Способ прямого нагрева воздуха для проветривания шахт

Изобретение относится к технологиям вентиляции промышленных зданий и преимущественно может быть использовано для нагрева приточного воздуха, поступающего на проветривание шахт по нагнетательной схеме, а также может быть использовано для приточных систем вентиляции промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных предприятий.

Согласно требованиям безопасности приточный воздух, поступающий в шахты, должен иметь температуру в зимних условиях не ниже +2°C. Для этих целей широко используют воздухонагреватели (калориферы), работающие с использованием нагретой воды котельных. Применение калориферов требует значительных капитальных затрат, установки с калориферами обладают большой тепловой инерцией и, что особенно важно, имеют склонность к замерзанию теплоносителя в условиях суровых зим, что приводит к отключению вентиляции и аварийному состоянию шахт, притом что КПД калориферов, как правило, не превышает 65%.

Теплоноситель в виде продуктов сгорания природного газа используют в газовых теплогенераторах, при этом продукты сгорания газообразного топлива поступают в стальные трубки калорифера [1]. Однако установки с такими калориферами обладают значительной тепловой инерцией, подвержены рискам перегорания трубок теплоносителя, характеризуются сложностью автоматического регулирования теплопроизводительности и требуют больших капитальных затрат.

Для вентиляции шахт прямым газовым нагревом воздуха известно применение струйно-диффузионных горелочных устройств с центральным подводом газа и уголковым перфорированным стабилизатором [2]. Применение струйно-диффузионных горелочных устройств в смесительных воздухонагревателях приводит к превышению регламентированных значений выбросов вредных веществ, поэтому их невозможно использовать в качестве единственного источника тепла, то есть без дополнительного использования водяных калориферов. Исходя из этого способ нагрева приточного воздуха для вентиляции шахт, включающий применение струйно-диффузионного горелочного устройства, осуществляется по двухступенчатой схеме: прямой нагрев воздуха, затем применение водяных калориферов. При этом опасность замерзания теплоносителя в водяных калориферах в условиях суровых зим и аварийного отключения вентиляции шахт сохраняется.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ прямого нагрева воздуха для обогрева больших и малых помещений, реализованный в установке для нагрева приточного воздуха, которая содержит смесительный воздухонагреватель с горелочным устройством, установленным в потоке нагреваемого воздуха [3]. Дополнительные источники тепла при этом не требуются, а нагрев воздуха осуществляют в смесительном воздухонагревателе продуктами сгорания вихревой газовоздушной смеси при постоянном соотношении «газ - воздух горения» примерно 1:15, притом что терморегулятор и регулирующий клапан воздухонагревателя позволяют поддерживать это соотношение в пределах 1:30. Способ направлен на достижение минимальной эмиссии вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода, и реализуется с помощью газового горелочного устройства, работа которого основана на организации струйно-факельного сжигания хорошо предварительно подготовленной газовоздушной смеси при значительных коэффициентах расхода воздуха и рециркуляции дымовых газов. Через радиальные отверстия смесителя газ подают в закрученный поток воздуха для горения. Образовавшаяся вихревая газовоздушная смесь истекает через щелевые сопла стабилизатора горения и сгорает при хорошей стабилизации пламени и низком содержании вредных выбросов. При этом температура пламени становится более равномерной и относительно низкой, соответственно и температура образующихся продуктов сгорания также значительно снижается по сравнению со стехиометрическим сжиганием. Для того чтобы концентрации оксидов азота и оксида углерода в дымовых газах были минимальными, поддерживают определенное соотношение между количеством газа и воздуха для горения.

Поддержание постоянного соотношения «газ - воздух горения» осуществляют в зависимости от температуры пламени по показаниям термопары, рабочий спай которой находится непосредственно в факеле горелки. Такой способ регулирования соотношения «газ - воздух горения» требует непрерывного контактного измерения температуры пламени термопарой, что для условий вихревого горения смеси может приводить к повреждению термопары и возникновению аварийных ситуаций. Кроме того, такой способ регулирования соотношения «газ - воздух горения» не может обеспечить надежную и устойчивую работу вентиляционной системы шахты в условиях низкой температуры наружного воздуха, так как не позволяет контролировать и точно поддерживать требуемую температуру нагреваемого приточного воздуха перед поступлением его в шахту.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке надежного, безаварийного и энергосберегающего способа прямого нагрева приточного воздуха для проветривания шахт по нагнетательной схеме, характеризующегося минимальной эмиссией оксидов азота и монооксида углерода.

