автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров подземного сжигания угля, обеспечивающих получение электрической энергии

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

1.1. Состояние и перспективы развития угольной сырьевой базы России."

1.2. Анализ термохимических способов переработки угля.И

1.3. Анализ направлений использования продуктов термохимической переработки угля.

1.4. Задачи и методы исследований. • •

Выводы.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Методическое обоснование структуры исследований.

Выводы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ СЖИГАНИИ УГЛЯ.

3.1. Условия для получения электрической энергии.

3.2. Влияние химической неполноты сгорания угля в угольном канале на температуру продуктов сгорания.

3.3. Анализ формирования энергетической мощности потока

ППСУ на выходе из газоотводящей выработки.

Выводы.

4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОЛУЧЕНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

4.1. Обоснование и выбор конструктивных узлов комплекса поверхности для утилизации продуктов ПСУ.

4.2. Расчеты газотурбинной эжекционной установки ГТЭУ на базе авиационного газотурбинного двигателя ГТД

4.2.1. Постановка задачи.

4.2.2. Расчет режима работы ГТД.:.

4.2.3. Расчет дроссельного режима «1» эжектора ГТЭУ.

4.3. Рекомендации по выбору схемы ПСУ оставленных запасов с целью получения электроэнергии.

Выводы.

Актуальность работы. Одной из наиболее перспективных нетрадиционных технологий бесшахтной добычи угля, в том числе оставленных после закрытия шахт запасов, является технология подземного сжигания угля (ПСУ). Промышленные испытания технологии ПСУ, проведенные под руководством МГГУ на закрытых шахтах Донецкого, Подмосковного и Кузнецкого бассейнов, были направлены на получение тепловой энергии. В то же время наиболее универсальным видом энергии с точки зрения ее потенциала, легкости транспортирования потребителю и использования энергии является электрическая энергия.

Для использования продуктов ПСУ для производства электроэнергии необходимо повысить интенсивность процесса, обосновать рациональный способ подготовки участка с учетом потерь температуры от ряда факторов и внести изменения в состав оборудования поверхностного теплоэнергетического комплекса.

В связи с изложенным научная задача обоснования параметров подземного сжигания угля, обеспечивающих получение электрической энергии и расширяющих возможности технологии, является актуальной.

Целью работы является установление зависимостей температуры продуктивного газа и энергетической мощности участка ПСУ от способа подготовки, состава газа и водопритока для обоснования параметров подземного сжигания угля, обеспечивающих возможность получения электрической энергии.

Идея работы заключается в создании необходимых условий получения электроэнергии при подземном сжигании угля, создаваемых выбором способа подготовки участка, мероприятиями по повышению его энергетической мощности и введением в состав теплоэнергетического комплекса эжекционной установки.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Эффективное получение электроэнергии при ПСУ обеспечивается повышением интенсивности процесса, применением скважинной и комбинированной подготовки оставленных запасов и включением в состав теплоэнергетического комплекса газотурбинной эжекционной установки.

2. Увеличение содержания в продуктах ПСУ горючих газовых компонентов и величин водопритока в канал горения способствуют росту КПД извлечения энергии и снижению потерь тепла в газоотводящей выработке.

3. Для эффективной работы эжекционной установки необходим газотурбинный двигатель с коэффициентом эжекции п > 4.

4. Получение электроэнергии при ПСУ может быть обеспечено при температуре шахтного газа не менее 623К с теплотой сгорания более 950 кДж/м~\ что достигается практически при любом составе газа ПСУ при осуществлении мер по повышению температуры продуктивного шахтного газадо 957К.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- корректным использованием современных методов исследований, базирующихся на фундаментальных законах теории горения и аэрогазодинамики;

- соответствием выходных параметров процесса требованиям эффективного получения электрической энергии.

Научное значение работы заключается в обосновании параметров подземного сжигания угля, обеспечивающих технологически и экономически целесообразное получение электрической энергии.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке мероприятий по повышению интенсивности процесса ПСУ, позволяющих сни6 зить потери тепла в газовом потоке, уменьшить сечения подготавливающих выработок и расширить область применения технологии.

