Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності




НазваниеВнз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності
страница3/14
Дата13.11.2012
Размер2.08 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ НУЖД ГОРНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ


Жердицкий В.А., Салехирадж С., Завьялова Е.Л.


Наиболее распространенные виды топлив, такие как природный газ, нефть будут исчерпаны в ближайшей перспективе, запасы угля и урана также ограничены. Поэтому человечество вынуждено переходить на альтернативные виды энергоносителей.

Сложная экологическая обстановка в горнодобывающих регионах объясняется интенсивным потреблением различных видов энергии, производимой из традиционных видов топливных ресурсов: природного газа, угля, нефтепродуктов и др. Этому сопутствуют огромные выбросы парниковых и токсичных газов, аэрозолей и тепловые потери. В связи с этим использование менее вредного тепла недр представляется важной экологической и ресурсосберегающей задачей.

Выражение "геотермальная энергия" буквально означает, что это энергия тепла земли (гео - земля, термальная - тепловая). Основным источником этой энергии является постоянный поток тепла из раскаленных недр, направленный к поверхности земли.

Анализ показывает, что запасы геотермальной энергии на планете достаточны для того, чтобы на длительное время обеспечить потребности всего человечества, а ее стоимость – одна из самых низких среди возобновляемых источников энергии. Однако, приемлемые для использования в современных энергетических установках уровни теплоты, с температурой более 1500С, находятся на значительных глубинах, порядка 4…5 тыс.м. Только в отдельных районах, преимущественно на стыках тектонических плит, они более доступны.

Основные современные способы использования геотермальной энергии основаны на скважинных технологиях. Им присущи такие недостатки как: высокая стоимость буровых работ; малая производительность установок, обусловленная низкой пропускной способностью скважин и высоким аэрогидродинамическим сопротивлением трещинных и поровых коллекторов в породах; угроза закупорки или размывания теплопроводящих каналов в трещиноватом горном массиве, недоступность и невозможность контролировать работу подземного теплообменника.

Для горнодобывающих регионов Украины, в которых отсутствуют неглубоко расположенные высокопотенциальные термальные ресурсы, перспективным источником является теплота, получаемая из недр через стенки горных выработок глубоких шахт. При реализации этого способа рассеянная в пространстве геотермальная энергия может быть сконцентрирована в протяженных каналах лабиринтной конфигурации.

Использование выработанных пространств подземных горнодобывающих предприятий - это надежный способ, в меньшей степени подверженный многим присущим скважинным технологиям недостаткам. Отпадает необходимость проведения изыскательских и разведочных работ, так как в шахте тепловая обстановка известна. При использовании отработанных выработок сокращаются затраты на бурение скважин и выполнение других работ.

Таким образом, разработка экологически безопасной технологий рационального использования тепловой энергии недр на глубоких угольных шахтах является актуальной научно-технической задачей.

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.1.а) 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. 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. 1.1б), 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.

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.

Другим способом использования геотермальной энергии для нужд горнодобывающего предприятия является возможность утилизации, повторного использования отработанного шахтного воздуха для нужд шахтной котельной, расположенной в непосредственной близости от вентиляционного ствола (рис.2).

Для сокращения расходов на топливные ресурсы возможно использовать шахтный воздух для подогрева питательной воды перед её подачей в систему теплоснабжения и горячего водоснабжения, а также для подогрева воздуха, используемого для интенсификации горения топлива, непосредственно в топке котла. В последнем случае экономия горючего обеспечивается также за счёт содержащихся в шахтном воздухе метана и угольной пыли.

Экономический эффект от предлагаемых мероприятий составит 4,442…6,225 млн. грн. без учёта годовой стоимости обслуживания новых агрегатов. Затраты на проведение мероприятий оцениваются в сумме 85820 грн. Это мероприятие является среднезатратным и высокоэффективным, поскольку окупается менее чем через один календарный месяц.





Рис. 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.


