Защита атмосферы от пылегазовых выбросов вентиляции на шахтах

гиона, повышая рентабельность убыточных шахт.

Перепрофилирование убыточных шахт с однопрофильного предприятия на многопрофильное позволяет ликвидировать убыточность, расширить ассортимент продукции, пользующейся рыночным спросом, улучшить экологическую ситуацию в угледобывающих регионах, решить социальную проблему, создать дополнительные рабочие места и сделать шахты в конечном счете конкурентоспособными.

Средства, затрачиваемые на закрытие шахт и последующее поддер-

жание экологически безопасных условий, вызванных закрытием, должны быть направлены на перепрофилирование предприятий, что в экономическом плане значительно выгоднее простого закрытия их во всех аспектах - техническом, экономическом, экологическом и социальном. Пока еще есть возможность приостановить разрушительный процесс, его необходимо остановить и направить всю деятельность на рациональное природопользование.

Ликвидация шахт неизбежно вызовет необходимость замещения угля в энергетическом балансе нефтью и

газом, что невозможно считать экономически оправданным. Кроме того, Россия - страна с холодным климатом, и ответственность за коммунальное теплоснабжение лежит на государственных органах. Частному же производителю угля невыгодно отпускать уголь по ценам ниже мировых, поэтому оплата бытового теплоснабжения при существующем уровне доходов становится непосильной для большинства населения, что вызывает необходимость в бюджетных дотациях.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ельчанинов Евгений Александрович — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

© Е.А. Ельчанинов, И.В. Головко, 2002

УДК 622.8

Е.А. Ельчанинов, И.В. Головко

ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ПЫЛЕГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ВЕНТИЛЯЦИИ НА ШАХТАХ

роблема разделения смеси газов на компоненты представляет интерес для многих отраслей народного хозяйства и, прежде всего, касается угольной промышленности. Здесь отделение метана от метановоздушной вентиляционной струи шахт, как и необходимое повышение концентрации метана в потоке, является насущной необходимостью.

Анализ потенциальных возможностей использования метана, выделяющегося при добыче угля показал, что при всей актуальности данного вопроса и остроте энергетических проблем коэффициент использования метана не растет, при извлечении дегазационными системами порядка 450-480 млн м3/год используется лишь 8-10 %. В то же время интен-

сивность его выделения из недр повышается в связи с увеличением глубины залегания разрабатываемых угольных пластов и решение задач дегазации становится все более сложным и трудоемким. В связи с этим только в отдельных благоприятных условиях удается получить на выходе дегазационной сети метановоздушную смесь с концентрацией метана, достаточно удаленной от взрывоопасной.

Поэтому наиболее актуальной задачей в проблеме использования шахтного метана является обогащение метановоздушной смеси, после чего он может быть использован в котельных, энергетических установках, а также для получения автомобильного топлива.

Одной из задач, стоящих перед

П метанообогатительными установками, является исключение возможности образования в каком-либо звене технологической цепи взрывоопасной концентрации метана. Для решения этой задачи необходимы специальные технические методы, в частности применение комбинации различных способов разделения газов, например, конверсионного в комплексе с низкотемпературным, мембранно-

сепарацион-ного и т.д.

Для решения поставленных задач нами рассмотрены следующие принципы разделения газов: мембранный; вихревой; сепарационный; конверсионный; низкотемпературный.

Мембранный метод разделения газов широко применяется в различных отраслях промышленности, так как отличается простотой и надежностью, экономичностью, легкостью варьирования масштаба производства. Удельные капиталовложения при создании мембранных газоразделительных установок сравнительно невелики, а срок окупаемости их незначителен.

Активно работающими поставщи-

ками мембранных установок для очистки газовых примесей от кислых компонентов являются фирмы «Монсанто», «Дау Кемикл», «Эир Про-дактс» (США).

Необходимо отметить, что во многих случаях мембранным методам разделения газовых смесей нельзя отдать предпочтение. Это связано, с одной стороны, с низкой производительностью и селективностью существующих мембран, а с другой - с высоким уровнем других современных методов разделения. Однако комбинирование мембранных и традиционных методов во многих случаях позволяет создавать экономически эффективные процессы газоразделения. С практической точки зрения, именно такой подход к использованию мембранной технологии может оказаться наиболее плодотворным в ближайшие годы.

Мембранный принцип для широкого применения в шахтных условиях неприемлем, т.к. его производительность ограничена объемом исходной метановоздушной смеси в пределах 50-75 м3/с.

Сепарационный принцип широко используется в различных отраслях промышленности, но он не может быть использован при концентрациях метана в исходной метановоздушной смеси 0,3-1,0 % и 15-25 %. Следовательно его область применения в угольной промышленности ограничена нижним пределом концентрации СН4 25 %.

Известный способ отделения метана от потока метановоздушной смеси с помощью вихревой трубы отличается большой энергоемкостью и громоздкостью. Это даже в перспективе ограничивает возможность применения этого способа в условиях угольных шахт.

Для угольных шахт наиболее приемлемым является вихревой газоразделительный агрегат. На рисунке показан общий вид вихревого газоразделительного агрегата.

