Способы использования геотермальной энергии для нужд горнодобывающего предприятия
1. Проветривание горных выработок с использованием геотермальной энергии
В настоящее время для проветривания горных выработок шахт используют осевые и центробежные вентиляторы с мощным электрическим приводом. Для их круглосуточной работы затрачивается значительное количество электроэнергии, которая является существенной составляющей себестоимости добываемого угля. В ДонНТУ предложен способ проветривания шахт за счет использования геотермальной энергии, вследствие чего уменьшается расход используемой для работы вентиляционных установок электроэнергии, получаемой из ископаемых видов горючего, которые относятся к невосполнимым и исчерпывающимся видам энергоносителей. Таким образом появляется возможность не только снизить себестоимость добываемого угля, но и значительно улучшить экологическую обстановку в угледобывающих регионах.
Существующие способы проветривания шахт предусматривают подачу в воздухоподающий ствол воздуха с поверхности и регулирование его расхода в сети горных выработок шахты. После проветривания забоев, производят выдачу воздуха на поверхность через вентиляционный ствол за счет депрессии, развиваемой вентилятором главного проветривания.
Температурный режим в горных выработках следующий. В холодное время года, воизбежание обмерзания устья ствола нагревают поступающий в шахту воздух до температуры не менее +2°С (275К). При движении по сети выработок воздух нагревается за счет теплоты горных пород до температуры около 25°С (298К), что приводит к уменьшению его плотности. Температурный барьер 25°С обусловлен требованиями «Правил безопасности в угольных шахтах», в соответствии с которыми, это является эргономическим ограничением на рабочих местах в подземных условиях. В результате нагревания плотность выдаваемого из шахты воздуха становится меньше плотности подаваемого в холодный период года в шахту воздуха. Разница в плотности обеспечивает дополнительную тягу и позволяет зимой несколько уменьшать подачу и, соответственно, энергопотребление вентилятора главного проветривания шахты. Но такое проветривание требует высокой стоимости проветривания шахты и негативно воздействует на экологическую обстановку из-за использования для работы вентиляционных установок энергии, получаемой из ископаемых видов горючего, которые относятся к невосполнимым и исчерпывающимся видам энергоносителей. В теплое время года подаваемый в шахту воздух несколько охлаждается в воздухоподающем стволе, отдавая тепло остывшим в холодное время года горным породам. За счет охлаждения плотность воздуха несколько увеличивается. По мере движения по горным выработкам он вновь нагревается до температуры +25°С или несколько меньшей.
Физический смысл предлагаемого способа проветривания шахты состоит в использовании теплоты породного массива для обеспечения энергоемкого процесса нагревания исходящего из шахты воздуха и уменьшения его плотности. В основу способа поставлена задача усовершенствования вентиляции шахты, путем введения конструктивных признаков обеспечивающих повышение эффективности проветривания горных выработок за счет увеличения депрессии между воздухоподающим и вентиляционным стволами, снижения затрат на проветривание горных выработок и негативного воздействия на окружающую среду путем сокращения электроэнергии, получаемой из невосполнимых и исчерпывающихся видов энергоносителей.
Предложенный способ проветривания шахты (рис.4.1а) предусматривает подачу в воздухоподающий ствол воздуха с поверхности и нагревание его в устье ствола до температуры не менее 2°С, подачу воздуха по сети горных выработок шахты, выдачу воздуха на поверхность через вентиляционный ствол.
 а)
|
 б)
|
Рис. 4.1. Схемы проветривания шахты с использованием геотермальной энергии (а) и теплообмена воздуха в выработанном пространстве (б): 1,2 - шахтные стволы, соответственно, воздухоподающий и вентиляционный; 3,8– квершлаги, соответственно вентиляционный и воздухоподающий; 4 – вихревая труба; 5,12,10 – выработки, соответственно, главная и участковая воздухоотводящие и участковая воздухоподающая; 6 – трубопровод охлажденного воздуха; 7 – вентиляционная перемычка; 9 – геотермальный теплообменник (заштрихованная часть рисунка); 11 – каналы, пройденные в выработанном пространстве на расстоянии 50...70 м друг от друга.