Кроме того эффективным является промышленное использование геотермальной энергии при работе энергоблоков комплексов «шахта – теплоэлектростанция». Обладающая рядом технических, организационных и экономических достоинств, схематично она представляет территориально и организационно совмещенные горнодобывающее и энергогенерирующее предприятия. Тепловую энергию для ТЭЦ можно использовать для предварительного подогрева подпитывающей агрегаты воды и сжигания горючего в топках, для шахты – на проветривание горных выработок. Ожидаемый эколого-экономический эффект состоящий из суммы всех видов дополнительных доходов составляет 231,487×105грн/год.

Экологический эффект от предлагаемых способов 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.


УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМА ИЗВЛЕКАЕМОЙ ШАХТНЫМ ГЕОТЕРМАЛЬНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ ЭНЕРГИИ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ


Шипика А. С., Салехирадж С., Завьялова Е.Л.


Во всем мире обострилась проблема обеспечения промышленности и населения энергией. Это обусловлено исчерпанием широко используемых углеводородных ресурсов, таких как нефть и природный газ, низкой техногенной безопасностью современных атомных электростанций и негативными экологическими последствиями работы установок, использующих уголь. Неисчерпаемые в обозримом будущем и экологически безвредные виды энергии, а именно солнечная, ветровая, приливная и другие становятся все более актуальными. К ним относится и геотермальная энергия, обусловленная происходящими в недрах планеты и сопровождающимися выделением колоссальной теплоты радиохимическими и механическими процессами. Поступая к поверхности, эта теплота вместе с солнечной и техногенной обеспечивает климатический баланс Земли.

Для горнодобывающих регионов Украины, в которых отсутствуют неглубоко расположенные высокопотенциальные термальные ресурсы, перспективным источником является теплота, получаемая из недр через стенки горных выработок глубоких шахт. При реализации этого способа рассеянная в пространстве геотермальная энергия может быть сконцентрирована в протяженных каналах лабиринтной конфигурации.

Обеспечить извлечение энергии предполагается, создавая в отработанных частях горного массива, так называемые, шахтные геотермальные теплообменники (ШГТ). Они представляют собой систему каналов-выработок в выработанном пространстве лавы, по которым движется теплоноситель, как правило, воздух (рис. 1).

Лабиринтная конфигурация сети каналов может иметь самую разнообразную схему: последовательную, параллельную, комбинированную. Она должна гарантировать нагрев проходящего через нее воздуха до температуры окружающих пород в течение нескольких десятков лет.

Необходимая конфигурация сети каналов создается с помощью вентиляционных сооружений, в основном перемычек. Производя переключение потоков, с их помощью можно обеспечивать рекреацию отдельных участков теплообменника, увеличивая продолжительность его функционирования. Создание каналов в выработанном пространстве в настоящее время не представляет технических трудностей. Сотрудниками ДонНТУ были разработаны и широко апробированы в условиях глубоких шахт способы проведения и охраны подготовительных выработок в выработанном пространстве. Кроме того, известны технологические схемы выемки угля с неполной закладкой выработанного пространства, остающиеся при этом незабученные участки могут служить каналами. Системы разработки крутопадающих и наклонных пластов позволяют бурить в выработанном пространстве скважины большого диаметра. Крепь выработок-каналов может быть не столь плотной и не обеспечивать значительного отпора горному давлению, так как в каналах не требуется пребывания людей, а в случае завала отдельные ветви лабиринта можно выключать из сети.





Рис. 1. Схема геотермального теплообменника в выработанном пространстве, образовавшемся после выемки угля


После того, как воздух проходит по лабиринту каналов, нагретый до температуры горного массива он поступает в трансформатор энергии, это может быть тепловой насос, вихревая труба, турбохолодильник или устройство другого типа. Происходит разделение потока на две струи - горячую и холодную. Первую из них можно использовать для получения электроэнергии путем прямого превращения тепла в электричество или с помощью паротурбинной установки. Газ, нагретый выше температуры кипения воды можно использовать для выпаривания высокоминерализованной шахтной.

