Способ прямого нагрева воздуха для проветривания шахт
METHOD OF DIRECT AIR HEATING FOR MINE VENTILATION

Изобретение относится к технологиям вентиляции промышленных зданий и преимущественно может быть использовано для нагрева приточного воздуха, поступающего на проветривание шахт по нагнетательной схеме, а также может быть использовано для приточных систем вентиляции промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных предприятий.
Согласно требованиям безопасности приточный воздух, поступающий в шахты, должен иметь температуру в зимних условиях не ниже +2°C. Для этих целей широко используют воздухонагреватели (калориферы), работающие с использованием нагретой воды котельных. Применение калориферов требует значительных капитальных затрат, установки с калориферами обладают большой тепловой инерцией и, что особенно важно, имеют склонность к замерзанию теплоносителя в условиях суровых зим, что приводит к отключению вентиляции и аварийному состоянию шахт, притом что КПД калориферов, как правило, не превышает 65%.
Теплоноситель в виде продуктов сгорания природного газа используют в газовых теплогенераторах, при этом продукты сгорания газообразного топлива поступают в стальные трубки калорифера [1]. Однако установки с такими калориферами обладают значительной тепловой инерцией, подвержены рискам перегорания трубок теплоносителя, характеризуются сложностью автоматического регулирования теплопроизводительности и требуют больших капитальных затрат.
Для вентиляции шахт прямым газовым нагревом воздуха известно применение струйно-диффузионных горелочных устройств с центральным подводом газа и уголковым перфорированным стабилизатором [2]. Применение струйно-диффузионных горелочных устройств в смесительных воздухонагревателях приводит к превышению регламентированных значений выбросов вредных веществ, поэтому их невозможно использовать в качестве единственного источника тепла, то есть без дополнительного использования водяных калориферов. Исходя из этого способ нагрева приточного воздуха для вентиляции шахт, включающий применение струйно-диффузионного горелочного устройства, осуществляется по двухступенчатой схеме: прямой нагрев воздуха, затем применение водяных калориферов. При этом опасность замерзания теплоносителя в водяных калориферах в условиях суровых зим и аварийного отключения вентиляции шахт сохраняется.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ прямого нагрева воздуха для обогрева больших и малых помещений, реализованный в установке для нагрева приточного воздуха, которая содержит смесительный воздухонагреватель с горелочным устройством, установленным в потоке нагреваемого воздуха [3]. Дополнительные источники тепла при этом не требуются, а нагрев воздуха осуществляют в смесительном воздухонагревателе продуктами сгорания вихревой газовоздушной смеси при постоянном соотношении «газ - воздух горения» примерно 1:15, притом что терморегулятор и регулирующий клапан воздухонагревателя позволяют поддерживать это соотношение в пределах 1:30. Способ направлен на достижение минимальной эмиссии вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода, и реализуется с помощью газового горелочного устройства, работа которого основана на организации струйно-факельного сжигания хорошо предварительно подготовленной газовоздушной смеси при значительных коэффициентах расхода воздуха и рециркуляции дымовых газов. Через радиальные отверстия смесителя газ подают в закрученный поток воздуха для горения. Образовавшаяся вихревая газовоздушная смесь истекает через щелевые сопла стабилизатора горения и сгорает при хорошей стабилизации пламени и низком содержании вредных выбросов. При этом температура пламени становится более равномерной и относительно низкой, соответственно и температура образующихся продуктов сгорания также значительно снижается по сравнению со стехиометрическим сжиганием. Для того чтобы концентрации оксидов азота и оксида углерода в дымовых газах были минимальными, поддерживают определенное соотношение между количеством газа и воздуха для горения.
Поддержание постоянного соотношения «газ - воздух горения» осуществляют в зависимости от температуры пламени по показаниям термопары, рабочий спай которой находится непосредственно в факеле горелки. Такой способ регулирования соотношения «газ - воздух горения» требует непрерывного контактного измерения температуры пламени термопарой, что для условий вихревого горения смеси может приводить к повреждению термопары и возникновению аварийных ситуаций. Кроме того, такой способ регулирования соотношения «газ - воздух горения» не может обеспечить надежную и устойчивую работу вентиляционной системы шахты в условиях низкой температуры наружного воздуха, так как не позволяет контролировать и точно поддерживать требуемую температуру нагреваемого приточного воздуха перед поступлением его в шахту.
Задача настоящего изобретения заключается в разработке надежного, безаварийного и энергосберегающего способа прямого нагрева приточного воздуха для проветривания шахт по нагнетательной схеме, характеризующегося минимальной эмиссией оксидов азота и монооксида углерода.