Реализация выводов и рекомендаций. Обоснованные в диссертации параметры процесса ПСУ, обеспечивающие возможность получения электроэнергии, переданы для использования в АО «Ростоппром». На основании материалов диссертации сформирован проект в раздел «Повышение эффективности технологии добычи, переработки угля и сопутствующих энергоресурсов» программы «Научные исследования высшей школы в области топлива и энергетики» Минобразования РФ в 2000 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических совещаниях в Государственном Комитете по угольной промышленности при Минтопэнерго России и на научно-технических конференциях «Неделя горняка» в МГГУ (1998-2000 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликованы три научные работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 20 рис., /5 табл., список литературы из 73 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Сформулированы требования к поверхностному комплексу ПСУ, выполнение которых обеспечивает повышение управляемости технологией и стабилизацию выходных параметров.

2. Обоснованы конструктивные узлы поверхностного комплекса с учетом температуры и состава ППСУ и разработана принципиальная схема получения электрической энергии при ПСУ.

3. Установлено, что для эффективной работы эжекторной установки необходимо проводить выбор ГТД с П* обеспечивающих давление за турбиной высокого давления Р?тк > 2,2, чтобы обеспечить коэффициент эжекции п > 4.

4. Выполнен расчет дроссельного режима «1» эжектора для возможных вариантов содержания горючих компонентов в ППСУ. Установлено, что получение электрической энергии может быть обеспечено при температуре исходящих газов 623 К и теплотой сгорания (2\ > 950 кДж/м\ Получение электроэнергии может быть обеспечено практически при

Рис. 4.9. Принципиальная схема комбинированной технологии ПГУ-ПСУ воздух;--► продукты газификации;-.продукты полного сгорания. 1 - подземный газогенератор -1 стадия отработки; 2 - подземный газогенератор - II стадия отработки; 3 - проф. целик - Ш стадия отработки; 4 -воздухоподающие скважины; 5 - газоотводящие скважины; 6 - контуры реакционных каналов; 7 - коллекторный воздухопровод; 8 - коллекторный газопровод; 9 - регулируемые дроссели; 10 - ГТЭУ; 11 - ГТД; 12 - ГТУ; 13 -генератор; 14 - вытяжная труба Л ьо любом составе газа ПСУ при проведении мероприятий по повышению температуры продуктивного газа до 957 К. 5. Разработаны рекомендации по выбору схемы ПСУ оставленных запасов с целью получения электроэнергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой дано решение научной задачи обоснования параметров подземного сжигания угля, обеспечивающих получение электрической энергии, что имеет важное значение для угольной отрасли и развития малой энергетики.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. В пределах горных отводов закрытых шахт России количество оставленных запасов угля составляет около 20 млрд. т. Вовлечение этих запасов в сферу теплоэнергетики позволит обеспечить энергоресурсами дефицитные регионы массового закрытия шахт.

2. Опытно-промышленная проверка технологии ПСУ была направлена на получение тепловой энергии. Основное содержание исследований в области обоснования параметров ПСУ с целью получения электроэнергии сводится к учету содержания в продуктах ПСУ горючих компонентов и эффекта их дожигания, установлению зависимостей параметров шахтного газа от водопритока и способов подготовки подземного участка ПСУ и оценке последствий замены дымососов на газотурбинные эжек-ционные установки.

3. В качестве объектов исследования приняты закрытые горные предприятия, характерные для Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса -шахты «Краснокаменская» и Южно-Абинская станция «Подземгаз» с оставленными суммарными балансовыми запасами около 200 млн. т

4. Относительное увеличение мощности канала горения по выделяемой в нем энергии при повышении содержания в продуктах ПСУ горючих га

129 зов является величиной постоянной при всех объемных расходах подаваемого в канал воздуха.

5. Установлены зависимости удельных потерь физического тепла от времени эксплуатации газоотводящих выработок, объемного расхода воздуха в угольном канале, удельного водопритока в угольный канал, содержания в продуктах сгорания горючих компонентов, диаметра и длины газоотводящих выработок, позволяющие определить параметры подготовки подземных участков и рациональные режимы горения.

6. Мощность потока продуктов ПСУ, формируемая химическим теплом, находится в прямой зависимости от величины объемного расхода воздуха в канале горения и содержания горючих газов в продуктах ПСУ.

7. Обоснованы конструктивные узлы поверхностного комплекса с учетом температуры и состава ППСУ и разработана принципиальная схема получения электрической энергии при ПСУ. Для эффективной работы эжекционной установки необходим газотурбинный двигатель с тс*, обеспечивающий коэффициент эжекции п > 4.

