Извлечение метана из вентиляционных потоков для промышленного использования в теплоэнергетических установках

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Е.А. Ельчанинов, проф., д.т.н., МГГУ

Извлечение метана из вентиляционных потоков для промышленного использования в теплоэнергетических установках

На угольных шахтах России находится в эксплуатации более 1500 главных и вспомогательных вентиляторных установок, которые потребляют 3,5 млрд кВт/ч. электроэнергии ежегодно. Наиболее мощная вентиляторная установка ВЦД-47 «Север» имеет номинальную производительность 490 м3/с и потребляет мощность до 4300 кВт.

Традиционно шахтные вентиляторные установки предназначены для проветривания шахты. Некоторые же вспомогательные задачи неразрывно связаны с основной функцией вентиляторных установок. Это регулирование подачи воздуха, обеспечение необходимого температурного режима в горных выработках, реверсирование вентиляционной струи в аварийных ситуациях и с целью ликвидации подземных пожаров и т.д.

Однако по мере увеличения глубины разрабатываемых горизонтов, роста газообильности шахт, повышения их производительности возникают новые проблемы, решение которых требует совершенствования вентиляторных установок. Увеличение объема воздуха, связанное с повышением газовыде-ления и обусловленное необходимостью снижения концентрации метана в исходящей вентиляционной струе, неизбежно приводит к росту скорости вентиляционных потоков в горных выработках и к интенсивному выносу пыли на поверхность. Вентиляторные установки, особенно мощные, выбрасывают в атмосферу до одной тонны пыли ежесуточно, что приводит к заметному запылению атмосферы в регионах угледобычи.

Большие объемы воздуха, проходящие через шахту, даже при

ограниченной концентрации метана в исходящем потоке выносят значительное количество метана - в среднем до 300 тыс. м3 в сутки на одну установку. В совокупности с другими выбросами в атмосферу данный фактор создает серьезную экологическую проблему, требующую неотложного решения.

В шахтах с высокой температурой горных пород вентиляционный поток нагревается до температуры окружающих пород, что приводит к формированию вертикальной инверсии с вытекающими экологическими последствиями. Кроме того, тепловая энергия, выносимая вентилятором большой мощности, достигает на большинстве

шахт 3,8-109 кДж, что в 10 раз больше мощности, потребляемой вентилятором. Использование этой энергии, требует технических решений проблемы теплосъема. Приведенные данные свидетельствуют, что возникла необходимость в создании многофункциональных шахтных установок главного проветривания модульной компоновки, предназначенных для выполнения следующих задач: проветривания шахты; реверсирования вентиляционной струи; улавливания из исходящих вентиляционных потоков твердых примесей; съема тепла, отделения обогащенного метаном потока с целью утилизации.

Нами совместно с рядом организаций и фирм разработаны технические решения и функциональные узлы, позволяющие создать многофункциональную вентиляторную установку комплексно решающую стоящие задачи.

Работы по утилизации низкопотенциальной тепловой энергии выполняются рядом институтов и

заводов. Одной из трудных задач в этих работах является создание и размещение теплообменника, предназначенного для съема теплоты, выносимой из шахты вентиляционной струей. Опыт размещения теплообменников в стволе, проверенный на шахте «Октябрьская» ПО «Донецкуголь» (Украина), показал низкую эффективность данного решения, так как элементы теплообменника могут быть расположены только по периферии сечения ствола, где их обтекание воздушной струей весьма ограничено.

Эффективный съем тепла может быть достигнут только в каналах установки главного проветривания, где может быть обеспечено необходимое обтекание воздухом труб с промежуточным теплоносителем. Исследования, проведенные нами совместно с Харьковским институтом «Сантехпроект», показали, что съем тепла с воздушного потока целесообразно осуществлять с помощью водяного теплообменника, так как использование фреона в качестве хладоагента приводит к образованию снежной рубашки и снижению теплообмена. Поэтому теплообменник должен иметь достаточную контактную поверхность, что можно обеспечить при достаточном сечении вентиляционного канала. Таким образом, съем тепла может быть обеспечен либо при соответствующем расчете вентиляционного канала, учитывающем размещение теплообменника, либо за счет совмещения конструкции направляющего аппарата вентилятора и теплообменника.

Целесообразность размещения теплообменника непосредственно перед входом потока в рабочее колесо вентилятора обусловлен также

тем, что температуры воздуха на всосе обеспечивает повышение

к.п.д. вентилятора и в определенной степени компенсирует потери энергии на преодоление сопротивления, создаваемого теплообменником.

Преимуществом приведенного способа утилизации вторичной низкопотенциальной тепловой энергии является то, что в некоторых случаях, например, для подогрева воздуха, подаваемого в шахту, может быть использована схема, не содержащая теплового насоса (рис.1). В соответствии с этой схемой вода, используемая в качестве теплоносителя, подогревается с помощью теплогенератора 1, осуществляющего преобразование электрической энергии в тепловую. Нагретая до расчетной температуры, вода поступает в калориферы 2 и 3 для подогрева подаваемого в шахту воздуха. Охлажденная в калориферах до +10С вода вновь подается для подогрева в теплообменник вентилятора 5 минуя теплообменник 4.

Такая схема не содержит теплового насоса, а вместо котельной установки используется более простая установка - теплогенератор.

