Использование тепловой энергии исходящей воздушной струи рудников

Г.С. Мишнева, Ю.А. Клюкин, Д.А. Бородавкин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИСХОДЯЩЕЙ ВОЗДУШНОЙ СТРУИ РУДНИКОВ

Использование возобновляемых источников энергии является приоритетной задачей теплоэнергетики РФ. Современная тенденция увеличения глубины ведения горных работ сопровождается увеличением естественной температуры горных пород и, как следствие, к росту теплопоступлений в рудничную атмосферу. Вентиляционная струя после прохождения по всем горным выработкам может нести в себе значительное количество низкопотенциальной тепловой энергии, которое после проветривания горных работ выбрасывается в атмосферу. Использование энергетического потенциала вентиляционной струи рудников в зависимости от схемы проветривания, естественной температуры горных пород и отдаленности горнодобывающего предприятия от промышленной инфраструктуры может иметь различные показатели экономической эффективности и экологического эффекта. Рассмотрена технологическая схема использования тепловой энергии вентиляционной струи, исходящей из рудника, приведены результаты экономической и экологической оценки целесообразности использования данной технологической схемы для частичного обеспечения потребностей горнодобывающего предприятия в тепловой энергии. Приводится зависимость окупаемости затрат на использование низкопотенциальных источников тепловой энергии от температуры исходящей вентиляционной струи.

Ключевые слова: энергосбережение, низкопотенциальная энергия, экономическая эффективность, вредные выбросы, экологическая обстановка, теплоснабжение, рудничная вентиляция, главная вентиляторная установка, вентиляционный канал, обогатительная фабрика, тепловой насос, термодинамический расчет.

Введение

В современных системах утилизации тепловой энергии наиболее широкое распространение получили рекуперативные теплоутилизаторы [1, 2, 3, 4], одним из вариантов таких систем является тепловой насос [3, 4, 5]. По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения тепловыми насосами составит 75% [5]. Столь высокие прогнозы

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 295-304. © 2016. Г.С. Мишнева, Ю.А. Клюкин, Д.А. Бородавкин.

обуславливаются активным ростом областей применения тепловых насосов. В России количество систем, использующих низкопотенциальные источники тепловой энергии в настоящее время находится на начальной стадии развития. Показатели произведенной энергии и установленной мощности оборудования представлены на рис. 1 [6].

В настоящее время Министерством РФ принята программа развития нетрадиционной энергетики, в том числе 30 крупных проектов использования теплонасосных установок [5].

Предприятия горнодобывающего комплекса требуют значительных энергозатрат на технологические нужды добычного и обогатительного производственных циклов, поэтому вклад данной отрасли промышленности в общее повышение энергетической эффективности может являться наиболее значительным. Повышение энергоэффективности горнодобывающих предприятий является одной из приоритетных задач промышленности РФ. Использование возобновляемых источников энергии позволяет решить комплекс проблем: энергетических, экологических и экономических. В горнодобывающей промышленности таким источником могут являться горные породы, имеющие естественную температуру, существенно возрастающую с глубиной ведения горных работ. Промежуточным теплоносителем, получающим и транспортирующим тепловую энергию к месту ее потенциального использования, в данной системе может выступать вентиляционная струя, исходящая из рудника.

1 10 100 1000 10000 юоооо

1  Произведенная энергия, ТДж/год 2  Установленная мощность оборудования, МВт

Рис. 1. Мировой уровень использования тепловых насосов

В данной статье проводится оценка целесообразности использования низкопотенциальной тепловой энергии, содержащейся в вентиляционной струе, исходящей из рудника. Вырабатываемая такой системой тепловая энергия может быть использована для подогрева технологической воды, поступающей на нужды обогатительной фабрики. Данное решение позволит снизить теплогенерирующие мощности и, как следствие, сократить объем промышленных выбросов в атмосферу.

Определение рабочих характеристик теплового насоса

При всасывающем способе проветривания выдача всего воздуха, участвующего в проветривании горных работ, производится по одному или нескольким вентиляционным стволам, что позволяет разместить систему утилизации тепловой энергии на дневной поверхности на участке с максимальным расходом воздуха (более 200 м3/с) — канале главной вентиляторной установки (ГВУ), что потенциально может обеспечить существенную теплопроизводительность установки.

