CC BY
195
УДК 623.1:622
В.А. Портола
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА В ШАХТАХ ПУТЕМ ПРЯМОГО СЖИГАНИЯ МЕТАНА
Согласно санитарным нормам на рабочих местах необходимо поддерживать метеорологические условия, обеспечивающие сохранение здоровья трудящимся. В шахтах предусматривается нормирование температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в действующих горных выработках. Для выполнения необходимых параметров микроклимата в подземных условиях, в зимний период, характеризуемый отрицательной температурой атмосферы в Кузбассе, подаваемый в шахту воздух приходится подогревать. Большинство угольных шахт для повышения температуры нагнетаемого воздуха употребляют калориферы, использующие в качестве теплоносителя воду или водяной пар.
Для получения тепла, идущего на подогрев шахтного воздуха, в большинстве случаев используется комплекс для сжигания топлива, которым обычно является добываемый уголь [1]. Так, в состав теплоэнергетического комплекса МТЭУ-ВНУ входит топка для сжигания твердого топлива, рекуперативные групповые теплообменники, вентиляторы горячего дутья с воздухозабором, дымососы, воздуховоды, газоходы, золоуловители, дымовая труба. Высокая стоимость таких теплоэнергетических комплексов приводит к росту себестоимости добываемого угля.
Большие потери тепла во всей цепочке его получения и передачи сопровождаются снижению коэффициента полезного действия действующих комплексов по подогреву воздуха. Кроме того, в таких установках уменьшается возможность управления количеством тепла, передаваемого воздуху. Поэтому при резких перепадах температуры атмосферного воздуха в шахте могут создаваться некомфортные по метеорологическим параметрам условия. Эксплуатация таких комплексов приводит к загрязнению воздуха образующимися при сжигании угля газами и летучими частицами. Остающийся шлак складируется на земной поверхности, ухудшая качество почвы, воды и воздуха.
Существенно упрощается процесс нагрева воздуха, подаваемого в шахту, в случае использования для выделения тепла электронагревательных элементов [2]. Из-за отсутствия существенных потерь тепла в окружающую среду эффективность таких установок повышается. Появляется возможность оперативно регулировать выделение тепла в теплообменном устройстве в зависимости от климатических условий. Однако недостатком таких устройств является большое потребление электроэнергии и высокая стоимость
получаемого тепла.
Однако применение калориферных установок для подогрева воздуха в зимний период может создавать неблагоприятные метеорологические условия на рабочих местах. Так, после калориферных установок зимой резко снижается относительная влажность поступающего в шахту подогретого воздуха [3,4]. Кроме негативного влияния на самочувствие людей, низкая относительная влажность может вызвать увеличение испарения влаги из теряемого в выработанном пространстве угля, что может стимулировать развитие процессов самовозгорания горючего ископаемого в шахте.
Повысить эффективность устройств, предназначенных для подогрева шахтного воздуха, позволяет применение газообразного топлива. В этом случае резко снижаются затраты на изготовление и эксплуатацию оборудования. Существенно уменьшаются потери генерируемого тепла в окружающее пространство. Интенсивность выделения тепла при сжигании горючего газа также легко регулируется его расходом. Практически полностью предотвратить потери тепла в окружающее пространство позволяет сжигание горючего газа непосредственно в потоке подаваемого в шахту воздуха [5].
Сжигание горючего газа, например, метана, водорода и других предельных и непредельных углеводородов непосредственно в потоке подаваемого в шахту воздуха позволит отказаться от котельных, трубопроводов для подвода пара или горячей воды, теплообменных устройств для передачи тепла воздуху. Одновременно предотвращается потеря тепла, происходящие при транспортировке теплоносителя, так как все выделяемое при сжигании газа тепло отдается поступающему в шахту воздуху. Появляется возможность быстро изменять температуру воздуха, управляя расходом сжигаемого горючего газа.
Для угольных шахт наибольшее снижение затрат при подогреве воздуха может быть достигнуто в случае использования в качестве топлива метана, получаемого из добываемого угля. Однако недостатком способа прямого сжигания метана в потоке подаваемого в шахту воздуха является снижение концентрации кислорода в рудничной атмосфере и попадание в нее продуктов горения. С целью оценки состава воздуха, подогреваемого путем прямого сжигания в нем метана, определим количество горючего газа, необходимого для подогрева воздуха, а также объемы выделяющихся при горении газообразных продуктов.