Отличие от известных способов состоит в том, что, воздух из воздухоподводящей выработки, направляют в воздухоотводящую выработку через каналы (рис. 4.1б), созданные после выемки полезного ископаемого в выработанном пространстве. Совокупность выработок и каналов образует геотермальный теплообменник, в котором теплота недр в режиме динамического равновесия передается движущемуся по каналам воздуху. Чтобы исключить взаимное влияние каналов на теплообменные процессы, расстояние между ними должно быть не менее 50…70 м. На современных глубоких шахтах температура породной толщи составляет 35…500С и более. В результате нагревания плотность воздуха становится существенно меньше, чем была в воздухоподающем стволе.
После того как воздух нагревается до температуры горного массива, он подается в обособленный тракт, куда закрыт доступ горнорабочих при нормальном режиме работы шахты. В этих выработках возможно нахождение людей только в средствах индивидуальной защиты организма от теплового воздействия или после охлаждения стенок холодным воздухом.
После этого воздух может быть направлен в вихревую трубу, где разделяют молекулы воздуха, имеющие минимальную и максимальную энергию, из которой поток холодного воздуха может быть направлен для кондиционирования атмосферы на рабочие места, а горячего - к вентиляционному стволу. Благодаря наличию в вентиляционном стволе газового потока с повышенной температурой и минимальной плотностью, по сравнению с воздухоподающим, образуется тепловая депрессия, т.е. разность напоров воздуха. Более плотная, а следовательно тяжелая среда в воздухоподающем стволе выдавливает менее плотную (более легкую) из вентиляционного, что определяет достижение полезного технического эффекта.
Экологический эффект от использования геотермальной энергии складывается из двух составляющих, во-первых сокращается расходование невосполнимых энергетических ресурсов, таких как уголь, природный газ, мазут и т.п., во-вторых снижаются экологические платежи.
Результаты расчетов показывают, что если оборудовать на шахте «Октябрьский рудник» два геотермальных теплообменника, то можно отказаться от использования вентиляторов главного проветривания и тем самым сократить затрат электроэнергии на проветривание шахты не менее чем на 4,7 млн. грн. в год. За счет использования геотермальной энергии для нагревания воздуха существенным образом снижается расход природного газа или угля, что обеспечивает экологический эффект от использования способа. Применение данного способа проветривания горных выработок шахты следует считать целесообразным и экологически эффективным.
2. Использование теплого воздуха, как дутье для шахтных котелень
Активное развитие промышленности последних десятилетий поставили перед мировой общественностью много важных и актуальных вопросов касающихся, в том числе, и будущего развития энергетики. Ведь энергетические ресурсы – ограниченны, а потребности людей – безграничны, поэтому особо актуальными становятся вопросы энергосбережения и использования нетрадиционных источников энергии.
Украина переживает энергетический кризис, связанный с зависимостью от импорта энергоносителей (нефти, газа), страна удовлетворяет свои потребности в энергоресурсах за счет собственных запасов менее чем на 50%. С учётом этого возникают немаловажные вопросы: насколько эффективно мы используем энергию; надо ли нам ее так много; возможно ли, не повышая уровня производства энергии (или повышая его незначительно), существенно повысить эффективность ее использования и тем самым повысить уровень развития и благосостояния общества; возможно ли снизить воздействие на окружающую среду, используя новые, более чистые, технологии и способы получения энергии и продуктов?
Опыт развития мирового сообщества последних двух-трех десятилетий свидетельствует, что внаших силах найти положительные ответы на эти вопросы.
По данным ООН, экологи которой, проанализировав пробы воздуха, взятые по всей Украине, посчитали, что на одного украинца приходится 120 килограммов вредных выбросов в год. Две трети всех вредных выбросов приходится на Восточную Украину, где допустимые нормы загрязнения атмосферного воздуха превышены в девять раз. Самый значительный вклад в ухудшение экологии Украины вносит Донбасс. Плотность выбросов пыли и газов в этом районе в шесть раз больше, чем в среднем по Украине. Преобладающие вредные вещества – оксид углерода, сернистый ангидрид, пыль и лёгкие органические соединения.
Источником такого масштабного загрязнения воздуха являются предприятия энергетики, теплоэлектроцентрали, тот факт, что предприятия малой энергетики слабо оснащены системами очистки пылегазовых выбросов. Мелкие котельные, промышленные и отопительные печи размещаются в зонах с высокой концентрацией населения, и при отсутствии технических средств для полного сжигания топлива, тем самым наносят огромный вред экологии Украины и, своим не рациональным расходованием энергоресурсов, энергетической стабильности страны.
