книги из ГПНТБ / Морев, А. М. Дегазация угольных шахт и использование метана

нетическую энергию газа повышенного давления и высокой температуры. Газ, обладающий такой энергией, образуется при сжигании в специальной камере сгорания газообразного, жидкого или твердого топлива в пылевидном состоянии [28].

Газообразное топливо и воздух, необходимый для его сжигания, подаются под давлением в камеру сгорания соответственно газовым и воздушным компрессорами. Воздушный компрессор вращается турбиной, а газовый может иметь самостоятельный электропривод. Если в турбине используется жидкое топливо, то его подают на­ сосом, работающим от турбины или от самостоятельного электропривода.

Таким образом, основные элементы простейшей сило­ вой ГТУ — турбина, вращаемый ею воздушный компрес­ сор, камера сгорания и полезное сопротивление, напри­ мер в виде генератора электрического тока. Стационар­ ную ГТУ запускают электродвигателем, питаемым от дизельгенератора или возбудителя генератора, который в свою очередь питается дизельгенератором или аккумуля­ торными батареями.

На рис. 16 приведена схема простейшей установки с открытой камерой сгорания. В отличие от установок с закрытыми камерами, в которых процесс сгорания про­ текает при постоянном объеме камеры и сопровождается повышением давления и температуры газа, в установке с

70

открытой камерой процесс протекает при постоянном давлении.

Действующими правилами безопасности на шахтах

СССР допускается содержание метана в общешахтной вентиляционной струе до 0,75% и обычно на сверхкатсгормых шахтах оно составляет около 0,5%. Если такую вентиляционную струю дополнительно обогатить мета­ ном и довести его содержание до 1—2%, то теплотворная способность полученной смеси при высокой степени вы­ горания метана достаточна для работы газотурбинной установки.

При сжигании метана в газовых турбинах имеется возможность получить значительное количество тепла вследствие охлаждения выхлопных газов, которое мож­ но использовать непосредственно на шахте. Известно, что шахты — крупные потребители тепла, особенно в зимнее время, когда наряду с обогревом промышленных и бытовых помещений поверхностного комплекса необхо­ димо подогревать большое количество воздуха, поступа­ ющего в шахты. Если еще учесть, что газовые турбины отличаются компактностью и малым потреблением охлаждающей воды, то их следует считать перспектив­ ными двигателями для потребления шахтного газа с вы­ сокой экономической эффективностью.

Однако для претворения в жизнь идеи использования метана, выносимого вентиляционной струей, необходимо преодолеть ряд технических трудностей. При содержа­ нии метана 1—2% теплотворная способность смеси со­ ставляет примерно 90— 150 ккалінм3. Ни одна из извест­ ных газотурбинных камер не приспособлена для работы на таком топливе. Единичные попытки создания камер с применением каталитического или высокотемператур­ ного выжигания не привели к надежным конструктивным решениям. Наиболее часто в литературе упоминается опытная камера английской пришахтной ГТУ, основной частью которой был регенеративный теплообменник с керамической насадкой. Камера сгорания (реакционная зона) размещалась между регенеративными колоннами теплообменника, обеспечивающими за счет поперемен­ ного пропускания через них свежей смеси и продуктов сгорания подогрев метано-воздушной смеси до темпера­ туры быстрого сжигания метана. Такой пршИцш перио­ дического переключения хода газов серьезно осложнил конструкцию камеры сгорания и установки в целом. По

71

этой причине установка не была доработана до промыш­ ленного варианта. Вместе с тем проведенные исследова­ ния и испытания опытного образца ГТУ показали прин­ ципиальную возможность использования метана, выно­ симого из шахт вентиляционной струей.

Более перспективны работы по созданию ГТУ, прово­ димые в СССР Казахским научно-исследовательским институтом энергетики (Алма-Ата), Уральским турбомоторным заводом (УТМЗ) и Украинским научно-иссле­ довательским институтом огнеупоров (УкрНИИО).

Для одной из шахт Карагандинского бассейна была спроектирована опытно-промышленная газотурбинная установка, рассчитанная на потребление 17,9 млн. м3 ме­ тана в год при общем расходе смеси 126 000 мУчас, т. е. примерно половины исходящего по стволу воздуха. Кон­ центрация метана в исходящей струе составляет 0,55%. Это значит, что с воздушной струей в ГТУ будет посту­ пать только Ѵ3 часть потребного количества метана. Остальное, около 1300— 1400 мУчас, намечено подавать дегазационными установками двух соседних шахт. Газо­ вая турбина через редуктор должна приводить в движе­ ние генератор переменного тока мощностью 6000 кет. Ко­ эффициент полезного действия, отнесенный к мощности на муфте генератора, составляет 19,6%.