Однако вокруг контура подготовительной выработки под действием сил горного давления формируется зона разрушений горных пород в процессе проведения и дальнейшего поддержания подготовительных горных выработок в их боках происходит развитие существующих в массиве микротрещин и переход их в разряд макротрещин. Одновременно, развиваются системы техногенных макротрещин, ориентированных параллельно породному контуру и в направлении радиальном к оси выработки. Наличие такого рода разрывов сплошности пород приводит к резкому ухудшению теплопроводности среды. Пористость породного массива может изменяться 0,03<Р<0,2, а коэффициент теплопроводности будет составлять - 0,91<λ0<0,512, где λ0 - коэффициент теплопроводности монолитного образца горной породы.

Как показывают расчеты горные породы, имеющие значительную величину пористости и высокую влажность, характеризуются величиной теплопроводности примерно вдвое большей, чем у сухих образцов трещиноватых пород. В результате этого для прогрева воздуха, движущигося по каналам ШГТ, до температуры горного массива будет необходимо увеличить длину последних, при этом интенсивность извлечения тепла горных выработок снизится.

В случае заполнения трещин искусственным материалом, например суспензией бентонитовой глины с добавлением графитового порошка, происходит увеличение коэффициента теплопроводности массива. При этом чем больше была исходная трещиноватость массива, тем выше становится способность проводить тепло после нагнетания (рис.2).

Ктп

Рис.2. Изменение коэффициента теплопроводности трещиноватого массива с показателем трещинной пустотности Ктп после обработки глино - графитной суспензией: сплошная линия – песчаник; пунктир – алевролит.


Заполнение трещин определяет увеличение коэффициента теплопроводности выше, чем у исходной горной породы. Чем выше нарушенность массива после поведения горных работ, тем лучшие условия теплопроводности можно обеспечить, заполняя трещины глино-графитной суспензией и гравитационной водой (рис.3).




Рис.3. Способы улучшения теплопроводных свойств вмещающего выработку породного массива: 1 – контур выработки; 2 – шпур для нагнетания суспензии; 3 – область заполненных суспензией трещиноватых пород; 4- область заполненных гравитационной и капиллярной влагой трещин

В результате увеличения теплопроводности породного массива увеличится температура стенок горных выработок, таким образом, повысится интенсивность теплообмена между теплоносителем и стенками каналов ШГТ, а следовательно, увеличится объем извлекаемой энергии из горных выработок глубоких шахт.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Похожие:

Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconЗаконодавство щодо здійснення діяльності по реалізації арештованого майна 43
Міністерство освіти І науки україни донецький національний університет кафедра господарського права
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconДержавний вищий навчальний заклад Донецький національний технічний університет
Спеціалізація: «Енергомеханічні комплекси гірничого та гірничо- збагачувального виробництва» (емк)
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconДержавний вищий навчальний заклад «донецький національний технічний університет» в І с т І
Друкується за рішенням Вченої ради державного вищого навчального закладу
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconСписок рукописів підручників для внз, що поступили на грифування в іітзо з 05. 07. 2010 по 09. 07. 2010р
Донецький національний університет економіки І торгівлі імені Михайла Туган-Барановського
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconАртем Кравченко Донецький національний технічний університет (науковий напрям: Матеріалознавство, гірництво та металургія)
Разработка метода оптимизации технических параметров разливки стали в вертикальный кристаллизатор криволинейной слябовой мнлз
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconМіністерство освіти І науки україни донецький національний університет економіки І торгівлі імені михайла туган-барановського інститут обліку І фінансів
Донецький національний університет економіки І торгівлі імені михайла туган-барановського
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconМіністерство освіти І науки україни донецький національний університет економічний факультет кафедра маркетингу затверджено
Робочу програму ухвалено на засіданні навчально-методичної комісії економічного факультету ДонНУ, протокол №2 від «06» жовтня 2010...
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconResearch Profiles of scientists of the ntuu “kpi” who would like to cooperate with scientists of Warsaw University of Technology
Національний технічний університет України «кпі», факультет менеджменту та маркетингу, кафедра менеджменту
Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconДонецький національний університет економіки І торгівлі імені Михайла Туган-Барановського

Внз «донецький національний технічний університет» кафедра природоохоронної діяльності iconСевастопольський національний технічний університет на правах рукопису Кокодей Тетяна Олександрівна
Вступ
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница