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申请/专利权人：北京大学

摘要：本发明公开了一种矿井冷热联供二氧化碳系统及其实现方法。本发明实现地面供热和井下供冷两种需求，对气体冷却器热量进行梯级利用，减少地面额外蒸汽用量，提高能源利用率，减少碳排；本发明提出了多喷射器并联、多回热器串联，解决环境温度较高时冷凝温度高的问题；本发明提出了井下布置二氧化碳膨胀机，对液态二氧化碳下井时的重力势能和动能进行回收，同时对出井的气态二氧化碳提供动力，减小二氧化碳运输泵的使用；本发明提出井下膨胀机与喷射器串联连接，防止二氧化碳液滴进入二氧化碳膨胀机，同时回收部分重力势能和动能，延长膨胀机寿命，提高系统效率，减小能耗，减少碳排。

主权项：1.一种矿井冷热联供二氧化碳系统，其特征在于，所述矿井冷热联供二氧化碳系统包括：压缩机、电磁阀、多级用热气体冷却器系统、蒸发式气体冷却器、回热器、井上喷射器、井下喷射器、井上气液分离器、井下气液分离器、井上节流阀、井下节流阀、井上二氧化碳储液罐、井下二氧化碳储液罐、二氧化碳膨胀机以及风冷式蒸发器；其中，多级用热气体冷却器系统包括多条并联的冷却器支路，每条冷却器支路包括多个串联的气体冷却器，对每一个用热需求采用一个气体冷却器，根据矿井实际用热需求的温度范围，将用热需求分为多级用热梯度，把相同温度范围的用热需求归为同一级用热梯度内，按照每级用热梯度中的用热需求的数量将多级用热气体冷却器系统分成多个并联的冷却器支路，每一条冷却器支路中各个气体冷却器按照用热梯度的级数依次串联，在同一条冷却器支路中，相同级别用热需求的气体冷却器并联；一个或多个并联的压缩机的出口连接至多级用热气体冷却器系统的入口；在多级用热气体冷却器系统中的每一个气体冷却器的入口处设置一个电磁阀，并且在每一个气体冷却器的两端并联一个电磁阀，以及在每一条并联的冷却器支路的最后一级用热需求的气体冷却器的出口处分别设置一个电磁阀，通过控制电磁阀的开启或关闭，控制每一个气体冷却器是否连接至多级用热气体冷却器系统参与运行；各条冷却器支路的出口汇聚至一起，连接至蒸发式气体冷却器的入口；蒸发式气体冷却器的出口连接至一个或M个串联的回热器的高温侧入口，M为自然数，一个或M个串联的回热器的高温侧出口连接至一个或N个并联的井上喷射器的主流体入口，N为自然数，在每一个井上喷射器的主流体入口设置电磁阀，每一个井上喷射器的出口分别连接至相应的井上气液分离器的入口，井上气液分离器的数量与井上喷射器的数量相同，各个井上气液分离器的气态出口均连接至第一回热器的低温侧入口，在每一个井上气液分离器的气态出口设置电磁阀，第二至第N井上气液分离器的液态出口通过井上节流阀分别连接至一个回热器或者第二至第M回热器的低温侧入口，第一回热器的低温侧出口连接至并联的压缩机的入口；第二至第M回热器的低温侧出口连接至并联的一个井上喷射器或者第二至第N井上喷射器的次流体入口，在每一个回热器的低温侧出口设置电磁阀；第一井上气液分离器的液态出口通过井上节流阀连接至井上二氧化碳储液罐的入口，井上二氧化碳储液罐的出口连接至位于井下的二氧化碳膨胀机的高压侧入口，二氧化碳膨胀机的高压侧出口连接至井下喷射器的主流体入口，井下喷射器的出口连接至井下气液分离器的入口，井下气液分离器的液态出口通过井下节流阀连接至井下二氧化碳储液罐的入口，井下气液分离器的气态出口连接至二氧化碳膨胀机的低压侧入口，二氧化碳膨胀机的低压侧出口连接至第一井上喷射器的次流体入口，在第一井上喷射器的次流体入口设置电磁阀；井下二氧化碳储液罐的液态出口连接至一个或多个并联的风冷式蒸发器的入口，在每一个风冷式蒸发器的入口和出口分别设置电磁阀，风冷式蒸发器的数量与矿井采掘面的数量一致；风冷式蒸发器的出口连接至井下喷射器的次流体入口；来自回热器的低温低压的CO2气体进入至一个或多个并联的压缩机，压缩机对低温低压的CO2气体加压，变成高温高压的CO2气体，流入至多级用热气体冷却器系统；多级用热气体冷却器系统根据实际用热需求通过控制各个电磁阀的开启或关闭，控制与各个用热需求对应的气体冷却器是否参运行，实现各个气体冷却器既能够串联在所在的冷却器支路中按照用热梯度依次降低温度用热，又能够单独使用，将高温高压的CO2气体分成多个支路并逐级用热，实现用热需求；从多级用热气体冷却器系统输出的CO2气体的温度降低且压力不变，变成低温高压的CO2气体进入至蒸发式气体冷却器；蒸发式气体冷却器与空气进行换热使得低温高压的CO2气体进一步降温，进入至一个或多个串联的回热器；回热器对低温高压的CO2气体进一步降低温度，低温高压的CO2气体作为主流体进入一个或多个并联的井上喷射器；从每一个井上喷射器出射的低温低压的CO2气液两相流体分别进入对应的井上气液分离器；每一个井上气液分离器中的低温低压的CO2气体通流回至第一回热器中，低温低压的CO2的液体分别通过第二至第N井上气液分离器的液态出口流回至一个回热器或者第二至第M的回热器中，与高温侧的二氧化碳进行换热，进一步降低温度；第一回热器中的低温低压的CO2气体返回至一个或多个并联的压缩机，第二至第M回热器中的低温低压的CO2气体输送至并联的第二至第N井上喷射器内；第一井上气液分离器中的CO2液体，经过井上节流阀进一步降低温度和压力，进入至井上二氧化碳储液罐；井上二氧化碳储液罐中的低温低压的CO2液体依靠重力流入至地下，在重力势能的作用下变成低温高压的CO2液体，进入至二氧化碳膨胀机，变成中温中压的CO2气液两相流体，通过二氧化碳膨胀机的高压侧出口进入至井下喷射器；井下喷射器出射低温低压的CO2气液两相流体进入井下气液分离器，井下气液分离器中低温低压的CO2气体通过二氧化碳膨胀机提高压力和温度，变为中温中压的CO2气体进入第一井上喷射器的次流体入口；井下气液分离器中的低温低压的CO2液体经过井下节流阀降温降压，达到矿井采掘面所需蒸发温度，储存在井下二氧化碳储液罐；矿井采掘面所需蒸发温度的CO2液体从井下二氧化碳储液罐进入到风冷式蒸发器；风冷式蒸发器分别给对应的矿井采掘面降温；矿井采掘面返回低温低压的CO2气体作为次流体流入至井下喷射器。

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