CC BY
34
>>
ШЯкЪ
СИМПОЗИУМ СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
ПОСВЯЩАЕТСЯ ПАМЯТИ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОГО
29.01.96 - 2.02.96 г.
И. М. ЗАКОРШМЕННЫЙ,
Г. А. ЯН ЧЕН КО, Московский государственный
горный университет
О.В.БУРЬЯНОВ АО «Шахтоуголь»
Концепция формирования комплекса теплоэнергетического оборудования для извлечения полезной энергии из продуктов подземного сжигания углей
объективным причинам сокращения обычи нефти и природного газа для энергетики, а так же из-за наличия зных препятствий для реализации рамм в области использования ядер-энергетики возникает вопрос о путях лоления намечающегося дефицита зводства энергии и тепла, что требует ориентации на более значительное, это планировалось, потребление ре-ов твердого топлива. Ископаемый ль на видимую перспективу будет оста-я основным источником тепловой ргетики. Растущие потребности народ-хозяйства в топливе нецелесообразно рывать за счет наращивания добычи уг-; у шествующей технологией подземной работки угольных месторождений с пе-одом на большие глубины, в сложных но-геологических условиях, при отра-е высоковольтных, низкокалорийных сов угля и т.д. с обязательным транслированием и сжиганием угля на поверти у потребителя, особенно с ожидае-резким увеличением расходов на ох-7 окружающей среды.
Одним из негативных факторов работы льных шахт являются большие потери ля (до 12-15% ежегодно), оставляемых в лрах из-за невозможности их отработки технологическим причинам или ввиду ономической нецелесообразности. На зличных глубинах оставлены сотни мил-онов тонн угля, которые ранее были крыты и в значительной мере подготов-
лены. Вовлечение этих запасов в сферу эксплуатации при соответствующей технике и технологии их отработки может дать ощутимый прирост энергоресурсов.
В начале 80-х годов академиком АН СССР В.В.Ржевским предложена технология, предусматривающая комплексное извлечение из недр угля и тепловой энергии, заключительная стадия которой - подземное сжигание оставленных запасов.
Подземное сжигание углей (ПСУ) -технология, предусматривающая безлюдную доработку оставленных в недрах традиционной технологии отработки месторождения запасов угля и получения на поверхности различных видов энергоносителей: газа, горячей воды, пара, а на их основе и электроэнергии, химического сырья, при всасывающей или нагнетательно-всасыва-ющей схеме поступления воздуха в очаг горения. Последнее исключает утечку подаваемого воздуха в горные выработки, вмещающие породы и на поверхность за счет депрессии вентиляторов или дымососов, обеспечивающих направленность и темп движения газовоздушных потоков в подземных теплогазогенераторах.
Проходящая в настоящий момент реструктуризация предприятий угольной промышленности с закрытием ряда неперспективных предприятий приведет к негативным социальным и материальным последствиям.
В данных условиях применение технологии ПСУ позволит вовлечь в сферу производства уже частично подготовленные запасы угля закрывающихся шахт; сохранить здания поверхностного комплекса с использованием для их теплоснабжения теплоносителей на базе подземного сжигания; обеспечить тепловой энергией здания в поселках закрытых шахт вновь сооружаемые на поверхности шахт объекты согласно ТЭО закрытия шахт. Сооружение участков подземного сжигания угля обеспечивает занятость части населения близлежащих к шахтам поселков.
Общая эффективность процесса ПСУ наиболее объективно оценивается возможностью предоставления тому или иному потребителю необходимого ему вида энергии, так называемой полезной энергии, соответствующей энергетической мощности при экономически приемлемых отпускных ценах. Практика ПСУ в ряде угледобывающих регионов СНГ (Донбасс, Кузбасс, Подмосковный угольный бассейн) показала, что эти вопросы довольно эффективно могут быть решены только в том случае, если комплекс используемого при ПСУ теплоэнергетического оборудования будет учитывать особенности не только самого процесса ПСУ, но и процессов извлечения из продуктов ПСУ (ППСУ) тепловой энергии, ее преобразования в полезную энергию и транспортирования последней соответствующему потребителю.
Как известно энергия в ППСУ может быть представлена физическим (Оф) и химическим (Ох) теплом и скрытой теплотой испарения (Он) (конденсации) находящихся в них паров воды. Максимальная общая эффективность процесса ПСУ имеет место, если ППСУ содержат только Оф. Однако это абсолютно нереально (для 0„ даже с теоретической точки зрения), поэтому на практике ППСУ содержат Оф, Ох, Ои. Появление в ППСУ 0И и 0„, соответственно уменьшает 0Ф.