8. Выполнен анализ дроссельных режимов эжектора для возможных вариантов содержания горючих компонентов в ППСУ. Установлено, что получение электрической энергии может быть обеспечено при температуре исходящих газов 623К с теплотой сгорания <2Г > 950 кДж/м3. Получение электроэнергии может быть обеспечено практически при любом составе газа ПСУ при проведении мероприятий по повышению температуры продуктивного газа до 957 К.

9. Разработаны рекомендации по выбору схемы ПСУ оставленных запасов на шахте "Краснокаменская" и Южно-Абинской станции "Подземгаз" с целью получения электроэнергии.

1. Никонов Е.С. Важнейшие проблемы и приоритеты топливно-энергетической политики России и СНГ в первой половине XXI века // Уголь. 1996. - Х° 9, № Ю. - С. 48-52, С. 31-34.

2. Малышев Ю.Н., Айруни А.Т., Васильчук М.П. Перспективные направления совершенствования подземной добычи угля в метанообильных шахтах // Уголь. 1996. - № 8. - С. 8-13.

3. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А. Теплогенерирующие установки. М.: Стройиздат, 1986. - 559 с.

4. Зыков В.М., Носенко В.Д. О прогнозе потребности в угольном топливе // Анализ и прогноз развития угольной промышленности: Научные сообщения. М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1995. - Вып. 303. - С. 6179.

5. Щадов М.И., Виницкий К.Е., Дебердеев И.Х. Оценка роли качества в повышении эффективности энергетического использования углей открытого способа добычи // Уголь. 1997. - № 1. - С. 57-59.

6. Гуськов В.А., Подгорный М.С. О мерах по дальнейшему развитию открытого способа добычи угля // Уголь. 1997. - № 1. - С. 3-7.

7. Реструктуризация угольной промышленности. (Теория. Опыт. Программы. Прогноз) / Малышев Ю.Н., Зайденварг В.Е., Зыков В.М. и др.; Под ред. Малышева Ю.Н. М.: Компания «Росуголь», 1996. - 536 с.

8. Гранин И.В., Сеинов Н.П. Основные направления реструктуризации открытой угледобычи // Уголь. 1997. - № 1. - С. 41-42.

9. Петров А.И., Волков В.Т., Афендиков B.C. Основные направления реструктуризации научно-технической сферы угольной промышленности России // Уголь. 1997. - № 2. - С. 42-45.

10. Ю.История и будущее угольной промышленности России / Малышев Ю.Н., Братченко Б.Ф., Зыков В.М., Яновский А.Б. // Уголь. 1997. - № 3. - С. 26-38.

11. П.Рогов А .Я., Козлов C.B. Проблемы обеспечения эксплуатационной надежности техники в условиях реструктуризации угольной промышленности // Уголь. 1997. - № 2. - С. 31-33.

12. Строк Н.И., Горбачев Д.Т. Технологические аспекты оценки балансовых запасов угля Российской Федерации // Анализ и прогноз развития угольной промышленности: Научные сообщения. М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1995. - Вып. 303. - С. 49-60.

13. Ржевский В.В., Селиванов Г.И. Подземное сжигание углей: Обзор. М.: МГИ, 1989. - 110 с.

14. Тарковская И.А. Сто «профессий» угля. Киев, Наукова думка, 1990. -200 с.

15. Крапчин И.П. Экономика переработки углей. М.: Недра, 1989. - 214 с.

16. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых (геотехнология). М.: Недра, 1986. 279 с.

17. Агафонова В.И. Состояние и перспективы развития нетрадиционных способов отработки угольных месторождений за рубежом. М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1985. - 31 с. - Деп. В ЦНИЭИуголь 01.02.85. № 2343.

18. Кириченко И.П. Химические способы добычи полезных ископаемых. -М.: Изд-во АН СССР, 1958. 103 с.

19. Некоторые проблемы бесшахтной добычи и подземной переработки то-плив и других полезных ископаемых / Кириченко И.Л., Питин Р.Н., Фарберов И.Л., Федоров НА. // Труды ВНИИПодземгаза. 1962. -Вып. 8.-С. 3-10.

