以及矿井乏风余热的利用，降低除湿过程能源消耗的同时减少温室气体排放。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，包括除湿单元和余热利用单元；

3、所述的除湿单元包括蒸发冷却器、空气冷却器、溶液冷却器、金属有机框架复合膜除湿器、热回收器、稀溶液槽、液-液热交换器、金属有机框架复合膜再生器、浓溶液槽、太阳能集热器和蓄热水箱，所述的金属有机框架复合膜除湿器一侧为空气输入端，其通过第一风机与室外空气连通，其另一侧为空气输出端，所述空气输出端包括两个支路，一支路通过空气冷却器与送风井连通，另一支路通过热回收器与蒸发冷却器的输入端连接；金属有机框架复合膜除湿器的溶液输入端依次通过溶液冷却器、液-液热交换器、第一溶液泵、第一截止阀与浓溶液槽连接，其溶液输出端与稀溶液槽的输入端连接；

4、所述蒸发冷却器的底部水输出端分别与空气冷却器和溶液冷却器的水输入端连接，其顶部空气输出端通过热回收器与大气连通；蒸发冷却器内部的喷淋器通过第一水泵与溶液冷却器的水输出端连接；

5、所述金属有机框架复合膜再生器的一侧为空气输入端，其通过第二风机与室外空气连通，其另一侧为与室外空气直接连通的空气输出端；金属有机框架复合膜再生器的溶液输入端依次通过第一溶液加热器、第二溶液加热器、液-液热交换器、第二溶液泵、第二截止阀与稀溶液槽的输出端连接，其溶液输出端与浓溶液槽的输入端连接；

6、所述第二溶液加热器的水输入端通过第二水泵与蓄热水箱的热水输出端连接，第二溶液加热器的水输出端与蓄热水箱的回水口相连；所述蓄热水箱的水加热循环回路与太阳能集热器连接；

7、所述余热利用单元包括稀燃燃气轮机、第一金属有机框架吸附床、第二金属有机框架吸附床、储气罐、高温储热水箱、储气罐和发电机；

8、所述的稀燃燃气轮机输入端与储气罐的输出端连接，其输出端与发电机连接，稀燃燃气轮机的烟气输出端分别通过第三风机、第四风机与第一溶液加热器以及高温储热水箱中的换热盘管连接；所述发电机的输出端与高温储热水箱中的电加热丝连接；

9、所述第一金属有机框架吸附床和第二金属有机框架吸附床的空气输入端分别通过第五风机、第六风机与回风井连通；其空气输出端分别通过第一风阀、第二风阀与大气连通；

10、第一金属有机框架吸附床空气输出端还通过第三风阀与储气罐连接；第一金属有机框架吸附床内置盘管的输入端通过第三水泵、第三截止阀与高温储热水箱的水输出端连接，第一金属有机框架吸附床内置盘管的输出端与高温储热水箱的回水口连接；

11、第二金属有机框架吸附床空气输出端通过第四风阀与储气罐连接；第二金属有机框架吸附床内置盘管输入端通过第四水泵、第四截止阀与高温储热水箱的水输出端连接，第二金属有机框架吸附床内置盘管的输出端与高温储热水箱的回水口连接；

12、第三风阀和第四风阀并联连接于与储气罐输入端连通的管路上。

13、进一步地，所述的蒸发冷却器为填料塔；所述的金属有机框架复合膜除湿器和金属有机框架复合膜再生器为平板型或中空纤维型膜接触器，其膜为有机聚合物与金属有机框架材料构成的混合基质膜。