Физическое тепло ППСУ принципиально может быть преобразовано в электрическую энергию и физическое тепло перегретого водяного пара и горячей воды. Наиболее универсальным видом энергии с точки зрения ее энергетического потенциала, легкости транспотирования потреби-
телю и использования последним коне1 же является электрическая энергия.
Использование перегретого пара ра онально только на предприятиях в соот! ствующих технологических процессам горячей воды для центрального тепле горячего водоснабжения. Следует ик ввиду, что производство электроэнер из 0Ф ППСУ автоматически должно щ определять и производство низко пере] того пара (если он необходим потреб! лю) и горячей воды. Известно, что на г ИЗВОДСТВО электроэнергии ИЗ Оф продув сгорания органических топлив затрач! ется менее 50% Оф. Поэтому при пр( водстве электроэнергии всегда так назь емое отбросное тепло стараются испол] вать для получения слабо перегретого дяного пара (если он нужен потребите и горячей воды. Следовательно, комш теплоэнергетического оборудования извлечения полезной энергии из ПГ должен учитывать это.
Выполненный в [ 1 ] анализ выпуа мого в настоящее время теплоэнергет] ского оборудования для извлечения по. ной энергии из продуктов сгорания орг; ческих топлив показал, что на сегодн ний день преобразовать в электричес энергию 0Ф ППСУ экономически цел образно, если температура Т>700 К. применение в рассматриваемом те! энергетическом комплексе установок получения электрической ЭНерГИ! Г1ПСУ с Т<700 К с использованием в к стве рабочих тел низкокипящих жидко (аммиак, углеводороды, фреоны и • ориентироваться не следует. Большин этих установок пока не вышли из ст; опытных образцов.
Факторы, препятствующие получе при ПСУ продуктов с высокими Т, хор
известны. Это ВЫСОКИЙ внешний В0Д01
ток как в угольный канал, так и в газоотводящих выработок, налич) ППСУ продуктов неполного сгорани$ ля, газификации и термического разл< ния (далее горючие газы), значител! потери Оф ППСУ в окружающую с при их движении по шахтным горным работкам большого сечения и протяже сти.
[М конечно
(ГИЯ.
9 •
пара раци-с в соответ-юцессах, а о тепло- и 1ует иметь гроэнергии
1ЖНО пре/ со перегре-потребите-что на про-.продуктов затрачива-при произ-| ак называ-Iиспользо гретого во гребителю) к комплекс )вания для!
из ППСУ
Р •
В связи с тем, что 1 кг воды, попавшей В угольный канал или сеть газоотводящих р^работок уменьшает Q<t, на 8...30%, воп-с осушения при ПСУ требует более серь-к-ого отношения к себе, чем при традици-ееой подземной добыче угля. Если в по-нем случае попадение воды в горные [& работки допустимо, то при ПСУ попаде-е воды в газоотводящие выработки дол-во быть исключено.
-
выпускае-шергетиче-;ния полез-шя органи-сегодняи стрическу :ки целее
►700 К. На
!ОМ ТеПЛО
ановок д 'нергии из! нем в каче-; жидкостей )НЫ и т.д.)
ХПЫИИНСТВ
? из стад]
получени i Т,хорой* !Й водопри-IK и в се наличие б горания уг-'о разложе-лчительные щую среду горным вы-ротяженно
Наличие в ППСУ горючих газов - в ■шовном результат несоответствия длины игольного канала (1к) и объемных расходов [Ь даваемого в него воздуха (0в) [2].
ре мление свести количество горючих гаме з к минимуму приводит к появлению ко-ирфициента избытка воздуха а > 1.
I Взаимосвязь 1К = Г((^в) довольно сложна на нее оказывают влияние много природ-кх факторов, управление которыми в ^-^нципе невозможно: прорывы подзем-вод, обрушение пород кровли и т.д.
И "ЭТОМУ обязательно в комплекс тепло-энергетического оборудования должны Вводить тягодутьевые установки с регулируемым электроприводом.
Регулировка величин (2в с помощью различных задвижек, дросселей и т.д. жгайне нерациональна, т.к. в этом случае гудет иметь место перерасход электроэнергии (часть воздуха необходимо будет (сорасывать в атмосферу). Кроме того смяг-кнть фактор сезонности можно при подаче Цкислителя в огневой забой за счет тепло-рй депрессии. Практическая реализация этого была проведена в условиях Донбасса.