Схема работы ТЭЦ выглядит следующим образом. Исходящая из шахты воздушная струя подается к ком­ прессору ГТУ вентиляторами, установленными в главном корпусе ТЭЦ. Перед поступлением в компрессор ГТУ смесь очищается от пыли, а содержание метана в ней до­ водится до 1,5— 1,6%. Очищенная и сжатая смесь сжи­ гается в камере сгорания. Продукты сгорания поступают в выхлопной тракт, мимо нагревателя, регулируя темпе­ ратуру сетевой воды.

Весьма сложную задачу представляет очистка возду­ ха от пыли, так как запыленность его при входе в ком­ прессор не должна превышать 10 мгім3.

Ранее указывалось, что в качестве добавочного мож­ но использовать жидкое топливо или метан, извлекаемый дегазационными установками. Технико-экономический расчет показал, что вариант использования ГТ ТЭЦ на шахтном газе более экономичен по сравнению с опти­ мальной схемой энергоснабжения на базе паротурбин­ ных ТЭЦ и районных котельных.

По данным Алма-Атинского отделения Промэнерго-

72

300 тыс. г условного топлива в год.

Значительно шире возможности использования газа в ГТУ Донецкого бассейна, где дегазация применяется на шахтах с газообильиостыо более 15 м31т, общее метановыделенне на которых составляет около 3 млрд, м3 в год. Дегазационными же установками извлекается только 368 млн. м3 в год, плп 12,5% от общего количества мета­ на. Если принять степень использования метана дегаза­ ционных установок 85%, то это составит 313 млн. м3 в год. Это количество газа позволяет установить 35 ГТУ с суммарной электрической мощностью 210 тыс. кет. Для этих же целей необходимо будет около 100 млн. м3 в год метана, выносимого вентиляционной струей. Годовой экономический эффект от сжигания такого количества газа в газовых турбинах составит примерно 18 млн. руб. Если учесть перспективу развития дегазации в связи с углублением шахт и повышением нагрузки на очистные забои, то объемы извлекаемого и используемого газа бу­ дут значительно (в 1,5—2 раза) больше, а экономиче­ ский эффект может достичь примерно 30 млн. руб. в год.

Г Л А В А III. СЖИГАНИЕ КАПТИРУЕМОГО ГАЗА В ТОПКАХ ШАХТНЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Перевод котельных установок

ствердого топлива на газообразное

Вдайной работе не ставилась задача оценить воз­ можности и экономичность использования газового топ­ лива в различных типах паровых и водогрейных котлов отопительных и промышленных котельных. Существует большое количество схем переоборудования котельных с твердого топлива на газ, созданы различные типы горе­ лок, регуляторов и т. п. Разработаны и изданы правила безопасности в газовом хозяйстве, накоплен богатый опыт проектирования и эксплуатации котельных с раз­ личными типами котлов п их производительностью. Все это изложено в специальной литературе [26, 27, 29, 30], которой рекомендуется пользоваться при использовании шахтного газа. Поэтому ниже приводятся только необхо-

73

лимьге сведения, чтобы рассчитать потребное количест­ во шахтного газа для подачи в котельную в зависимости от ее производительности, и освещены специфические во­ просы защиты дегазационных систем, контроля за их ра­ ботой и безопасностью.

Применение газового топлива вместо твердого дает ряд неоспоримых преимуществ: облегчает труд персо­ нала, обслуживающего котлы: расширяет возможности интенсификации процессов и повышает производитель­ ность установок; теплота горючих газов лучше исполь­ зуется, так как поверхность нагрева не покрывается зо­ лой; отсутствует потребность в складском помещении; территория котельной и воздушный бассейн не загряз­ няются топливом и его остатками.

Однако при пользовании шахтным газом всегда надо помнить и об основном его недостатке — способности об­ разовывать с воздухом взрывоопасные смеси, которые могут привести к разрушениям п несчастным случаям. Положение усугубляется еще п тем, что котельная полу­ чает газ от вакуум-насосной станции, которая связана с шахтой. Поэтому при использовании газа угольных ме­ сторождений должна быть гарантирована от аварийных ситуаций не только котельная, но и дегазационная си­ стема.

Перевод котельных установок с твердого топлива па газообразное осуществляется по проектам, выполненным проектными организациями в соответствии с требования­ ми правил безопасности в газовом хозяйстве. В Дон­ бассе проектированием газоснабжения шахтных котель­ ных газом дегазационных установок занимается проект­ но-конструкторское бюро треста «Донецкуглеавтоматнка».