Предложен способ прямого нагрева приточного воздуха для проветривания шахт, который, как и известный способ, включает нагрев воздуха по нагнетательной схеме продуктами сгорания, образующимися при сжигании газовоздушной смеси в горелочных блоках смесительного воздухонагревателя со струйно-вихревой стабилизацией горения при постоянном соотношении «газ - воздух горения» 1:16-1:15. Заявленный способ отличается от известного тем, что продуктами сгорания в воздухонагревателе нагревают от 25 до 60% объема приточного воздуха, необходимого для проветривания шахты, воздух нагревают до температуры +(20-60)°C, нагретый воздух подают в соединенную с воздухонагревателем смесительную камеру, а в качестве остальной части объема приточного воздуха, необходимого для проветривания шахты, в смесительную камеру одновременно с нагретым воздухом подают холодный атмосферный воздух и смешивают его с нагретым воздухом до достижения температуры приточного воздуха не ниже +2°C, которую поддерживают регулированием расхода смеси газа и воздуха горения, при этом для стабилизации гидравлического режима работы воздухонагревателей и объема приточного воздуха, необходимого для проветривания шахты, в смесительной камере поддерживают разрежение в пределах 100-500 Па.

Используемое соотношение «газ - воздух горения» соответствует коэффициенту расхода воздуха 1,6-1,7, который обеспечивает работу блока горения при сниженной температуре 1150-1250°C вблизи нижнего концентрационного предела распространения пламени, минимизируя эмиссию оксидов азота. Для получения необходимого значения температуры не ниже +2°C воздуха, поступающего в шахту в отопительный период, достаточно нагревать 25-60% объема воздуха, проходящего через воздухонагреватели, до температуры +(20-60)°C и затем смешивать его с холодным атмосферным воздухом. Объем воздуха, нагреваемого продуктами сгорания, значение температуры, до которой его нагревают, а также объем холодного атмосферного воздуха, с которым смешивают нагретую часть воздуха, рассчитывают в зависимости от температуры атмосферного воздуха известными методами [4, 5].

Такой двухэтапный процесс подготовки приточного воздуха позволяет получить заданную точность его нагрева, снизить эксплуатационные затраты, обеспечить надежную систему работы вентиляции шахты и полное соблюдение экологических требований по содержанию вредных газов в нагретом приточном воздухе (значительно менее 0,3 ПДК).

В процессе пуска и останова (открытия и закрытия клапана «рабочего хода») воздухонагревателей, при техническом обслуживании, проверке блокировок безопасности гидравлический режим работы главной вентиляторной установки и действующих воздухонагревателей не должен нарушаться, чтобы исключить возможность отключения вентилятора из-за срыва факела. Для повышения надежности вентиляции шахты системой управления ПНВ предусмотрено регулирование, а именно поддержание на заданном уровне, в пределах 100-500 Па разрежения в смесительной камере перед ГВУ путем управления положением клапана «прямого хода». При снижении разрежения ниже 100 Па расход нагреваемого воздуха падает ниже значений, при которых еще гарантируется низкое содержание вредных выбросов, а воздух при этом перегревается выше 66°C. При увеличении разрежения выше 500 Па увеличиваются потери давления вентиляторной установки и возможен срыв горения, при этом падает суммарный расход воздуха в ствол шахты, а затраты на электроэнергию для вентиляторной установки возрастают.

Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении надежности системы вентиляции шахты и экономии энергоресурсов.

Заявленный способ иллюстрируется схемой работы приточной вентиляции шахты. В ее состав входит главная вентиляторная установка (ГВУ) 1, с воздухозабором 2, клапан «прямого хода» с приводом 3, смесительная камера 4, два воздухонагревателя 5, 6 с клапанами «рабочего хода» 7. Каждый воздухонагреватель содержит горелочный блок, состоящий из смесителя 8 с принудительной подачей газа и воздуха на горение, газовоздушную камеру 9, щелевой огнепреградитель-стабилизатор, экран, запальное устройство (не показаны), трубопровод подачи газа 10 с датчиком расхода газа 11, регулирующий клапан с исполнительным механизмом 12, вентилятор с трубопроводом подачи воздуха на горение 13 и датчиком его расхода 14, клапан подачи воздуха горения с исполнительным механизмом 15, регулятор соотношения «газ - воздух горения» 16 (возможен пневматический регулятор соотношения давлений газа и воздуха горения), датчик температуры приточного воздуха 17, регулятор температуры приточного воздуха 18, датчик давления в смесительной камере 19, регулятор давления (разрежения) 20. Подготовленный нагретый воздух поступает в ствол шахты 21. Горелочные блоки воздухонагревателей оборудуются газовой автоматикой безопасности, регулирования в соответствии с ГОСТ 31849-2012. Доля продуктов сгорания (водяных паров и углекислого газа) в нагретом воздухе после смесительного воздухонагревателя составляет менее 2,5%, а в среднем за отопительный период, с учетом разбавления, - менее 0,4%.

Для обеспечения бесперебойного воздухоснабжения с автоматикой для управления режимами пуска и остановки воздухонагревателей их количество должно быть не менее двух (один из них резервный). Мощность воздухонагревателей и их количество рассчитываются по расходу воздуха на шахту, минимальной температуре поступающего в шахту воздуха не ниже +2°C и по минимальной расчетной температуре наружного воздуха в зимний период.