Регулирование (^в подаваемого в уголь-й канал воздуха позволяет довольно эф-ктивно управлять величиной айв опре-ленной степени влияет на содержание в ПСУ горючих газов. Однако опыт ППСУ показывает, что полностью исключить их ^тияние в ППСУ не удается, т.к. процесс рения угля в условиях угольного канала лек от идеального. На практике суммар-е содержание горючих газов в ППСУ тавляет порядка 1...2%. Однако даже ое довольно небольшое содержание в ПСУ горючих газов довольно сильно азывается на величине (2ф ППСУ, умень-я ее на 5... 15% [3].
Таким образом, помимо несомненного экологического ущерба, который наносят окружающей среде находящиеся в ППСУ СО, Нг, СН4 и другие горючие газы, они способствуют и снижению их Т. При определенных условиях горючие газы могут снизить Т ППСУ до Т<700 К, что сделает невозможным преобразование их Рф в электрическую энергию.
Наиболее эффективным способом ликвидации горючих газов в ППСУ является их дожигание [4]. Дожигание горючих газов в ППСУ на входе в комплекс теплообменного оборудования позволит не только снизить экологический ущерб окружающей среде от выброса ППСУ в атмосферу, но и за счет преобразования (^х этих газов в (^ф ППСУ повысить Т последних. Это положительно сказывается на извлечении из ПСУ полезной энергии. Эксперименты, проведенные в условиях Южно-Абинской станции «Подземгаз» [5] полностью это подтверждают. Дожигание горючих газов в сильно забалластированных газовых смесях в настоящий момент принципиальных затруднений не вызывает. Разработано много технических устройств [4], позволяющих осуществлять это даже при меньших содержаниях горючих газов, чем это имеет место в ППСУ, и величинах (^в, характерных для процесса ПСУ.
Испытания по дожиганию горючих газов в ППСУ [5] также показади, что для получения максимальной эффективности процесса ПСУ функции устройства для дожигания горючих газов должны быть несколько расширены. Оно должно не только обеспечивать дожигание горючих газов в ППСУ, но и при необходимости должно обеспечить возможность повышения их Т за счет дополнительного подогрева ППСУ. В случае непредвиденных аварийных ситуаций это позволит на оптимальном уровне поддерживать параметры потока ППСУ на входе в комплекс теплообменного оборудования, что способствует повышению эффективности извлечения из них тепловой энергии. Кроме того возможность ввода в ППСУ дополнительного количества тепловой энергии позволяет в определенной степени решить проблему снабжения потребителей энергией при пиковых нагрузках их энергопотребления.
Большая энерционность процесса ПСУ не позволяет оперативно управлять параметрами потока ППСУ за счет изменения режимов сгорания угля в угольном канале.
В качестве устройств для дожигания горючих газов в ППСУ и их дополнительного подогрева могут использоваться, например, котельные агрегаты шахтных котельных. Это в принципе возможно, но потребует некоторого переоборудования топок этих агрегатов.
Решение данного вопроса с технологической точки зрения означает, что длина канала горения может быть определена но только с технологической, но и экономической точки зрения. Это позволит снизить объемы подготовительных работ.
Потери (2ф ППСУ при их транспортировании по шахтным горным выработкам, имеющим довольно большие сечения и протяженности, могут достигать значительных величин, до 20% и более. Особенно это характерно для начального периода ПСУ. Эти выработки создавались для вполне опеределенных целей и поэтому абсолютно не приспособлены для транспортирования ППСУ. Уменьшить потери 0ф ППСУ в этих выработках в принципе не трудно. Это можно сделать, например, путем прокладки в них коаксиально расположенных трубопроводов. Внешний коаксиальный зазор можно использовать для подачи воздуха в угольный канал. Подогреваемый в этом случае воздух будет способствовать увеличению эффективности ПСУ. Однако на практике реализовать это очень сложно из-за больших капитальных затрат.
Не приходится говорить и о расположении теплоэнергетического оборудования в шахтных горных выработках вблизи от сжигаемых угольных запасов. Такого оборудования на сегодняшний день не существует. Кроме того не совсем ясны вопросы транспортирования по горным выработкам различных видов полезной энергии.
