Способ утилизации шахтной метановоздушной смеси и устройство для его осуществления

 

Использование: горная промышленность при утилизации шахтной метановоздушной смеси. Сущность изобретения: одновременно с всасыванием метано-воздушной смеси из шахты осуществляют разделение ее посредством винтового завихрителя на три потока: с высоким содержанием метана (более 80%), обогащенного метаном до 5% и с низким содержанием метана менее 0,05%. Далее первые два вышеуказанных потока раздельно направляют посредством системы подачи смеси с высокой концентрацией метана и диффузора после сжатия в камеру сгорания газотурбинного двигателя. В результате сгорания подаваемой смеси происходит преобразование энергии расширяющихся газов в энергию вращательного движения вала двигателя, к которому может быть подключен генератор электроэнергии или иной потребитель. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к утилизации шахтной метано-воздушной смеси.

Известен способ утилизации шахтной метано-воздушной смеси, основанный на переводе ее в гидратное состояние [1] Недостатком этого способа является то, что в процессе преобразования метана в гидратное состояние требуются значительные затраты энергии.

Известен способ утилизации шахтного воздуха (смесь воздуха с метаном), включающий всасывание и сжатие газообразных компонентов с последующей подачей их в камеру сгорания двигателя и направление преобразованной энергии газов потребителю [2] Устройство для осуществления этого способа содержит газотурбинный двигатель, состоящий из установленных на валу газовой турбины и компрессора, между которыми расположена камера сгорания, системы подачи топлива и потребитель энергии вращательного движения вала.

Этот способ и устройство взяты нами в качестве прототипа.

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является наличие непроизводительных затрат энергии на нагрев негорючих компонентов всасываемого шахтного воздуха, что снижает КПД процесса утилизации.

Задачей предложенного способа утилизации шахтной метано-воздушной смеси и устройства для его осуществления является повышение КПД процесса преобразования энергии метано-воздушной смеси за счет исключения вышеуказанного недостатка.

Это достигается тем, что в способе утилизации шахтной метано-воздушной смеси, включающем всасывание и сжатие газообразных компонентов смеси с последующей подачей их в камеру сгорания двигателя и направление преобразованной энергии газов потребителю, одновременно с всасыванием метано-воздушной смеси осуществляют разделение ее на три потока, первый из которых имеет высокую концентрацию метана, второй обогащен метаном и третий с низкой концентрацией метана, затем раздельно направляют первые два потока после их сжатия в камеру сгорания двигателя, а третий поток сбрасывают в атмосферу.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что устройство для осуществления данного способа, содержащее газотурбинный двигатель, состоящий из установленных на валу газовой турбины и компрессора, между которыми расположены камера сгорания, системы подачи топлива и потребитель энергии вращательного движения вала, снабжено винтовым завихрителем, установленным на полом валу с отверстиями соосно с валом двигателя, диффузором, расположенным между компрессором двигателя и винтовым завихрителем, а также системой подачи в двигатель смеси с высокой концентрацией метана, состоящей из последовательно установленных рессивера, дополнительного компрессора и коллектора, сообщенного с полостью вала завихрителя.

На чертеже показано устройство для реализации предложенного способа.

Способ утилизации шахтной метано-воздушной смеси заключается в том, что метановоздушную смесь вентиляционной струи всасывают из шахты, сообщают ей вращательное движение относительно оси ее продольного перемещения. В результате этого происходит разделение метановоздушного потока на три потока, первый из которых имеет высокую концентрацию метана свыше 80% и находится в центральной части потока, поскольку метан имеет меньшую плотность по сравнению с воздухом, второй обогащен метаном до 5% и перемещается в продольном направлении вблизи центральной части потока, а третий поток с содержанием метана менее 0,05% находится на периферийной части вентиляционного потока. Затем высококонцентрированную и обогащенную метаном смеси раздельно сжимают до 0,5 0,7 МПа и подают в камеру сгорания двигателя, а низкоконцентрированную смесь сбрасывают в атмосферу. Одновременно в камеру сгорания двигателя подают основное топливо. В результате сгорания подаваемой смеси с высоким содержанием горючих компонентов выделяется дополнительное количество тепла и происходит преобразование энергии расширяющихся газов в энергию вращательного движения вала двигателя. К валу двигателя может быть подключен генератор электроэнергии или иной потребитель энергии вращательного движения.