Регулирование температуры подачи воздуха в ствол шахты обеспечивается системой управления мощностью воздухонагревателей (поддержанием заданного соотношения расходов газа и воздуха) при автоматическом включении и выключении воздухонагревателей, в зависимости от суточного колебания температур наружного воздуха.

Природный газ по трубопроводу 10 через смеситель 8 подается в закрученный воздушный поток, подаваемый вентилятором 13, образовавшаяся газовоздушная смесь истекает через щелевые сопла огнепреградителя-стабилизатора и сгорает в зоне, ограниченной экраном. Расход природного газа определяется датчиком 11, расход воздуха горения - датчиком 14. Продукты горения смешиваются в воздуховоде воздухонагревателя с прокачиваемым ГВУ холодным воздухом, нагревая его до необходимой температуры. Необходимый расход воздуха через воздухонагреватель обеспечивается тягой, создаваемой ГВУ на всасе (разрежением). Нагретый воздух поступает в смесительную камеру 4, где смешивается с холодным воздухом, поступившим через клапан «прямого хода» 3, и далее после ГВУ поступает в вентиляционный ствол шахты. Температура подачи приточного воздуха поддерживается регулятором 19 за счет регулирования расхода газа при поддержании заданного соотношения «газ - воздух горения».

Стабилизация режимов работы ГВУ и воздухонагревателей обеспечивается регулятором давления (разрежения) 20 в смесительной камере 4. Нагретый до требуемой температуры воздух подается в ствол шахты для ее проветривания. Содержание вредных газов (CO, NO_x) в воздухе для вентиляции определяют газоанализатором (не показан). При превышении их содержания выше 30% ПДК срабатывает механизм, перекрывающий подачу газа. В данном способе обеспечивается высокий КПД системы прямого нагрева воздуха, так как практически вся теплота сгорания природного газа используется для нагрева приточного воздуха.

Способ опробован на вентиляционном стволе рудничной шахты. Проектная производительность шахты по добыче руды - 400 тыс. т в год. При этом применены два смесительных воздухонагревателя, каждый из которых имеет тепловую мощность 4 МВт. Общее количество подаваемого нагретого воздуха 160 м³/сек. Максимальный расход природного газа 780 м³/ч при расчетной температуре наружного воздуха -35°C. Распределение нагретого воздуха по четырем подэтажам шахты, м³/мин: 300, 9100, 600 и 300 соответственно. Результирующая степень загрязнения приточного воздуха не превышает 25%, т.е. содержание вредных веществ (CO и NO_x) не превышает 25% от ПДК. В частности, содержание CO=3,1 мг/м³ (ПДК=20 мг/м³); NO_x=0,128 мг/м³ (ПДК=5,0 мг/м³); NO₂=0,19 мг/м³ (ПДК=2 мг/м³).

По сравнению с традиционной схемой вентиляции: «центральная котельная - теплосеть - водяной калорифер», заявленный способ обеспечивает:

- низкую металлоемкость, т.к. отпадает необходимость строительства громоздких водяных калориферов и прокладки многокилометровых тепловых сетей;

- устойчивость, надежность и безопасность, т.к. полностью устраняется опасность размораживания водяных калориферов;

- экономичность, т.к. удельный расход топлива на нагрев приточного воздуха (среднее значение за отопительный период) снизился в 3,3 раза;

- экологичность, т.к. выбросы вредных веществ в атмосферу в расчете на единицу полезно использованной теплоты снизились по CO - в 32 раза по NO_x - в 200 раз.

По сравнению со способом-прототипом заявленный способ для подогрева приточного воздуха, поступающего на проветривание шахт, обеспечивает более высокую точность нагрева, надежность, безопасность и энергоэкономичность.

Использование заявленного способа обеспечивает надежную и устойчивую работу вентиляционной системы шахт в условиях низкой температуры наружного воздуха при точном поддержании требуемой температуры нагретого воздуха и снижает удельный расход топлива при полном соблюдении требований отечественных санитарных норм по содержанию вредных веществ.

Список литературы

1. Красноштейн А.Е. Использование газовых тепловых генераторов в системах обогрева воздухоподающих стволов шахт и рудников / А.Е. Красноштейн., Б.П. Казаков, Л.Ю. Левин, Л.А. Третьяков // Безопасность труда в промышленности. 2007. №1. С. 44-46.

2. Царев В.К. Система двухступенчатого подогрева приточного вентиляционного воздуха / В.К. Царев, В.М. Ляпаков, А.Н. Капошилов, В.Б. Карпман, А.Н. Губина // Промышленная энергетика. 1993. №6. С. 21-22.

3. Патент EP 0560454, публ. 15.09.1993.

4. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: Учебник для вузов. - СПб.: Политехника, 2001. - 423 с.

5. Теплотехника: Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.