Основанием для проектирования служит заказ, выда­ ваемый шахтой проектной организации. Проект должен разрабатываться с учетом специфических свойств шахт­ ного газа II требований, предъявляемых к котельным установкам со стороны Котлонадзора. Кроме того, он должен отвечать санитарным и противопожарным требо­ ваниям II нормам. Любые отступления от технических норм II правил, допускаемые по местным условиям или направленные на повышение безопасности обслужива­ ния газового хозяйства котельной, должны быть до на­ чала монтажных работ согласованы с местным органом Госгортехнадзора. Заказчик предоставляет проектной

74

организации требуемую техническую документацию по котельной.

Важная стадия проектирования— определение по­ требности в газовом топливе, в результате чего устанав­ ливаются возможность обеспечения котельной газом и целесообразность перехода на газообразное топливо. Обычно необходимое количество газа определяется по тепловым нагрузкам отдельных потребителей, исполь­ зующих пар пли горячую воду. Для шахтных котельных тепловая нагрузка чаще задается количеством выраба­ тываемого пара при известных начальных параметрах. В этом случае расход газа определяется по формуле [29]

(16)

где В — расход метано-воздушной смеси, нм31час; /„ — теплосодержание пара при выходе из котла,

принимаемое по таблицам водяного пара; г’ип — теплосодержание питательной воды, численно

равное ее температуре; т]ку —■ коэффициент полезного действия котельной

установки;

D — номинальная паропроизводнтслытость одного котла, м3!час.

Для примера можно рассмотреть проектные решения по переоборудованию котельной шахтоуправления им. Бажанова комбината «Макеевуголь» с отопления углем на отопление метаном. На этой шахте предусмотре­ но сжигать газ в топках трех паровых котлов типа ДКВ-10/13 при номинальной паропронзводителыюсти каждого котла 10 тічас с рабочим давлением в котле 6 кг!см2. Перевод котлов на шахтный газ предусматри­ вается с сохранением существующей системы подачи топлива, воды и удаления шлака, т. е. твердое топливо является резервным. Концентрация метана в смеси, от­ сасываемой дегазационной установкой, регулярно пре­ вышает 40%. Расход такой смеси на один котел при тем­

75

Общий расход газа на три котла 2310-3 = 6930 нмУчас, млн 115 нмУман.

Для обеспечения его подачи на шахте строится еще одна вакуум-насосная станция, на которой предусматри­ вается установка вакуум-насоса ДВВН-150 максималь­ ной производительностью до 150 мЧмин.

Для сжигания газа с фронта каждого котла установ­ лено по 3 подовые горелки, т. е. по горелке на каждое загрузочное окно. Подовые горелки рассчитывались по методике института газа АН УССР. Диаметр трубы го­ релки принят 108 мм, а давление газа перед горелкой должно быть равным около 500 мм вод. ст. Воздух для горения подается от существующих дутьевых вентиля­ торов пли поступает вследствие разрежения в топке че­ рез дверки поддувала. Для каждого котла необходимо подавать более 9 тыс. м31час воздуха.

При переводе котлов на газ в их обмуровке пред­ усмотрено установить по 2 взрывных предохранительных диафрагмы в топках котлов и по 2 — в газоходах кипя­ тильного пучка.

В помещении котельной обязателен не менее чем трехкратный воздухообмен. Для этого в верхней части оконных проемов сзади котлов устанавливают 3 жалю­ зийные решетки с 4 цилиндрическими дефлекторами № G диаметром 600 мм и производительностью 3000 м31час каждый.

Примерная схема разводки газа в котельной показа­ на па рис. 17. Проект должен предусматривать автомати­ ку газовой безопасности, которая может быть увязана с элементами автоматической защиты вакуум-насосной станции. В котельной или в специальном помещении обычно предусматривается установка запорно-предохра­ нительного клапана ПКН-100 или ПКН-200 с электро­ магнитом, получающим импульс от газоанализатора ва­ куум-насосной станции. Для поддержания давления в за­ данных пределах на газопроводе устанавливается регу­ лятор давления, например, типа РДУК-2Н. Однако опыт эксплуатации этого регулятора на шахтах Донбасса по­ казал, что он не всегда обеспечивает регулирование дав­ ления. Поэтому поддержание нужного давления осуще­ ствляется по иной схеме, описанной ниже. На газопрово­ де в котельной обязательна установка водоотделителей и продувочных свечей, которые выводятся выше крыши здания котельной на 1 м.

76

__ у — З аслонка ре гу л и ру ю щ а я

—$— Кран натяжной га зо в ы й

му ф т о в ы й

— О — Д и а ф р а г м а д л я га з о м е р а

Рис. 17. Схема подачи газа к котлам

Смонтированный газопровод для подачи газа в ко­ тельную испытывается на прочность и плотность в соот­ ветствии с «Правилами безопасности в газовом хозяй­ стве». После монтажа и испытания газопроводы дважды окрашивают масляной краской в светло-коричневый цвет.