Температура и влажность воздуха в канале ГВУ определяют располагаемую тепловую мощность системы для дальнейшего использования и существенно варьируются в зависимости климатического района, типа месторождения, глубины ведения горных работ и времени года. Теплотехнические параметры низкопотенциального источника энергии (рудничного воздуха) могут определяться по результатам натурных замеров и данных воздушно-депрессионной съемки или, для строящихся рудников, в результате моделирования тепломассообменных процессов, протекающих в рудничной атмосфере, в аналитическом комплексе «АэроСеть» [7]. Как показывают проведенные исследования [8, 9], адиабатическое расширение воздуха в процессе движения снизу вверх по вентиляционному стволу является фактором, существенно снижающим температуру исходящей струи воздуха относительно естественной температуры пород на глубине ведения горных работ. Зависимость температуры воздуха от координаты по пути движения по вентиляционному стволу рудника Гремячинского месторождения глубиной более 1000 м представлена на рис. 2. Данный фактор необходимо учитывать при определении исходных данных для проектирования системы утилизации тепловой энергии.

Температура и влажность воздуха в вентиляционном канале ГВУ при всасывающем способе проветривания также в существенной степени зависят от количества атмосферного воз-

Смещение вдоль выработал., м

Рис. 2. Результаты расчета температуры воздуха в вентиляционном стволе от координаты по пути движения

духа, поступающего в канал через неплотности надшахтного здания вентиляционного ствола. Для действующих рудников данная величина может составлять до 50% от расхода воздуха в вентиляционном канале [10], для вновь проектируемых — 10— 20%. Использование низкопотенциальной тепловой энергии вентиляционной струи наиболее целесообразно в холодный период года, поэтому снижение температуры в канале ГВУ за счет подсосов холодного воздуха также необходимо учитывать при определении исходных данных для проектирования системы утилизации тепловой энергии. Снижение температуры воздуха в вентиляционном канале рудника Гремячинского месторождения в холодный период года за счет подсосов холодного воздуха происходит с 22 до 16,2 °С.

Технология получения готовой продукции горно-обогатительного комбината предусматривает промывку калийных солей от глинистого шлама с последующим получением технически ценного продукта. Использование низкопотенциальной тепловой энергии возможно для частичного обеспечения потребности обогатительной фабрики в тепловой энергии для первичного подогрева технологической воды. В условиях невысоких температур исходящей вентиляционной струи наиболее целесообразно использование теплового насоса, позволяющего более полно использовать потенциал располагаемой тепловой энергии. Для определения основных показателей и подбора компонентов теплового насоса на основании методики, представленной в [5], производится термодинамический расчет параметров работы теплового насоса для теплого и хо-

Таблица 1

Термодинамический расчет парокомпрессионного теплового насоса

Параметр Размерность Зимний период Летний период

Температура испарения фреона °С 0

Энтальпия фреона после испарителя кДж/кг 397

Давление фреона в испарителе МПа 0,293

Температура конденсации фреона °С 55

Энтальпия фреона после конденсатора кДж/кг 279

Давление конденсации фреона МПа 1,6

Энтальпия фреона после адиабатного сжатия кДж/кг 431

Адиабатный КПД компрессора - 0,74 0,9

Энтальпия фреона после компрессора кДж/кг 442,9 434,8

Энтальпия фреона перед испарителем кДж/кг 279

Удельная тепловая нагрузка испарителя кДж/кг 118

Удельная тепловая нагрузка конденсатора кДж/кг 163,9 155,8

Удельная тепловая нагрузка теплового насоса кДж/кг 163,9 155,8

Работа сжатия в компрессоре кДж/кг 45,9 37,8

Коэффициент сжатия - 5,46 5,46

Коэффициент преобразования теплоты - 3,57 4,12

Коэффициент преобразования электроэнергии - 2,71 3,13

Удельный расход первичной энергии кДж/кг 0,97 0,84

Средняя температура низкопотенциального теплоносителя °С 9,54 11,68

Средняя температура высокопотенциального теплоносителя в конденсаторе °С 19,56 19,56

лодного периодов года. Результаты термодинамического расчета парокомпрессионного теплового насоса сведены в табл. 1.

При расходе воздуха в канале главной вентиляторной установки порядка 580 м3/с выработка тепловой энергии тепловым насосом составляет порядка 1 МВт.

Экономическая оценка эффективности применения теплового насоса производится по приведенным затратам в сравнении с вариантом использования тепловой энергии котельной по методике [11]. Расчеты выполнены с учетом трехсменного круглогодичного режима работы предприятия.

Согласно проведенным расчетам, использование теплового насоса оправдано с экономической точки зрения при температуре воздуха в вентиляционном канале главной вентиляторной установки не ниже 30 °С. В условиях рудника Гремячинского месторождения использование теплового насоса для утилизации тепловой энергии вентиляционной струи экономически неэффективно.

Оценка экологического аспекта применения теплового насоса выполнена в сравнении с вариантом выработки тепловой энергии на угольной котельной. В соответствии с [12] выполнены расчеты выбросов в атмосферу вредных веществ, содержащихся в дымовых газах, образующихся при сжигании угля в котельной: CO, NO2, SO2 и твердых частиц.