Основные характеристики агрегата:

- производительность по исходному

продукту, м3/ мин 110;

- давление, создаваемое вентилятором, Па 2380;

- потребляемая мощность, кВт

5,5;

- концентрация метана в исходной

смеси, об % 0,2-5; 17-50;

- повышение концентрации метана (в

зависимости от режима работы и габаритов установки), раз

2-4;

- выход обогащенного газа, м 3/с

Регулируемый.

Технология поворотно-вихревого разделения газового потока, предназначена для обогащения метаном с целью утилизации метановоздушных смесей, поступающих из вентиляционных систем угольных шахт, а также для разделения других газов, отличающихся по плотности, в различных технологиях (с целью защиты окружающей среды и т.д.), в том числе для очистки промышленных газов, очистки дыма топливно-

энергетических систем и т.п.

Газоразделительный агрегат относится к области оздоровления окружающей среды (экологии), конкретно к области разделения и очистки газовых сред. Он может быть применен прежде всего для отделения метана и пыли от воздуха при вентиляции угольных шахт, а также для отделения от воздуха других вредных газов, выбрасываемых различными производствами.

Область применения распространяется на вентиляционные системы шахт с содержанием СН4 от 0,2 % и выше с объемами метановоздушных смесей от 150-300 м3/с и более, а также промышленные газы химического производства, промышленные дымовые системы и т.д., выбрасываемые в атмосферу в больших объемах.

Одной из частных задач, связанных с транспортированием обогащенной метановоздушной смеси, является ее предварительное сжатие до давления, необходимого для движения по газопроводу от газоразделительных аппаратов. Осуществлять этот процесс с помощью компрессора невозможно, так как из дегазационной сети смесь поступает с концентрацией метана, весьма близкой к взрывоопасной. Поэтому для этой цели необходима разработка специального оборудования.

Утилизация метановоздушной смеси, обогащенной, а также поступающей из дегазационной сети в кондиционном составе, предусматривается путем сжигания в специ-

Обогащенный

ально оборудованных топках котлов

- для получения теплоты; в камерах сгорания газовых турбин - для выработки электроэнергии и теплоты; в газодизелях - для получения электроэнергии и теплоты; в малой химии - для получения различных химических продуктов, таких как октамикс, ацетилен, техническая сажа, метанол, моторное топливо и др.

Газоразделительный агрегат не имеет близкого аналога и прототипа. Весьма отдаленным аналогом, как выше указывалось, является применяемая при разделении газов вихревая труба, в которую смесь газов подают под давлением в несколько атмосфер в виде тангенциально направленной струи. Закрученный поток по периферийной поверхности трубы перемещают к противоположному концу и выпускают через проходы в ее торце.

Задачей в данных условиях является более эффективное разделение смесей газов на составные фракции, имеющие различный удельный вес, с целью очищения шахтного воздуха, выбрасываемого в окружающую воздушную среду от вредных примесей. При решении этой задачи, газоразделительный агрегат с резко увеличенной производительностью в сравнении с вихревой трубой исключает применение компрессоров для нагнетания смеси, так как компрессоры заменяются вентиляторами, что позволяет уменьшить энергетические затраты ввиду резкого снижения давления нагнетания смеси.

Установка приводится в действие вентилятором Ц14-46 № 2,5, работающим на нагнетание и в свою очередь приводимым в движение асинхронным двигателем ти-

па АИМ 100 (2880 об/мин) через муфту.

Способ разделения состоит в том, что поток смеси газов, предварительно закрученный вокруг оси вращения, затем центростремительной силой перемещенный к оси вращения с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения, одновременно повернут вокруг центра поворота до перехода радиального движения в осевое, после чего разделенный на части поворачивается в противоположную сторону и удаляется от оси вращения до частичного или полного сжатия за счет инерции потока. Газоразделительный агрегат включается в работу как только вентилятор начинает подавать смесь газов из

шахты (из дымовых труб и т.д.) в емкость. Из последней газ течет через направляющий аппарат и закрученный в нем поступает в разгонную камеру. Двигаясь в разгонной камере и одновременно поворачиваясь в ней, поток приближается к центру вращения, а потому разгоняется и расширяется. В разгонной камере совершается процесс разделения смеси на фракции. Это разделение происходит потому, что более легкие фракции газа имеют большую скорость, чем молекулы тяжелой фракции.

Разделение метановоздушных струй шахт на компоненты, или обогащение метаном одной части потока струи за счет другой его части, является насущной необхо-

димостью угледобывающей промышленности.

Проблема обогащения метановоздушной смеси за счет концентрации метана в зоне оси вращения пространственно движущегося вихря представляет большой практический интерес для газовых шахт отрасли. Основное преимущество такого решения - это возможность разделения смеси газа на компоненты только за счет энергии вентиляционной струи без громоздкого и энергоемкого привода. Кроме того, такой способ обогащения метаном части воздушного потека позволяет создать компактные установки газоразделительных агрегатов, пропускающих до 300 м3/с и более метановоздушного потока каждый.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ельчанинов Евгений Александрович — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Головко И.В. — Московский государственный горный университет.