Устройство для реализации описанного способа состоит из газотурбинного двигателя 1, винтового завихрителя 2, установленного на полом валу 3 с отверстиями 4, диффузора 5, расположенного между двигателем 1 и винтовым завихрителем 2, системы подачи основного топлива, включающей последовательно соединенные топливный бак 6, насос 7, магистраль 8, и системы подачи смеси с высокой концентрацией метана в двигатель. Газотурбинный двигатель содержит турбину 9, воздушный компрессор 10, установленные на валу 11, и между которыми расположена камера сгорания 12. Вал 3 завихрителя и вал 11 двигателя установлены соосно относительно друг друга. Система подачи смеси с высокой концентрацией метана в двигатель выполнена в виде последовательно установленных рессивера 13, соединенного магистралью 14 с камерой сгорания двигателя, дополнительного компрессора 15 и коллектора 16, сообщенного с полостью вала 3 завихрителя.

В качестве газотурбинного двигателя применен авиационный двигатель типа ГТД-350. Диаметр винта завихрителя задается в зависимости от поперечного сечения выработки и составляют 0,6 0,8 от ее диаметра. Диаметр диффузора выбирается в зависимости от размеров и частоты вращения винта и находится в пределах 0,7 0,8 от диаметра винта. Составные элементы системы подачи топлива и смеси с высокой концентрацией метана формируются из серийно выпускаемого оборудования (топливный насос, компрессор, рессивер, магистрали, вентили). При расходе метано-воздушной смеси вентиляционной струи 60 м³/с с содержанием метана 0,5% после разделения вентиляционного потока посредством винтового завихрителя на три потока обеспечена подача смеси с содержанием метана 90% с расходом 0,2 кг/сек в камеру сгорания двигателя и подача смеси с содержанием метана до 5% с расходом 3 кг/сек через диффузор также в камеру сгорания. Поток смеси с содержанием метана менее 0,01% сбрасывается в атмосферу. В результате сжигания газообразных компонентов смеси вырабатывается 8000 кВт тепловой энергии, которая преобразована в энергию вращательного движения с мощностью на валу двигателя 2000 кВт.

Часть энергии 300 кВт использована на осуществление вентиляции шахты посредством предложенного устройства, что позволило отключить имеющееся шахтное стационарное вентиляционное оборудование, а другая часть - использована для выработки электроэнергии.

При этом на преобразование энергии метана в шахтном воздухе использовано не более 6% от всей шахтной метано-воздушной смеси, что позволило исключить непроизводительные затраты на нагрев остальной (94%) части шахтного воздуха.

Данный способ и устройство обеспечивают в результате этого повышение КПД преобразования энергии за счет уменьшения в 30 раз тепловых потерь с отработанными газами.

Формула изобретения

1. Способ утилизации шахтной метановоздушной смеси, включающий всасывание и сжатие газообразных компонентов смеси с последующей подачей их в камеру сгорания двигателя и направление преобразованной энергии газов потребителю, отличающийся тем, что одновременно с всасыванием метановоздушной смеси осуществляют разделение ее на три потока, первый из которых имеет высокую концентрацию метана, второй обогащен метаном и третий с низкой концентрацией метана, затем раздельно направляют первые два потока после их сжатия в камеру сгорания двигателя, а третий поток сбрасывают в атмосферу.

2. Устройство для утилизации шахтной метановоздушной смеси, содержащее газотурбинный двигатель, состоящий из установленных на валу газовой турбины и компрессора, между которыми расположена камера сгорания, системы подачи топлива и потребитель энергии вращательного движения вала, отличающееся тем, что оно снабжено винтовым завихрителем, установленным на полом валу с отверстиями соосно с валом двигателя, диффузором, расположенным между компрессором двигателя и винтовым завихрителем, а также системой подачи в двигатель смеси с высокой концентрацией метана, состоящей из последовательно установленных ресивера, дополнительного компрессора и коллектора, сообщенного с полостью вала завихрителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1