Аппаратура контроля и защиты дегазационных систем при использовании каптируемого метана

При использовании газа должна быть обеспечена за­ щита дегазационной системы и котельной от возможных взрывов метана при снижении концентрации его в отса­ сываемой смеси до взрывчатой, а также при резком из­ менении режима работы и производительности дегаза­ ционной установки.

77

Выполнение изложенных требований можно обеспе­ чить путем контроля за работой дегазационной установ­ ки и управления процессами дегазации п подачи газа по­ требителю. Для этого необходима специальная аппарату­ ра контроля, регулирования и защиты дегазационных си­ стем.

В соответствии с требованиями действующих «Пра­ вил безопасности в угольных и сланцевых шахтах» и по­ ложениями «Временного руководства по дегазации угольных шахт» на шахтах для обеспечения технологии ведения дегазационных работ должен осуществляться систематический контроль за параметрами извлекаемого газа и режимом работы дегазационной системы. Этими требованиями определены места и периодичность контро­ ля. Контрольно-измерительную аппаратуру следует эксплуатировать в соответствии с инструкциями заводовпзготовителей. Выход из строя какого-либо прибора или неправильные показания его при технологическом конт­ роле за работой дегазационной установки не создают внезапно аварийную ситуацию.

Другое положение складывается при использовании газа, параметры которого (концентрация и давление) должны поддерживаться в определенных пределах. Вследствие этого дегазационная система дополнительно оборудуется защитной и регулирующей аппаратурой, часть элементов которой не является серийной заводской продукцией. Некоторые устройства не предназначены непосредственно для применения при использовании га­ за, извлекаемого дегазационными установками. По ука­ занным причинам отсутствуют рекомендации по эксплуа­ тации некоторой защитной аппаратуры, а в ряде случаев эти рекомендации составлены для других условий и должны быть скорректированы при эксплуатации этой аппаратуры на дегазационных станциях. Поэтому ниже приведены основные положения по контролю и защите дегазационных систем при использовании метана.

Всоответствии с требованиями «Правил безопасности

вугольных и сланцевых шахтах» дегазационные установ­ ки должны располагаться на поверхности шахты. В этом случае возможны два варианта подачи газа потре­

бителю.

При расположении вакуум-насосной станции недале­ ко от потребителя (котельной) газ подают под давлени­ ем, создаваемым вакуум-насосом, которое в этом случае

78

не должно превышать 0,25 ати. Увеличение давления после вакуум-насосов от 0,25 ати и выше вызывает суще­ ственное снижение производительности и эффективности работы дегазационной системы. Аппаратура контроля при такой схеме подачи газа размещается непосредствен­ но у вакуум-насосов, а исполнительные устройства систе­ мы защиты устанавливаются у здания вакуум-насосной станции на нагнетательном газопроводе, по которому по­ дается газ потребителю.

При расположении дегазационной станции на значи­ тельном расстоянии от потребителя вакуум-насосы долж­ ны развивать давление, превышающее 0,25 ати. В этом случае для подачи газа рекомендуется устанавливать дополнительные вакуум-насосы, которые работают по­ следовательно с основными. Аппаратура защиты при по­ следовательной работе основных и донолителыіых ва­ куум-насосов размещается у здания дегазационной уста­ новки.

Для контроля за работой дополнительных насосов устанавливаются такие же контрольно-измерительные приборы, как и для основных (рис. 18). Назначение ап­ паратуры указано в табл. 18.

При нормальном рабочем режиме дегазационной си­ стемы газ от вакуум-насосов через водоотделитель по сборному газопроводу направляется потребителю. Коли­ чество газа контролируется расходомером. Если необ­ ходимо подавать только часть газа, то верхнюю задвиж­ ку 8 частично приоткрывают, регулируя тем самым коли­ чество газа, подаваемого для использования. Излишки газа выбрасываются через свечу 7 в атмосферу. Верхний предел давления газа в системе определяется уровнем жидкости в клапане избыточного давления. При повы­ шении давления излишки газа через гидрозатвор также выбрасываются в атмосферу. Ннжипй предел давления контролируется сигнализатором падения давления, свя­ занным цепью управления с клапаиом-отсекателем и зву­ ковой и световой сигнализацией, установленной в машин­ ном зале. В нормальном рабочем режиме контакты сиг­ нализатора давления находятся в разомкнутом состоя­ нии.

После каплеуловителя установлена заборная трубка, по которой газ поступает для анализа к двум газоанали­ заторам. Газоанализаторы связаны цепыо управления с клапаном-отсекателем, задвижками, а также со звуковой

79