Для очистки воздуха от пыли применяются, как правило, циклонные установки различных конструкций, фильтры, мокрые пылеуловители и т.п. В последнее время ряд фирм проводит исследования, разработку и изготовление

аппаратов совмещающих функции проветривания, очистки воздуха и другие функции. Известны канальные вентиляторы АО «МО-ВЕН» (Московский вентиляторный завод), которые выполняют функции проветривания, очистки, подогрева и дезодорирования воздуха. Аналогичные функции выполняют разнообразные промышленные и бытовые кондиционеры. Заложенные в них технические решения могут быть использованы при решении поставленной в настоящей работе задачи. Однако уникальные производительности шахтных вентиляторных установок требуют новых решений. Принципиальная схема модернизированной вентиляторной установки угольной шахты представлена на рис. 2.

Соизмеримые по производительности аппараты созданы в последнее время акционерной компанией «Экорест» ЛТД на основе модульной компоновки. Специалистами компании разработан для этой цели аэродинамический модуль (АДМ), основанный на аэродинамическом принципе разделения многокомпонентных текучих сред. Модульная компоновка обеспечивает монтаж установок с широким диапазоном параметров за счет последовательно-параллельного соединения АДМ. По данным фирмы стоимость установки за счет этого снижается на 20-30%, а эксплуатационные расходы уменьшаются в десятки раз.

Компоновка крупных главных вентиляторных установок, как правило, выполняется на основе центробежных вентиляторов большой производительности. При определенных параметрах такое решение оправдано.

Однако модульная компоновка и в данном случае может оказаться экономически более выгодной, если учесть возможность выбора более рациональных решений при проектировании системы реверсирования вентиляционной струи, а также повышения эффек-

тивности решения поставленных задач.

Наиболее приемлемым принципом решения проблемы очистки воздуха от пыли и метана является центробежное разделение компонентов разной плотности.

Технологические и конструктивные особенности данного принципа проверены на примере газоразделительного сепаратора. Се-парационный узел многофункциональной вентиляторной установки предназначен для отделения твердых примесей и метана из вентиляционного потока. Одновременно он оказывает влияние на создание перепада давления в потоке газовой смеси. Сепарационный узел для центробежных и осевых вентиляторов имеет различную конструкцию. Применительно к осевому вентилятору необходимо изменить конструкцию спрямляющего аппарата.

Для выделения и улавливания метана рассматривается два способа:

♦ первый способ - методом катализа метан выделяется из вентиляционного потока с последующим отделением метана от катализатора и его утилизацией;

♦ второй способ - центробежная или вихревая сепарация.

Осуществление первого способа конструктивно сложно, второй способ конструктивно отработан в двух вариантах.

Практическая реализация предусматривает создание двух типов МВУ: 1-ый тип - для промышленных предприятий; 2-ой тип - для шахт.

Первый тип предназначен для

Рис.1. Схема утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, выносимой вентиляционной струей ша-хаты, основанная на применении воздушно-водяного теплообменника, преобразователя электрической энергии в тепловую и водовоздушного калорифера

расширения области применения изделия, накопления практического опыта для его совершенствования. Второй тип МВУ предназначен для шахтных установок главного проветривания. Экспериментальная установка изготовлена со сменными сборками сепарацион-ного узла и метанообогатительного аппарата. Конструктивно привязка сепарационного узла осуществляется применительно к каждой модели вентилятора. Базовые конструкции центробежных вентиляторов позволяют сепарацион-ный узел компактно расположить в отводящем спиральном диффузоре. Конструктивная схема

многофункционального вентилятора представлена на рис.3.

Экспериментальные исследования проводились на стенде принадлежащем Ц АГИ и АО «МОВЕН» по стандартной методике испытания вентиляторов. Испытания проводились на экспериментальном образце осевого вентилятора, изготовленном на базе серийно выпускаемого заводом «МОВЕН» вентилятора ВО-12-330.

Экспериментальные исследования показали, что потери энергии на улавливание метана незначительны и могут быть компенсированы при эффективном использовании обогащенной метановоздушной смеси. Использование метановоздушной смеси, выделенной из вентиляционного потока с концентрацией 3-3,5%, предусмотрено в газотурбинной установке (ГТУ).

На основе анализа оценки имеющихся на сегодня в мировой и отечественной практике газотурбинных установок можно сказать, что все они при переоснащении камеры сгорания могут работать на концентрациях от 2,5 об.% и выше. В связи с этим нами совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан

экспериментальный образец вынесенной камеры сгорания метановоздушной смеси с концентрацией от 2,5 об.% для получения рабочего тела.

Наиболее подходящими для решения поставленной задачи являются газотурбинные двигатели ГТД-1250, ТВ-117 и ТВ3-117 разработанные НПП им. В.В. Климова. Мощность установок от 350 до 4000 кВт. Энергоустановка типа ГТГ-6 мощностью 6000 кВт, разработана СПБ «Машпроект» г. Николаев (Украина), В настоящее время такая установка проходит модернизацию в России.

На основе разработок созданы и испытаны экспериментальные образцы функциональных узлов, обеспечивающие решение поставленных задач. Получены исходные данные для проектирования многофункциональных вентиляторных установок, а также предложения по модернизации действующих вентиляторных установок. Разработано обоснование по модульной компоновке шахтной вентиляторной установке главного проветривания, обеспечивающей регулирование режима проветривания шахт, экономию электроэнергии, улавливание пыли и метана, выделение и утилизацию пыли, снижению шума.

© Е.А. Ельчанинов