Предложен способ прямого нагрева приточного воздуха для проветривания шахт, который, как и известный способ, включает нагрев воздуха по нагнетательной схеме продуктами сгорания, образующимися при сжигании газовоздушной смеси в горелочных блоках смесительного воздухонагревателя со струйно-вихревой стабилизацией горения при постоянном соотношении «газ - воздух горения» 1:16-1:15. Заявленный способ отличается от известного тем, что продуктами сгорания в воздухонагревателе нагревают от 25 до 60% объема приточного воздуха, необходимого для проветривания шахты, воздух нагревают до температуры +(20-60)°C, нагретый воздух подают в соединенную с воздухонагревателем смесительную камеру, а в качестве остальной части объема приточного воздуха, необходимого для проветривания шахты, в смесительную камеру одновременно с нагретым воздухом подают холодный атмосферный воздух и смешивают его с нагретым воздухом до достижения температуры приточного воздуха не ниже +2°C, которую поддерживают регулированием расхода смеси газа и воздуха горения, при этом для стабилизации гидравлического режима работы воздухонагревателей и объема приточного воздуха, необходимого для проветривания шахты, в смесительной камере поддерживают разрежение в пределах 100-500 Па.
Используемое соотношение «газ - воздух горения» соответствует коэффициенту расхода воздуха 1,6-1,7, который обеспечивает работу блока горения при сниженной температуре 1150-1250°C вблизи нижнего концентрационного предела распространения пламени, минимизируя эмиссию оксидов азота. Для получения необходимого значения температуры не ниже +2°C воздуха, поступающего в шахту в отопительный период, достаточно нагревать 25-60% объема воздуха, проходящего через воздухонагреватели, до температуры +(20-60)°C и затем смешивать его с холодным атмосферным воздухом. Объем воздуха, нагреваемого продуктами сгорания, значение температуры, до которой его нагревают, а также объем холодного атмосферного воздуха, с которым смешивают нагретую часть воздуха, рассчитывают в зависимости от температуры атмосферного воздуха известными методами [4, 5].
Такой двухэтапный процесс подготовки приточного воздуха позволяет получить заданную точность его нагрева, снизить эксплуатационные затраты, обеспечить надежную систему работы вентиляции шахты и полное соблюдение экологических требований по содержанию вредных газов в нагретом приточном воздухе (значительно менее 0,3 ПДК).
В процессе пуска и останова (открытия и закрытия клапана «рабочего хода») воздухонагревателей, при техническом обслуживании, проверке блокировок безопасности гидравлический режим работы главной вентиляторной установки и действующих воздухонагревателей не должен нарушаться, чтобы исключить возможность отключения вентилятора из-за срыва факела. Для повышения надежности вентиляции шахты системой управления ПНВ предусмотрено регулирование, а именно поддержание на заданном уровне, в пределах 100-500 Па разрежения в смесительной камере перед ГВУ путем управления положением клапана «прямого хода». При снижении разрежения ниже 100 Па расход нагреваемого воздуха падает ниже значений, при которых еще гарантируется низкое содержание вредных выбросов, а воздух при этом перегревается выше 66°C. При увеличении разрежения выше 500 Па увеличиваются потери давления вентиляторной установки и возможен срыв горения, при этом падает суммарный расход воздуха в ствол шахты, а затраты на электроэнергию для вентиляторной установки возрастают.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении надежности системы вентиляции шахты и экономии энергоресурсов.
Заявленный способ иллюстрируется схемой работы приточной вентиляции шахты. В ее состав входит главная вентиляторная установка (ГВУ) 1, с воздухозабором 2, клапан «прямого хода» с приводом 3, смесительная камера 4, два воздухонагревателя 5, 6 с клапанами «рабочего хода» 7. Каждый воздухонагреватель содержит горелочный блок, состоящий из смесителя 8 с принудительной подачей газа и воздуха на горение, газовоздушную камеру 9, щелевой огнепреградитель-стабилизатор, экран, запальное устройство (не показаны), трубопровод подачи газа 10 с датчиком расхода газа 11, регулирующий клапан с исполнительным механизмом 12, вентилятор с трубопроводом подачи воздуха на горение 13 и датчиком его расхода 14, клапан подачи воздуха горения с исполнительным механизмом 15, регулятор соотношения «газ - воздух горения» 16 (возможен пневматический регулятор соотношения давлений газа и воздуха горения), датчик температуры приточного воздуха 17, регулятор температуры приточного воздуха 18, датчик давления в смесительной камере 19, регулятор давления (разрежения) 20. Подготовленный нагретый воздух поступает в ствол шахты 21. Горелочные блоки воздухонагревателей оборудуются газовой автоматикой безопасности, регулирования в соответствии с ГОСТ 31849-2012. Доля продуктов сгорания (водяных паров и углекислого газа) в нагретом воздухе после смесительного воздухонагревателя составляет менее 2,5%, а в среднем за отопительный период, с учетом разбавления, - менее 0,4%.