20. Ржевский В.В. Методические разработки по проблеме «Углегаз». Часть 2. Возможные и экономические результаты угледобычи. - М.: МГИ, 1984. -128 с.

21. Янко C.B. Обоснование подготовки пологих тонких угольных пластов с использованием технологии нового технического уровня: Дисс.канд. техн. наук. М.: МГИ, 1987. - 249 с.

22. Селиванов Г.И. Обоснование и разработка технологии подземного сжигания угля для получения тепловой энергии: Дисс. . докт. техн. наук. -М.: МГИ, 1990.-536 с.

23. Крейнин Е.В. Экологическое и технико-экономическое обоснование строительства промышленных предприятий подземной газификации углей // Уголь. 1997. - № 2. - С. 46-48.

24. Айруни А.Т., Дмитрюк Н.Ф., Куликов И.О. Подземная газификация угольных пластов. -М.: ВИНИТИ, 1990. 115 с.

25. Арене В.Ж., Петренко Е.В. Состояние и перспективы подземной газификации угля // Уголь. 1981. - № 5. - С. 20-23.

26. Селиванов Г.Н. Технологические схемы сжигания оставленных запасов угля: Учебное пособие. М.: МГИ, 1992. - 45 с.

27. Васючков Ю.Ф., Воробьев Б.М. Новая концепция эксплуатации угольных месторождений // Горный вестник. 1996. - № 3. - С. 25-28

28. Проблемы газификации углей: Сборник додкладов Всесоюзного симпозиума. Красноярск, 1991. - 215 с.

29. Скафа П.Ф. Подземная газификация углей. М.: Госгортехиздат, 1960. -322 с.

30. ЗЗ.Чуканов З.Ф., Процесс газификации кокса и проблемы подземной газификации топлив. М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 334 с.

31. Подземная газификация угольных пластов / Крейнин Е.В., Федоров H.A., Звягинцев К.Н., Пьянкова Т.М. М.: Недра, 1982. - 151 с.

32. Дворникова E.B. Роль сорбционных свойств угля марки ГЖ в процессе самоочищения подземных вод // Уголь. 1996. - № 3. - С. 45-47.

33. Звягинцев К.Н. Возможности подземной газификации углей в России // Подземная газификация угля. Новое в технологии, экологии и экономике: Научные сообщения. М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1994. -Вып. 295.-С. 17-23.

34. Крейнин Е.В. О пригодности угольных месторождений для их подземной газификации // Семинар по подземной газификации углей: Сборник докладов. Кемерово: Институт угля СО РАН, - 1992. - С. 4-9.

35. Ржевский В.В. О состоянии и развитии научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ в области подземной газификации углей: Методические разработки. М.: МГИ, 1984. - 243 с.

36. Крейнин Е.В., Звягинцев К.Н., Гаркуша М.С. Подземный газогенератор под давлением перспективное направление бесшахтной разработки угольных месторождений // Уголь. - 1990. - № 7. - С. 21-22.

37. Gassifîcazion sotteranea del carbone / Ra A. // Riv. combast. 1994. - 48, № 10.-C. 418.

38. Подземная газификация на вьглищата възможности и перспективи / Душанов Д., Минкова В. // Минно дело и геол. - 1995. - 50, - № 4. - С. 16-20.

39. Китай: успехи подземной газификации угля. Новости. Информация // Минно дело и геол. 1995. - 50, № 2. - С. 44.

40. Технико-экономическое обоснование строительства предприятий по подземной газификации угля в Японии / Shimada S., Tamari A., Ishii Е. // Shigen to sozai = J. Mimimg and Mater. Process. Inst. Jap. 110, № Зю С -240-244.

41. Селиванов Г.И. «Углегаз» // Горная энциклопедия / Гл. ред. Козловский Е.А. М.: Советская энциклопедия;, 1991. - Т. 5. - С. 220.

42. Бурчаков A.C. Научные основы создания шахты будущего // Уголь.1988. -№ 1.-С. 9-13.

43. Селиванов Г.И., Янченко Г.А., Закоршменный И.М. Отработка, межгенераторных угольных целиков путем их подземного сжигания // Физические процессы горного производства: Тез. Докладов X Всесоюзной научн. конф. -М.: МГИ, 1991.-С. 112.