Геотехнология
63
При расчетах учтем, что удельная теплота сгорания метана равна 36000 кДж/м3. Общее количество тепла, выделяемое при сжигании метана, равно
Q = дУм, (1)
где д - удельная теплота сгорания газа, Дж/м3; Ум - объем сжигаемого газа, м3.
Все тепло, выделяемое при сжигании газа в вентиляционном потоке, расходуется на подогрев воздуха. Поэтому теплофизические параметры воздуха после сгорания метана можно описать уравнением
Q = срУ(Т2 - ГД (2)
где Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м3; с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг-К); р - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м3; У - объем нагнетаемого воздуха, м3; Т - температура воздуха, поступающего в шахту, К; Т2 - температура воздуха после подогрева, К.
Приравнивая уравнения (1) и (2), получим выражение для расчета количества горючего газа, необходимого для подогрева объема воздуха до определенной температуры
Ум =
Уср(Т2 - Т,)
д
(3)
^ .103 V
1,5
1,0
0,5
0
20
40
ДТ, К
Рис. 1. Расход объема метана, необходимого для подогрева воздуха, в зависимости от перепада температуры нагреваемого воздуха
Принимая, что плотность воздуха равна 1,2 кг/м3, удельная теплоемкость воздуха равна 1 кДж/(кг-К), а теплота сгорания метана равна 36000 кДж/м3, подсчитаем количество метана, необходимого для подогрева 1 м3 поступающего в шахту воздуха. Расчет производился при изменении температуры атмосферного воздуха от +10 оС до минус 40 оС. Подогрев воздуха осуществлялся до +20 оС. Результаты расчета объема метана, требуемого для подогрева 1 м3 атмосферного воздуха, в зависимости от перепада температуры воздуха при нагреве приведены на рис. 1.
Расчет показывает, что при наиболее неблагоприятных погодных условии (температура поступающего воздуха равна -40о С, а подогрев его осуществляется до +20о С) для нагревания 1 м3 воздуха необходимо 0,002 м3 метана. Таким образом, достаточно сжигать 1 м3 метана для подогрева 500 м3 воздуха на 60 градусов.
Кроме оптимальных (допустимых) теплофи-зических параметров подаваемый в шахту воздух должен соответствовать и другим нормам. Так, особые требования предъявляются к составу нагнетаемого воздуха. В соответствии с нормами правил безопасности концентрация кислорода в воздухе действующих горных выработок не должна быть меньше 20,0 %. Кроме того, содержание токсичных газов в воздухе не должно превышать предельно допустимых концентраций для рабочей зоны.
Оценим состав газов в воздухе после сжигания метана. В случае стехиометрического соотношения исходных компонентов сгорание метана в воздухе происходит следующим образом СН4 + 2(О2 + 3,76^) = С02 + 2Н20 +2^3,76^. (4)
Из приведенной реакции видно, что для сгорания 1 м3 метана (при объемной концентрации горючего газа 9,5 %) требуется 2 м3 кислорода, содержащегося в 9,52 м3 воздуха. В ходе окисления образуется 1 м3 углекислого газа, 2 м3 водяного пара и 7,52 м3 азота. Объемные концентрации образующихся газов в воздухе после сгорания метана (СК - кислород; СВ - пары воды; СУ - углекислый газ) в зависимости от градиента температуры нагреваемого воздуха приведены в табл. 1. Начальная объемная концентрация кислорода в поступающем в шахту воздухе равнялась 20,95 %.
Анализ результатов, приведенных в табл. 1, показывает, что концентрации кислорода в воздухе после сжигания метана достаточно для соблюдения санитарных норм. Добавка в воздух паров воды, образующихся при сжигании метана, улучшит характеристики воздуха, обладающего низкой относительной влажностью после прохождения традиционных калориферных установок в зимнее время.
В реальных условиях при сжигании метана в воздухе не всегда соблюдается стехиометрическое соотношение реагирующих компонентов. В случае избыточного содержания метана (концентрация горючего газа 12,28 %) в сгорающей смеси возможна следующая реакция СН4 +1,5(О2 + 3,76^) = СО + 2Н20 +1,5^3,76^ (5)
Приведенная реакция показывает, что в воздухе после сгорания метана может присутствовать оксид углерода, являющийся горючим и токсичным газом.
