Теплоэнергетические ресурсы горных предприятий, подлежащие утилизации при решении тепловых и энергетических проблем России

Во многих странах мира ведется поиск новых источников энергии, вообще, и тепловой энергии, в частности. Одним их направлений такого поиска является использование вторичных ресурсов, в частности, низкопотенциальной тепловой энергии, содержащейся в природных условиях, а также выбрасываемой производственными предприятиями в природную среду. В горнодобывающей промышленности источниками такой энергии являются воздушные вентиляционные потоки, нагретые при обтекании горных пород на глубоких горизонтах, откачиваемые шахтные воды, технологические воды, дымовые газы котельных, теплота сушильных и агломерационных цехов обогатительных фабрик, теплота факельного сжигания не кондиционного дегазационного газа метана извлекаемого из угольных пластов. Кроме того, источниками низкопотенциальной тепловой энергии (НТЭ) являются многие установки общепромышленного назначения: компрессорные станции, мини электростанции, электрические приводы большой мощности.

К примеру:

• 1.    Вентилятор с производительностью 500 м³/сек в течение года выбрасывает 3,8·10⁸ кДж теплоты.

• 2.    Водоотлив с объемом отлива 150м³/час в течение года выбрасывает в окружающую среду до 2,9·10⁹ кДж теплоты.

• 3.    Вентиляция выбрасывает до 400 тыс. м³ метана или 3,6·10⁹ кДж теплоты, что в 10 раз больше энергии, потребляемой самим вентилятором.

Для утилизации НТЭ существует проблема в связи с отсутствием компактных и экономичных теплообменников, теплоутилизаторов, тепловых насосов и теплогенераторов. Как правило, с помощью теплового насоса температуру носителей НТЭ доводят до некоторой промежуточной температуры, недостаточной для обогрева зданий, с последующим подогревом ее в котлах. Это усложняет отопительную систему, так как сохраняется прежняя котельная, а к ней добавляется дополнительное оборудование теплоутилизационной системы.

Создание компактных и простых по устройству теплогенераторов – необходимо также для обогрева жилых поселений, фермерских хозяйств, коттеджей, крестьянских домов, небольших зданий, удаленных от теплоэлектроцентралей.

Осуществляемый поиск в рамках работы «Выполнить поиск и разработать обоснования целесообразности способов и средств утилизации выбрасываемой в атмосферу низкопотенциальной теплоты отходящих газовых, воздушных и водных потоков предприятий горной промышленности» направлен на решение проблемы создания системы замкнутого теплоэнергетического цикла.

В связи с восстановлением горной промышленности возрастает значение процессов тепло- и массообмена с точки зрения рационального (эффективного) использования теплоэнергетических ресурсов, поскольку важнейшими техническими задачами современного производства являются интенсификация технологических процессов при максимальной экономии сырьевых и теплоэнергетических ресурсов. Единственный путь для этого – создание эффективных теплотехнических технологий, при которых все энергетические ресурсы, включая вторичные, полностью или с максимальной полнотой используются в производстве полезной продукции, либо способствуют производству полезной продукции каждого конкретного предприятия.

Предварительное изучение состояния вентиляционных потоков на горных предприятиях России и за рубежом, показало, что значительная часть теплоты теряется в результате тепло- и массообмена со стенками горных выработок на верхних горизонтах шахт и рудников, за счет подсосов в вентиляционных каналах, в системе вентиляционных сооружений и за счет более холодных пород горного массива. Поэтому средняя температура воздушной струи на выходе на поверхность составляет в средних широтах 14-16 0С зимой и 20-25 0С летом. При соответствующем потенциале тепловой энергии исходящего потока воздуха из рудников и шахт она может быть эффективно использована. Особенно важно использование этой энергии в экстремальных ситуациях, например, при кратковременном понижении температуры атмосферного воздуха, превышающем характерные для данного региона показатели. В этом случае, как правило, тепловых мощностей, предусмотренных проектом предприятия, оказывается недостаточно, например, для обогрева воздухоподающих стволов. Использование теплоты исходящей вентиляционной струи в подобных случаях позволит исключить дефицит тепловой энергии установленных на предприятии теплопроизводящих агрегатов.

Помимо теплоты выделяемой воздушными вентиляционными потоками, существуют и другие источники тепловой энергии, такие как компрессоры, местные мини электростанции, мощные дизельные и электрические установки, технологическая вода и откачиваемые из шахт и рудников подземные воды и т.д.

Помимо экономического, существенное значение имеет экологический эффект от использования вторичных тепловых ресурсов, заключающийся в снижении количества сжигаемого топлива, а, следовательно, выбрасываемых вредных веществ. Исключается тепловое загрязнение окружающей среды за счет сокращения отходящей теплоты.

Существующие теплообменные аппараты и их конструктивные особенности пока не позволяют эффективно утилизировать теплоту отходящих вентиляционных потоков и водоотливных систем шахт и рудников.

По существующим условиям, связанным с физическими особенностями исходящих вентиляционных потоков воздуха (запыленность, влажность, давление, температура) и особенностями эксплуатации вентиляционных установок главного проветривания (обеспечение реверсирования воздушной струи, поступающей в горные выработки) целесообразно применение теплоутилизаторов на тепловых трубах с заполнением последних низкокипящим (от -50С до +80С) теплопередающим агентом. Это обеспечит повышение эффективности передачи теплоты от исходящего потока воздуха (воды, газа) за счет интенсивного кипения заполняющей тепловые трубы жидкости, а также защиту теплоутилизатора от охлаждения при реверсировании воздушного потока в холодное время года.

Проводимый поиск предполагает для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии (НТЭ) использование серийно выпускаемых тепловых насосов для следующих источников: отходящих воздушных потоков; откачиваемых и сбрасываемых шахтных и рудничных вод; технологических и оборотных вод.

По указанным источникам теплоты нами разрабатываются одноконтурные и двухконтурные технологические схемы утилизации теплоты, типажный ряд утилизаторов и тепловые насосы.

В настоящее время использование теплоты исходящих вентиляционных потоков горных предприятий находится в стадии постановки задачи и требует разработки соответствующих систем утилизации и оборудования для них. Анализ технических решений по использованию теплоты исходящих вентиляционных потоков промышленных предприятий свидетельствует о следующем:

• •    отбор теплоты от исходящих потоков осуществляется через поверхностные теплообменники циркулирующим потоком теплоносителя с последующим повышением температуры теплоносителя от постороннего источника теплоты (котельная, тепловая сеть) или в тепловом насосе;

• •    в качестве теплообменников отбора теплоты устанавливаемых в канале исходящих вентиляционных потоков, применяют теплообменники с циркулирующим водным теплоносителем, которые необходимо заменить на тепловые трубы с низкотемпературным теплоносителем (кипение паров от -5 до +8 ^оС). При передаче теплоты в поток подаваемого в шахту воздуха

целесообразно применение поверхностных теплообменников с циркулирующим по замкнутому контуру теплоносителем (типа калориферы), обеспечивая охлаждение потока воздуха в теплый период года без изменения контура циркуляции в подающем воздух ствола;

• •    в системах передачи теплоты от исходящих потоков воздуха, без применения теплового насоса, в качестве потребителя используются системы воздушного отопления помещений и система обогрева воздухоподающих стволов;

• •    в системах передачи теплоты от исходящих потоков воздуха с применением тепловых насосов в качестве потребителей используются системы обогрева воздухоподающих стволов, отопления зданий, горячего водоснабжения, обогрева теплиц.