Для обеспечения бесперебойного воздухоснабжения с автоматикой для управления режимами пуска и остановки воздухонагревателей их количество должно быть не менее двух (один из них резервный). Мощность воздухонагревателей и их количество рассчитываются по расходу воздуха на шахту, минимальной температуре поступающего в шахту воздуха не ниже +2°C и по минимальной расчетной температуре наружного воздуха в зимний период.
Регулирование температуры подачи воздуха в ствол шахты обеспечивается системой управления мощностью воздухонагревателей (поддержанием заданного соотношения расходов газа и воздуха) при автоматическом включении и выключении воздухонагревателей, в зависимости от суточного колебания температур наружного воздуха.
Природный газ по трубопроводу 10 через смеситель 8 подается в закрученный воздушный поток, подаваемый вентилятором 13, образовавшаяся газовоздушная смесь истекает через щелевые сопла огнепреградителя-стабилизатора и сгорает в зоне, ограниченной экраном. Расход природного газа определяется датчиком 11, расход воздуха горения - датчиком 14. Продукты горения смешиваются в воздуховоде воздухонагревателя с прокачиваемым ГВУ холодным воздухом, нагревая его до необходимой температуры. Необходимый расход воздуха через воздухонагреватель обеспечивается тягой, создаваемой ГВУ на всасе (разрежением). Нагретый воздух поступает в смесительную камеру 4, где смешивается с холодным воздухом, поступившим через клапан «прямого хода» 3, и далее после ГВУ поступает в вентиляционный ствол шахты. Температура подачи приточного воздуха поддерживается регулятором 19 за счет регулирования расхода газа при поддержании заданного соотношения «газ - воздух горения».
x
Стабилизация режимов работы ГВУ и воздухонагревателей обеспечивается регулятором давления (разрежения) 20 в смесительной камере 4. Нагретый до требуемой температуры воздух подается в ствол шахты для ее проветривания. Содержание вредных газов (CO, NO) в воздухе для вентиляции определяют газоанализатором (не показан). При превышении их содержания выше 30% ПДК срабатывает механизм, перекрывающий подачу газа. В данном способе обеспечивается высокий КПД системы прямого нагрева воздуха, так как практически вся теплота сгорания природного газа используется для нагрева приточного воздуха.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
x
x
2
Способ опробован на вентиляционном стволе рудничной шахты. Проектная производительность шахты по добыче руды - 400 тыс. т в год. При этом применены два смесительных воздухонагревателя, каждый из которых имеет тепловую мощность 4 МВт. Общее количество подаваемого нагретого воздуха 160 м/сек. Максимальный расход природного газа 780 м/ч при расчетной температуре наружного воздуха -35°C. Распределение нагретого воздуха по четырем подэтажам шахты, м/мин: 300, 9100, 600 и 300 соответственно. Результирующая степень загрязнения приточного воздуха не превышает 25%, т.е. содержание вредных веществ (CO и NO) не превышает 25% от ПДК. В частности, содержание CO=3,1 мг/м (ПДК=20 мг/м); NO=0,128 мг/м (ПДК=5,0 мг/м); NO=0,19 мг/м (ПДК=2 мг/м).
По сравнению с традиционной схемой вентиляции: «центральная котельная - теплосеть - водяной калорифер», заявленный способ обеспечивает:
- низкую металлоемкость, т.к. отпадает необходимость строительства громоздких водяных калориферов и прокладки многокилометровых тепловых сетей;
- устойчивость, надежность и безопасность, т.к. полностью устраняется опасность размораживания водяных калориферов;
- экономичность, т.к. удельный расход топлива на нагрев приточного воздуха (среднее значение за отопительный период) снизился в 3,3 раза;
x
- экологичность, т.к. выбросы вредных веществ в атмосферу в расчете на единицу полезно использованной теплоты снизились по CO - в 32 раза по NO - в 200 раз.
По сравнению со способом-прототипом заявленный способ для подогрева приточного воздуха, поступающего на проветривание шахт, обеспечивает более высокую точность нагрева, надежность, безопасность и энергоэкономичность.
Использование заявленного способа обеспечивает надежную и устойчивую работу вентиляционной системы шахт в условиях низкой температуры наружного воздуха при точном поддержании требуемой температуры нагретого воздуха и снижает удельный расход топлива при полном соблюдении требований отечественных санитарных норм по содержанию вредных веществ.
Список литературы
1. Красноштейн А.Е. Использование газовых тепловых генераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов шахт и рудников / А.Е. Красноштейн., Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин, Л.А. Третьяков // Безопасность труда в промышленности. 2007. №1. С. 44-46.
2. Царев В.К. Система двухступенчатого подогрева приточного вентиляционного воздуха / В.К. Царев, В.М. Ляпаков, А.Н. Капошилов, В.Б. Карпман, А.Н. Губина // Промышленная энергетика. 1993. №6. С. 21-22.
3. Патент EP 0560454, публ. 15.09.1993.
4. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: Учебник для вузов. - СПб.: Политехника, 2001. - 423 с.
5. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.