Валовый выброс твердых частиц в дымовых газах, т/год:

Mm = A -m -%-\l - —

где A — зольность топлива, в%; m — количество израсходованного топлива в год, т; х — безразмерный коэффициент, характеризующий долю уносимой с дымовыми газами летучей золы, зависит от типа топки и топлива; пт — эффективность золоуловителей, %.

Валовый выброс оксида углерода, т/год

Mco = Cco  m -| l - |-10-3

co co ^ 100)

где q4 — потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания, в %; m — количество израсходованного топлива в год, т; Ссо — выход оксида углерода при сжигании топлива, кг/т.

Валовый выброс оксидов азота в пересчете на диоксид азота, т/год 3 MNOi = Q . m . KNOi-(1 -p). 10-3

где KNO — параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на один ГДж тепла; Qk — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; р — коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов оксидов азота в результате применения технических решений.

Таблица 2

Выбросы вредных веществ в атмосферу при сжигании угля в котельной

Ед. измерений Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу

СО N0, твердые вещества

т/год 20,4 33,1 6,7 18,3

г/с 1,3 2,1 0,4 1,2

Валовый выброс оксидов серы в пересчете на диоксид серы, т/год

Мо = 0,02 • т • 5-

где S - содержание серы в топливе, %;п'80з - доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива; г|"802 - доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе.

Количество тепловой энергии, произведенной тепловым насосом, в годовом эквиваленте соответствует величине 1070 т.у.т. Результаты расчета выбросов в атмосферу при сжигании угля приведены в табл. 2.

На основании выполненных расчетов можно сделать вывод о том, что снижение выработки тепловой энергии в котельной за счет применения теплового насоса для первичного подогрева технологической воды ведет к существенному снижению валового количества выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.

Заключение

Применение низкопотенциальной тепловой энергии исходящей вентиляционной струи с применением теплового насоса возможно для первичного подогрева технологической воды обогатительной фабрики горно-обогатительного комбината.

При расчете исходных параметров воздуха для проектирования теплового насоса, использующего тепловую энергию исходящей из рудника вентиляционной струи, необходимо учитывать адиабатическое охлаждение воздуха при движении по вентиляционному стволу. При значительной глубине рудника температура воздуха может быть существенно ниже естественной температуры пород на глубине ведения горных работ.

Поступление воздуха через неплотности надшахтного здания в вентиляционный канал ГВУ существенно влияет на температуру воздуха в месте установки теплообменного оборудова-

ния теплового насоса. При проектировании теплового насоса, расположенного в вентиляционном канале ГВУ действующего рудника, необходимо учитывать фактические поверхностные утечки по данным ВДС, принимая температуру подсосов воздуха для расчета температуры смеси равной расчетной температуре холодного периода года.

Использование теплового насоса в канале главной вентиляторной установки для утилизации тепловой энергии исходящей вентиляционной струи с температурой менее 30 °C не является экономически оправданным. Экологический аспект применения теплового насоса характеризуется следующими величинами — при расходе воздуха в канале ГВУ порядка 580 м3/с применение систем утилизации тепловой энергии позволяет снизить производство тепловой энергии в котельной на величину порядка 1 МВт и ведет к снижению ежегодного валового количества выбросов в атмосферу CO на 33,1 т и твердых частиц на 18,3 т.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Губина И. А., Горшков А. С. Энергосбережение в зданиях при утилизации тепла вытяжного воздуха // Строительство уникальных зданий и сооружений. - 2015. - № 4 (31). - С. 209-219.

2. Миронов Е. Б., Шишарина А. Н. Анализ приточно-вытяжных установок с рекуперацией тепла // Вестник НГИЭИ. - 2014. - № 12(43). -C. 58-64.

3. Воздушное отопление и кондиционирование. Использование воздушных тепловых насосов // Тепловые насосы. - 2014. - № 6 (15). -C. 25-29.

4. Исследование и разработка систем энергоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии. Объединенный институт высоких температур РАН. - М., 2007.

5. Трубаев П. А. Тепловые насосы: Учебное пособие для магистров. -Белгород,2009. - 142 с.

6. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs // International course of geothermal heat pumps, 2002.

7. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Гришин Е. Л. Моделирование нестационарных процессов движения воздуха и переноса тепла и примесей по выработкам рудничных вентиляционных сетей в программном комплексе «АэроСеть» // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. - 2010. - № 2. - С. 64-69.

8. Левин Л.Ю., Семин М. А., Зайцев А.В. Разработка математических методов прогнозирования микроклиматических условий в сети горных выработок произвольной топологии // Физико-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых - 2014. -№ 2. - С. 154-161.

9. KazakovB. P., ShalimovA. V., SeminM. A. Stability of natural ventilation mode after main fan shutdown // International Journal of Heat and Mass Transfer - 2015. - Vol. 86. - pp. 288-293.