В связи с тем, что вентиляционный поток проходит по горным выработкам, он содержит шахтный газ – метан, в процентном соотношении до 0,75% к общему количеству воздуха. Что не противоречит нормам концентрации для предела взрываемости смеси горючих газов, в соответствии с которыми: Ссн4 = 4 - 6% - нижний предел горючести; Ссн4 = 9,5% - взрыв максимальной мощности.
Кроме того шахтный воздух содержит, так называемую, респирабельную угольную пыль фракции менее 10 мкм, которая образуется при горных работах, а также из-за самодиспергации более крупных частиц наночастицы которой не удерживают никакие фильтры.
Рассмотрим возможность утилизации, повторного использования отработанного шахтного воздуха для нужд шахтной котельной, расположенной в непосредственной близости от вентиляционного ствола. Шахтная котельная является неотъемлемой и важной частью предприятия для добычи угля, ведь она не только создаёт комфортные условные для работы административно-бытового комбината, но и круглосуточно снабжает шахтные сушилки паром, душевые – горячей водой, а в зимнее время производимый ею пар используется для обогрева шахтного ствола и исключения его промерзания.
Наиболее эффективным представляется использование шахтных геотермальных теплообменников, в которых происходит нагрев воздуха до температуры горного массива (30…500С) и выдача него по обособленному каналу (рис.4.2).
Рис. 4.2. Схема подготовки воздуха для использования в шахтной котельной: 1 - воздухоподающий ствол, 2- выработки-теплообменники; 3 – вентиляционный ствол; 4 – дополнительный вентилятор; 5 - теплоизолированный трубопровод; 6 – агрегаты котельной; 7 – дымовая труба
Горячий воздух по теплоизолированному трубопроводу направляют к агрегатам котельной для предварительного подогрева циркулирующей в системе воды, а также в качестве дутья в топку.
Для сокращения расходов на топливные ресурсы можно рассматривать следующие вариант применения шахтного воздуха, в условиях нестабильной ценовой политики, как на мировом, так и украинском энергетическом рынке:
а) подогревать питательную воду перед её подачей в систему теплоснабжения, а также всю воду, используемую для горячего водоснабжения;
б) использовать тёплый шахтный воздух для интенсификации горения топлива, непосредственно в топке котла;
в) экономить горючее, за счёт содержащихся в шахтном воздухе метана и угольной пыли.
Для осуществления данных энергосберегающих мероприятий необходимо провести следующие работы:
1. монтаж теплоизолированного воздуховода от шахтного вентиляционного ствола до котельной;
2. выбор и установка теплообменника, в котором отработанный шахтный воздух подогревает воду, идущую на подпитку системы отопления и горячее водоснабжение;
3. обеспечение доступа шахтного воздуха непосредственно к горелкам котлов.
3. Использование геотермальной энергии при роботе энергоблоков комплексов «шахта-теплоэлектростанция»
Одним из возможных вариантов использования получаемой при работе ШГТ энергии в промышленных масштабах является перспективная вертикально-интегрированная конструкция «шахта-электростанция». Обладающая рядом технических, организационных и экономических достоинств, схематично она представляет территориально и организационно совмещенные горнодобывающее и энергогенерирующее предприятия. Таким образом, использование получаемой в ШГТ геотермальной энергии создает дополнительные преимущества для комплекса «шахта-теплоэлектростанция». Как показано в предшествующем разделе, тепловую энергию для ТЭЦ можно использовать для предварительного подогрева подпитывающей агрегаты воды и сжигания горючего в топках. Для шахты – существенное сокращение расходования электроэнергии на проветривание горных выработок.
Для определения экономического эффекта от предложенной схемы предложено: по стандартной методике спроектировать ТЭЦ, для перспективных вариантов топлива рассчитать годовые затраты и оценить долю эксплуатационных затрат ТЭЦ которую можно сэкономить, используя попутно извлекаемую геотермальную энергию.
При существующих условиях хозяйствования возможны две схемы получения энергии от глубоких горизонтов угольных шахт: использование в качестве теплоносителя потоков нагретого воздуха на действующих шахтах или использования термальных вод при их откачке из закрытых шахт.
Во всех случаях прямые издержки на извлечения этого тепла являются обшешахтными издержками. То есть себестоимость такой энергии минимальна.
Доходная часть может состоять из трех составляющих:
- доход от снижения объемов условного топлива, которое необходимо было бы сжечь на ТЭЦ,
- сокращения экологических сборов и платежей за выбросы и складирование золы,
- возможных поступлений от продажи квот за единицы сокращения выбросов, в рамках Киотского протокола.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 316; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!