Использование отработанного шахтного водуха с целью разработки энергоэффективных решений

Использование отработанного шахтного водуха с целью разработки энергоэффективных решений

Баранов А.В., Донецкий национальный технический университет

В связи с сильной зависимостью Украины от импорта основных энергоресурсов – нефти и газа (удовлетворение потребностей за счет собственных запасов менее чем на 50%), особо актуальными становятся вопросы энергосбережения и использования нетрадиционных, в том числе и вторичных источников энергии.

По данным экологов ООН, плотность выбросов пыли и газов на 1м2 в Донбассе в шесть раз больше, чем в среднем по Украине. Преобладают такие вредные вещества, как оксид углерода, сернистый ангидрид, пыль и лёгкие органические соединения.

Источником такого масштабного загрязнения воздуха являются предприятия энергетики, теплоэлектроцентрали, поскольку многие из них слабо оснащены системами очистки пылегазовых выбросов. Тем самым наносится огромный вред экологии Украины, а из-за нерационального расходования энергоресурсов - и энергетической стабильности страны.

По общим оценкам, недра Украины могут содержать до 300 млрд.т угля. Если, по данным западных экспертов, мировых запасов традиционной нефти и газа хватит на 80-90 лет, угля — на 350 лет, то отечественных запасов угля хватит на 400 лет. В связи с этим современную угольную энергетику рассматривают как приоритетную отрасль энергетики, а уголь - как основной энергоресурс Украины, о чем и свидетельствует наличие большого количества шахт.

В соответствии с технологическими условиями и для соблюдения норм загазованности в шахтных стволах и в забоях применяются вентиляторы для продувки и выноса шахтного воздуха на поверхность. Относительно высокая и постоянная, вне зависимости от сезона, температура этого воздуха – до +25 ºС, делает его привлекательным источником энергосбережения, к тому же данный воздух, проходя сквозь угольные пласты, насыщается метаном, в процентном соотношении до 1%.

В данной работе рассматривается возможность утилизации и повторного использования отработанного шахтного воздуха для нужд шахтной котельной, расположенной в непосредственной близости от вентиляционного ствола.

Для сокращения расходов на топливные ресурсы можно рассматривать следующие варианты применения шахтного воздуха в условиях нестабильной ценовой политики как на мировом, так и внутреннем украинском энергетическом рынке:

а) подогревать питательную воду перед её подачей в систему теплоснабжения, а также воду, используемую для горячего водоснабжения;

б) использовать тёплый шахтный воздух для интенсификации горения топлива (непосредственно в топке котла);

в) экономить топливо за счёт содержащегося в шахтном воздухе метана.

Для осуществления данных энергосберегающих мероприятий необходимо провести следующие работы:

монтаж системы гибкого воздуховода от шахтного вентилятора до котельной;

выбор и установка теплообменника;

обеспечение доступа шахтного воздуха непосредственно к горелкам котлов.

Шахтная котельная, на базе которой можно внедрить данный проект, является отопительной, состоит из трёх котлов ДКВР 10-13 (первое число обозначает паро- производительность, т/ч; второе - давление пара в барабане котла, кгс/см2). Постоянно работают два котла; расход природного газа составляет 1105 м3/ч; температура шахтного воздуха перед теплообменником составляет +24 градуса Цельсия.

Для осуществления мероприятий необходимо:

выбрать теплообменник, для чего необходимо определить расходы воды и воздуха через него, а также его тепловую мощность. Итоговый объёмный расход воздуха составил Ввоз=19, 6м3/с; тепловая мощность N=22680 Дж/с. На основании полученных данных выбираем пластинчатый теплообменник ТР1 N≤0, 1Гкал/час, стоимость мероприятия составляет 2700 грн.;

выбрать воздуховод, учитывая расстояние от шахтного вентилятора до котельной (100 м). С учётом расхода воздуха через него выбираем гибкий термо-изолированный воздухопровод ISODEC диаметром d = 508 мм. Цена воздухопровода – 560 грн/10 м, соответственно, стоимость 100 – метрового воздухопровода - 5600 грн;

выбрать вентилятор для обеспечения отвода необходимого количества воздуха от потока главного шахтного вентилятора. Необходимый расход воздуха составляет 19, 6 м3/с. Для обеспечения такого расхода выбираем вентилятор AR 1000 DG AXIAL FAN, максимальный расход равен 25 м3/с, потребляемая мощность – 5, 5 кВт, годовой расход на электроэнергию – 26500 грн. Стоимость вентилятора – 53000 грн.

Экономический эффект достигается за счёт:

- подогрева питательной воды, поступающей в котёл, для восполнения потерь воды в сети. При подогреве воды на 10 градусов относительная экономия топлива составит: 1, 54%;

- экономия при использовании шахтного воздуха для горения топлива составляет: 1, 5%;

- экономия топлива за счёт содержащегося в шахтном воздухе метана позволяет снизить количество сжигаемого в топке котлов природного газа на 9, 7%.

В итоге, суммарная экономия топлива может составить (при годовом расходе природного газа в шахтной котельной равной 20 млн. м3):

Вэк = 20∙ (1 - (1 – 0, 0154) ∙ (1 – 0, 015) ∙ (1 – 0, 097)) = 2, 485 млн. м3.

В 2010 г. для предприятий Донецкой области природный газ отпускался по цене 2200 грн/1000 м3. Следовательно, экономический эффект от проведенных мероприятий составит 5, 467 млн. грн. (без учёта годовой стоимости обслуживания новых агрегатов).

Затраты на проведение всех мероприятий составляют 858200 грн. Описанные мероприятия являются среднезатратными и высокоэффективными, поскольку окупаются в течении одного отопительного периода.

Таким образом, вышеизложенный вариант частичной утилизации шахтного воздуха с использованием его тепла для нужд котельной комплексно отвечает на целый ряд вопросов:

– экономических: экономия топлива (природного газа), сокращение потребления природных ресурсов путём рационализации потребления топлива;

– экологических: при экономии исчерпаемого вида топлива – природного газа уменьшается негативное воздействие на окружающую среду, в том числе и от значительного выброса подогретого воздуха в атмосферу;

– социальных: соблюдение полного комплекса мер направленных на безопасность здоровья и жизнедеятельности человека.