44. Макридин В.М. Разработка технологии получения тепловой энергии из отработанных подземных газогенераторов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. М.: МГИ, 1992. - 13 с.

45. Янченко Г.А. Физико-техническое обоснование способов повышения энергетической эффективности процесса сжигания угольных пластов. : Дисс. . докт. техн. наук. -М.: МГГУ, 1998. 547 с.

46. Лазаренко С.Н. Обоснование перспектив развития в Кузнецком бассейне и разработка способов совершенствования технологии подземной газификации углей: Дисс. . докт. техн. наук 05.15.02 Кемерово. 1997.

47. Крейнин Е.В., Блин ан М.С., Старосельский A.B. Извлечение оставленных запасов о отанных шахт // Уголь. 1993. - № 5. - С. 34

48. Крейнин Е.В. Проблемы подземной термохимической переработки угольных пластов: энергетические, экологические и социальные аспек172 с.35.ты II Экологические проблемы горного производства (тезисы докладов конференции). М.: Изд-во МГГУ, 1993. С. 149-154.

49. Кондырев Б.И. Научное обоснование технологических схем подземной газификации угля в условиях Дальнего Востока : Дисс. . докт. техн. наук. 11.00.11 -Владивосток, 1996.-389 с.

50. Брамн В.Е., Кашкин С.Н. Применение средств комплексной механизации для отработки пойогих и наклонных угольных пластов в Кузбассе. Кемерово: АО Кемеровское кн. изд-во. 1995. С. 10-14.

51. Государственный баланс запасов полезных ископаемых Российской Федерации. Уголь. Том. 3. М., Комитет РФ по геологии и использованию недр. 1993. 691 с.

52. Крейнин Е.В., Шифрин Е.И. Математическая модель процессов горения и газификации угля в канале подземного газогенератора // Физика горения и взрыва. 1993. - № 2. С. 21-28.

53. Федоров Н.А. Экспериментальные исследования процесса подземной газификации углей // О состоянии и ближайшем развитии науки по проблеме подземной газификации углей. Материалы к дискуссии. М.: Изд. АН СССР, 1957. - С. 106-120.

54. Подземная газификация. Материалы опытных работ по подземной газификации углей за 1934-1936 гг. М.: ОНТИ, 136. - 208.

55. Селиванов Г.И. Обоснование и разработка технологии подземного сжигания угля для получения тепловой энергии. : Дисс. . докт. техн. наук. М.: МГИ, 1990.-536 с.

56. Лаврик В.Г. Повышение эффективности использования попутного шахтного метана // Изв. вузов. Горный журнал. 1996. - № 1. — С. 71-74.

57. Теплотехнический справочник / Под ред. Юренева В.Н. и Лебедева П.Д. М.: Энергия, 1975 и 1976. - Т. 1 и Т. 2 - 744 с. и 896 с.

58. Янченко Г.А. Материальный баланс процесса подземной газификации угля: Учебное пособие. М.: МГИ, 1989. - 57 с.

59. Янченко Г.А. Теплофизические свойства продуктов сгорания и газификации угля в подземных условиях. Часть 3. Теплопроводность и критерий Прандтля: Учебное пособие. М.: МГИ, 1994. - 54 с.

60. Воропаев А.Ф. Тепловой кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. М.: Недра, 1979. - 192 с.

61. Патент РФ 1760787. Способ подземной газификации твердых полезных ископаемых и устройство для его осуществления / И.М.Закоршменный, Г.И.Селиванов, Г.А.Янченко и др. / Завялено 08.06.1990.

62. Патент РФ 2096605. Устройство для передачи тепловой энергии газообразных продуктов подземного сжигания угля теплохносителю / Ярунин С.А., Каркашадзе Г.Г., Закоршменный И.М. и др. / Заявлено 30.05.1996.

63. Теплотехника / А.П.Басканов, Б.В.Берг, О.К.Вит и др.; Под ред. А.П.Баскакова. 2е изд. перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.

64. Савельев В.М. Разработка технологических решений подземного сжигания при закрытии неперспективных шахт: Дисс. . канд. техн. наук. -М.: МГТУ, 1999. 158 с.

65. Дварниченко В.В. Методические указания по расчету дроссейльных характеристик авиационных ТРДД различных схем с применением ПЭВМ. М.: МГГУ ГА, 1997. - 76 с.

66. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969.