Практика ПСУ показывает, что на сегодняшний день наиболее целесообразным транспортирование ППСУ осуществлять по скважинам, буримым с поверхности земли в район расположения сжигаемых угольных запасов. Это позволяет в не-
сколько раз, иногда на порядок, умень: путь транспортирования ППСУ на пове ность и, кроме того, снижает средние меры сечения сети газоотводящих выра ток. Оба эти фактора способствуют сни: нию потерь С>ф ППСУ в окружающую с ду. Вопросы обеспечения температур стойкости газоотводящей скважины репа ются довольно просто. Это можно сделат например, путем размещения в скважи начиная от призабойной зоны, одного
нескольких теплоотводящих конту комплекса теплообменного оборудован! В этих контурах в зависимости от ко» руктивных особенностей используем теплообменного оборудования можно ществлять подогрев воды, ее испарени получение перегретого пара. Помимо эн го, газоотводящая скважина может б выполнена с коаксиальным зазором, полняющим роль теплоотводящего ко ра. Во втором случае конструкция газ водящей скважины получается более стой и надежной в работе. При ее испо: зовании значительно легче осуществ процесс дожигания горючих газов в ППС и их подогрев, если последнее необходим
Проблема извлечения (2и из продукт сгорания органических топлив доволь; сложна, особенно при больших энергет ческих мощностях. Основные причины большие размеры теплообменников и и тенсивная коррозия поверхностей тепл обмена из-за конденсации на них паров а ды. Однако в настоящее время разработа! эффективные контактные нагреватели керамическими насадками [6], использ вание которых для извлечения (^и и ППС очень перспективно. Но надо иметь в ви; что при применении таких нагревателей I рячая вода будет насыщаться содержат мися в ППСУ вредными веществами. Пс тому необходимо будет решать вопрос о очистке или утилизации после ИСПОЛЬЗО! ния для обогрева. Если этот вопрос не буд решен положительно и загрязнение во, будет недопустимо, то следует испольг вать контактные теплообменники с акту ной насадкой (КТАНы). Они имеют бо/ низкий КПД, но и дают меньшее количе* во, причем значительно, загрязненной I ды.
уменьши на поверх-эедние раз их вырабо уют сниже ющую сре-пературной шны решало сделат ? скважин одного и ; контуров фудования. и от конст-ользуемог можно осу-;спарение и [омимо это может быт [зором, вы него конту-;ция газоот-[более про
! ее ИСПОЛЬ
>существи зов в ППС *еобходим
з продукте гв довольн [X энергети-причины -ников и ин->стей тепло-, их паров во разработан греватели С) |. использо-: (}„ и ППС
1меть в виду, ►евателей го-содержащи гтвами. Поэ-ь вопрос о е использова-
трос не бу, знение вод гг использо-ики с актив имеют боле ее количест-
иненной во
ПСУ показывает, что наиболее льно формировать комплекс теп-1 ргетического оборудования из от-функционально завершенных мо-Т огда выход из строя одного из них чожет быть скомпенсирован включе-
нием в работу резервного модуля. Модули, по возможности, должны компоноваться из легкого компактного оборудования, что снизит время и капитальные затраты на монтаж всего комплекса в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Селиванов Г.И., Волошиновский И.И. Комплексы теплоэнергетического оборудования для преоб-1я в электроэнергию тепла продуктов подземного сжигания по комбинированной технологии -Подземгаз»: Методические разработки/Под ред. акад. АН СССР В.В.Ржевского, - М., МГИ,
-141с. ! •'
1 Янченко Г.А. Формирование состава газа при подземной газификации углей // Изв. вузов. Горный я. - 1989. - №4 - с. 10-14.
• Янченко Г.А. Оценка влияния химической неполноты сгорания на тепловой баланс процесса •г:-:.1Я угля в подземных условиях // Получение различных видов энергии при подземном сжигании по технологии «Углегаз»: Сб. научн. тр. - М.: МГИ, 1988. - С. 69-72.
- Спейшер В.А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием. М.: Энсргоатомиздат, 1986.
ДО с. ■ ! 1 *
5. Закоршменный И.М., Янченко Г.А. О повышении экологической чистоты продуктов подземного ия угля // Экологические проблемы горного производства. Труды конференции. - М.: МГГУ, 1995,
1.-С. 202.
6. Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели. 4-е изд. 1р. и доп. - М.: Стройиздат, 1988. - 376 с.
© И.М.Закоршменный, Г.А. Янченко, О.В.Бурьянов
Б.Н.Кутузов
ктити, зь^Щ£^1Ы£ изт>А%£ЛЬс<том московскою
ТОСуТ>А’РС<ЗПВ£<и<иОТО УОРЩОТО ущивёРСыупёуяА Учебная литература д*\я вузов горного профиля
Разрушение горных пород взрывом (взрывные технологии в промышленности) - 448 с.
У
М. А .Ястребинский Л.Х.Гитис
Эффективность инвестиций в горные предприятия фактор времени и дисконтирование запасов. - 88 с.
У
4. С. Вознесенский
Системы контроля геомеханических
процессов. - 147 с.
СПРА ВОЧНАЯЛИТЕРА ТУРА:
С. А. Ильин
Нагорные карьеры мира. - 224 с.
Машины и оборудование для шахт и рудников (под редакцией С.Х.Клорикьяна). - 471 с.