14、进一步地，所述的蓄热水箱内装有水以及相变材料，蓄热水箱外壳覆盖保温材料。

15、进一步地，所述的第一金属有机框架吸附床、第二金属有机框架吸附床内填充中等亲水性金属有机框架材料。

16、进一步地，高温储热水箱内填充相变材料，其外壳覆盖保温材料；所述稀燃燃气轮机为间壁回热式。

17、本发明通过设置除湿单元和余热利用单元，其中，除湿单元包括蒸发冷却器、空气冷却器、溶液冷却器、金属有机框架复合膜除湿器、热回收器、稀溶液槽、液-液热交换器、金属有机框架复合膜再生器、浓溶液槽、太阳能集热器和蓄热水箱；金属有机框架复合膜除湿器用于提供低湿空气，低湿空气一部分用于蒸发冷却器产生冷水，另一部分经空气冷却器冷却后送入矿井以维持舒适的温湿度环境；经金属有机框架复合膜除湿器的溶液因吸收水分而温度升高、浓度降低变为稀溶液，稀溶液经液-液热交换器预热、溶液加热器加热后进入金属有机框架复合膜再生器，经再生器后溶液中的水分转移到空气中变为浓溶液，浓溶液经溶液冷却器降温后恢复除湿能力再次送入金属有机框架复合膜除湿器中实现连续不断的除湿；余热利用单元包括稀燃燃气轮机、第一金属有机框架吸附床、第二金属有机框架吸附床、储气罐、高温储热水箱、储气罐和发电机，矿井乏风经金属有机框架吸附床吸附氮气后被提纯浓缩进入稀燃燃气轮机，稀燃燃气轮机排出高温烟气并带动发电机发电；经金属有机框架复合膜除湿器后的稀溶液先经太阳能集热器产生的热量加热再经高温烟气二次加热进入金属有机框架复合膜再生器；金属有机框架吸附床中的金属有机框架材料经换热盘管中的热水加热以恢复吸附氮气提高矿井乏风甲烷浓度的能力，金属有机框架吸附床中换热盘管中的水经稀燃燃气轮机产生的烟气及电加热；金属有机框架复合膜的使用既解决了溶液除湿可能引起的液滴携带和腐蚀问题，又改善了膜的渗透性和亲水性，提高了膜的除湿性能，降低了除湿能耗；吸附床中金属有机框架材料的使用提升了矿井乏风中甲烷浓度进而提高了矿井乏风的余热利用率，同时相比传统吸附材料降低了再生能耗。本发明基于金属有机框架材料高孔隙率低再生温度的特性，充分利用太阳能、乏风提纯后甲烷燃烧产生的烟气以及电能，节能高效地实现低温低湿的夏季矿井空调环境，为矿井生产营造适宜的温湿环境、保障矿井高效运行的同时，降低了能源消耗，减少了温室气体的排放。

技术特征：

1.一种基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，其特征在于，包括除湿单元和余热利用单元；

2.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，其特征在于，所述的蒸发冷却器（1）为填料塔；所述的金属有机框架复合膜除湿器（4）和金属有机框架复合膜再生器（8）均为平板型或中空纤维型膜接触器，其膜为有机聚合物与金属有机框架材料构成的混合基质膜。

3.根据权利要求1或2所述的基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，其特征在于，所述的蓄热水箱（11）内装有水以及相变材料，蓄热水箱（11）外壳覆盖保温材料。

4.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，其特征在于，所述的第一金属有机框架吸附床（24）、第二金属有机框架吸附床（25）内填充中等亲水性金属有机框架材料。

5.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，其特征在于，所述的高温储热水箱（27）内填充相变材料，其外壳覆盖保温材料；所述稀燃燃气轮机（23）为间壁回热式。

技术总结一种基于金属有机框架材料的多能互补矿井除湿空调系统，包括除湿单元和余热利用单元，其中，除湿单元包括蒸发冷却器、空气冷却器、溶液冷却器、金属有机框架复合膜除湿器、热回收器、稀溶液槽、液‑液热交换器、金属有机框架复合膜再生器、浓溶液槽、太阳能集热器和蓄热水箱；余热利用单元包括稀燃燃气轮机、第一、第二金属有机框架吸附床、储气罐、高温储热水箱、储气罐和发电机。本发明基于金属有机框架材料高孔隙率低再生温度的特性，充分利用太阳能、乏风提纯后甲烷燃烧产生的烟气以及电能，节能高效地实现低温低湿的夏季矿井空调环境，为矿井生产营造适宜的温湿环境、保障矿井高效运行的同时，降低了能源消耗，减少了温室气体的排放。技术研发人员：陈婷婷,常志敏,汤亚冉,刘一朝,刘金格,孙文旭受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18