10. Левин Л.Ю., Семин М. А., Клюкин Ю. А. Экспериментальное исследование изменения воздухораспределения на калийных рудниках при реверсировании главной вентиляторной установки // Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2015. - № 17. -С. 89-97.

11. Белоглазова Т. Н. Прикладное использование практической методики экономической оценки вариантов технических решений. -Пермь, 2016. - 22 с.

12. Бондалетова Л. И., Новиков В. Т., Алексеев Н. А. Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлоагрегатах котельных. Методическое пособие. - Томск, 2000. - 39 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Мишнева Галина Степановна - доцент, e-mail: Mishneva.Galina1941@yandex.ru, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Клюкин Юрий Андреевич1 - инженер, e-mail: aeroyuri@mail.ru, Бородавкин Дмитрий Алексеевич1 - техник, e-mail: dimaborodavkin@rambler.ru, 1 Горный институт Уральского отделения РАН.

UDC 622.4

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 295-304.

G.S. Mishneva, Yu.A. Klyukin, D.A. Borodavkin

USE OF HEAT ENERGY OF RETURN VENTILATION AIR IN UNDERGROUND MINES

The use of renewable sources of energy is the high priority objective of the heat-power engineering in the Russian Federation. Currently, the deeper level mining is faced with the increased natural temperature of rocks and, as a consequence, with the higher heat input in underground mine air. Ventilation air, having flown through all underground excavations, may contain much low-grade heat energy, which is ejected in the atmosphere. The use of the energy potential of return ventilation air of underground mines may yield different economic and environmental efficiency depending on ventilation network, natural temperature of rocks and distance between a mine and industrial infrastructure. This article considers a process flow diagram of using heat energy of return ventilation are in a mine and reports data of economical and environmental evaluation of expediency of applying this process flow diagram to partial heat energy supply in a mine. It is shown how payback of low-potential heat energy sources is related with the return ventilation air temperature.

Key words: energy saving, low-potential energy, economic efficiency, toxic emission, ecological situation, heat supply, mine ventilation, main mine fan, air duct, processing plant, heat pump unit, thermodynamic calculation.

AUTHORS Mishneva G.S., Assistant Professor, e-mail: Mishneva.Galina1941@yandex.ru, Perm National Research Polytechnic University, 614990, Perm, Russia, Klyukin Yu.A.1, Engineer, e-mail: aeroyuri@mail.ru, Borodavkin D.A.1, Technician, e-mail: dimaborodavkin@rambler.ru,

1 Mining Institute of Ural Branch of Russian Academy of Sciences, 614007, Perm, Russia.

REFERENCES

1. Gubina I. A., Gorshkov A. S. Stroitel'stvo unikal'nykh zdaniy i sooruzheniy. 2015, no 4 (31), pp. 209-219.

2. Mironov E. B., Shisharina A. N. VestnikNGIEI. 2014, no 12(43), pp. 58-64.

3. Teplovye nasosy. 2014, no 6 (15), pp. 25-29.

4. Issledovanie i razrabotka sistem energosnabzheniya s ispol'zovaniem vozobnovlyae-mykh istochnikov energii. Ob"edinennyy institut vysokikh temperatur RAN (Study and design of power services using renewable sources of energy. Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences), Moscow, 2007.

5. Trubaev P. A. Teplovye nasosy: Uchebnoe posobie dlya magistrov (THeat power units: Master's education guidance), Belgorod, 2009, 142 p.

6. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International course of geothermal heat pumps, 2002.

7. Kazakov B. P., Shalimov A. V., Grishin E. L. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2010, no 2, pp. 64-69.

8. Levin L. Yu., Semin M. A., Zaytsev A. V. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh. 2014, no 2, pp. 154-161.

9. Kazakov B. P., Shalimov A. V., Semin M. A. Stability of natural ventilation mode after main fan shutdown. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 86. pp. 288-293.

10. Levin L. Yu., Semin M. A., Klyukin Yu. A. Vestnik permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Geologiya. Neftegazovoe i gornoe delo. 2015, no 17, pp. 89-97.

11. Beloglazova T. N. Prikladnoe ispol'zovanie prakticheskoy metodiki ekonomicheskoy otsenki variantov tekhnicheskikh resheniy (Application of economic appraisal procedure for alternate engineering solutions), Perm, 2016. 22 p.

12. Bondaletova L. I., Novikov V. T., Alekseev N. A. Raschet vybrosovzagryaznyayush-chikh veshchestv pri szhiganii topliva v kotloagregatakh kotel'nykh. Metodicheskoe posobie (Calculation of toxic emission of fuel combustion in boiler units. Instructional guidelines), Tomsk, 2000, 39 p.