В случае, если содержание метана в смеси существенно превышает стехиометрическое соотношение (на границе верхнего концентрационного предела воспламенения метана), продуктами горения могут быть оксид углерода и водород. Реак-
Таблица 1. Параметры воздуха после сжигания метана
Ть оС -40 -30 -20 -10 0 10
Т2, оС 20 20 20 20 20 20
(Т2 -Т1) 60 50 40 30 20 10
Ум/У 0,0020 0,00167 0,00133 0,0010 0,00067 0,00033
СК, % 20,51 20,58 20,68 20,73 20,81 20,88
Св, % 0,400 0,334 0,267 0,200 0,134 0,066
Су, % 0,200 0,167 0,133 0,100 0,067 0,033
ция горения в воздухе при концентрации метана
15 % имеет вид
СН4 + 1,2(О2 + 3,76^) =
=СО +0,6 Н2 + 1,4Н20 + 1,2в,76М2. (6)
При поддержании факельного горения значительная часть образующихся оксида углерода и водорода сгорает при перемещении этих газов в разогретые зоны с большей концентрацией кислорода. Предельно допустимая концентрация оксида углерода в атмосфере действующих выработок шахт равна 20 мг/м3 (0,0017 %). Реальное количество остающегося в поступающем в шахту воздухе оксида углерода при прямом сжигании метана зависит от способа приготовления горючей смеси, конструкции горелок. Поэтому образование оксида углерода может быть сведено к необходимому минимуму путем регулирования процесса горения.
При сжигании метана в воздухе могут образовываться и такие токсичные газы, как оксиды азота. Предельно допустимая концентрация оксида азота в воздухе предприятий равна 5 мг/м3. Коли-
чество выделяемых оксидов азота можно также снижать до допустимых значений, регулируя соотношение компонентов горючей и выборая оптимальную конструкцию сжигающих устройств.
Для повышения эффективности способа подогрева атмосферного воздуха в качестве горючего газа целесообразно использовать метан, получаемый при дегазации угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства[6,7]. Расчет показывает, что при расходе подаваемого в шахту воздуха 6000 м3/мин для подогрева этого воздуха от температуры -20 до +20 оС необходимо сжигать метан с расходом 8 м3/мин. При этом концентрация кислорода в поступающем воздухе равна 20,68 %. Теплота сгорания метана принималась равной 36000 кДж/м3, плотность воздуха 1,2 кг/м3, его удельная теплоемкость 1 кДж/(кг-К),
Применение способа подогрева шахтного воздуха путем прямого сжигания метана позволяет существенно снизить затраты на создание благоприятного микроклимата на рабочих местах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент 907359 Рос. Федерация, Б 24Н 3/02. Шахтная калориферная установка / В.А. Шушпанни-ков, Б.К. Кретов; заявл. 13.06.80; опубл. 28.02.82, Бюл. № 5.
2. Патент 2280821 Рос. Федерация, Б 24Н 3/04. Способ нагрева потока воздуха и устройство / Ю.Л. Котельников, Н.Л. Семенов, Н.М. Белянский, С.А. Белых; заявл. 22.12.2004; опубл. 27.07.2006, Бюл. № 30.
3. Портола В.А., Лабукин С.Н. Изменение теплофизических параметров воздуха в горных выработках шахты «Распадская» // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2008. - № 3. - С. 31-35.
4. Портола В.А. Лабукин С.Н., Шевченко М.В. Особенности изменения теплофизических параметров воздуха в шахтах Кузбасса // Известия вузов. Горный журнал. - 2011. - № 5. - С. 50-56.
5. Патент № 2518199 Рос. Федерация, Б 24Б 15/00. Способ подогрева воздуха в шахтах / В.А. Портола; заявл. 16.10.2012; опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16.
6. Шевченко, Л.А. Учет фильтрационной анизотропии угольных пластов при проектировании дегазации // Известия вузов. Горный журнал. - 2010. - № 5. - С. 50-56.
7. Шевченко, Л.А. Анализ газовых балансов выемочных полей шахт / Л.А. Шевченко, В.А. Ковалев // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2012. - № 4. - С. 61-63.
Автор статьи:
Портола Вячеслав Алексеевич
докт. техн. наук, проф. каф. АОТП КузГТУ,проф. каф. БЖДЭ и ФВ ЮТИ ТПУ.
Поступило в редакцию 21.01.2015
