СПОСОБ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E21C41/18 

Изобретение относится к горной промышленнности и может быть использовано при подземной и открытой разработке угольных месторождений.

Известны и широко применяются различные способы и технологические схемы отработки угольных месторождений, включающие вскрытие и подготовку угольных пластов стволами или траншеями, капитальными и участковыми горными выработками, выемку угля из пласта и доставку его потребителям для переработки [1,2]
Однако известные способы отработки угольных пластов в целом характеризуются высокой трудоемкостью, связанной с необходимостью перевозок больших количеств угля на большие расстояния, и не обеспечивают необходимых требований по обеспечению экологической чистоты на всех стадиях добычи и переработки угля. Особенно большое отрицательное воздействие на окружающую среду оказывает добыча и переработка низкосортных классов углей, таких так бурые угли.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ [3] отработки угольных пластов с подземной газификацией угля, включающий сжигание (газификацию) угля в пласте, отвод высокотемпературных продуктов сжигания угля из шахты и производство (выработку) электроэнергии с помощью паросилового цикла путем глубокого охлаждения продуктов сжигания угля (прототип).

Известная энергетическая установка с подземной газификацией угля содержит основной паросиловой контур с парогенерирующей поверхностью, турбиной, конденсатором и насосом, а также дополнительной паросиловой контур аналогичного оборудования с низкокипящим теплоносителем и теплофикационный контур для утилизации тепла, отходящего от обоих паросиловых контуров.

Однако в известном способе и энергетической установке в подземном очаге горения и газификации угля не обеспечивается эффективное управление процессом сжигания угля, а образующиеся вредные химические вещества и соединения не поддаются полному контролю и эффективной утилизации. При использовании паросилового цикла для производства электроэнергии, имеющего общий коэффициент полезного действия не более 30-40% эффективность отработки угольного месторождения в конечном итоге оказывается низкой.

Цель изобретения повышение экономической эффективности и экологической чистоты отработки угольного месторождения путем сокращения числа звеньев технологической цепи и снижения трудозатрат на добычу и переработку угля.

Поставленная цель достигается тем, что в способе отработки угольных месторождений, включающем вскрытие и подготовку угольных пластов стволами или траншеями, капитальными и участковыми горными выработками, выемку угля на пласта и подачу его на переработку, одновременно с добычей угля непосредственно на горном предприятии (на шахте или на карьере) осуществляют переработку (преобразование) угля в топливную композицию в виде генераторного газа и пылевидного твердого топлива, которую подвергают предварительному сжатию и затем подают в камеру сгорания газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания с электрическим генератором. Тепло отходящей струи двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины направляют для производства паровоздушного дутья, которое используют для преобразования добываемого угля в топливную композицию. Зону и другие твердые остатки используют для производства строительных материалов направляют во внутренние отвалы или же в выработанное пространство в качестве закладочного материала.

Комплекс оборудования для отработки угольных месторождений, включающий парогенерирующее устройство и электрический генератор, дополнительно снабжен термогазогенератором топливной композиции в виде горючего газа или их смеси (генераторного газа) и пылевидного твердого топлива, к которому подключено устройство сжигания топливной композиции и преобразования энергии последней в механическую работу, например газовая турбина или двигатель внутреннего сгорания, к выхлопам которых через парогенерирующее устройство подключен термогазогенератор топливной композиции.

На фиг. 1 представлена технологическая схема работы комплекса оборудования для отработки угольных месторождений с газотурбинной энергетической установкой; на фиг. 2 то же, с энергоустановкой на базе двигателя внутреннего сгорания.

Предлагаемый комплекс содержит термогазогенератор 1 топливной композиции, газотурбинную энергоустановку 2, парогенерирующее устройство 3, вертикальную шахту 4 термогазогенератора, реакционную камеру 5 термогазогенератора, газораспределительную решетку 6, трубопроводы (каналы) 7 паровоздушного дутья, стационарный слой 8, псевдосжиженный слой 9, топливную композицию 10, канал 11 для подачи вторичного воздуха, компрессор 12, горелочное устройство 13, камеру 14 сгорания, газовую турбину 15, электрический генератор 16, шнековый золоудалитель 17, накопитель 18 золы.

На фиг. 2 изображен двигатель 19 внутреннего сгорания поршневого типа (дизельный двигатель).

Предлагаемый способ отработки угольных месторождений реализуется следующим образом.

П р и м е р 1. Пусть угольное месторождение (его часть) отрабатывается с помощью шахты, тем или иным образом вскрывающей и подготавливающей к отработке угольные пласты и имеющей ту или иную традиционную технику и технологию добычи угля. Для реализации предлагаемого способа в подземных условиях шахты стационарным или полустационарным образом (у главной вскрывающей выработки-ствола или в районе какого-то крыла шахтного поля выемочного блока соответственно) устанавливают термогазогенератор 1 топливной композиции с газотурбинной энергетической установкой 2 и парогенерирующее устройство 3. Добываемый в очистных забоях уголь доставляют к месту расположения энергоустановки и после предварительного обычного дробления (при необходимости) по вертикальной шахте 4 термогазогенератора 1 подают в его реакционную камеру 5 на газораспределительную решетку 6. По трубопроводу 7 в реакционную камеру 5 под решетку 6 подают паровоздушное дутье. Над газораспределительной решеткой 6 обpазуется стационарный слой перерабатываемого топлива (угля) 8, а над последним псевдосжиженный слой 9.

Проходя последовательно стадии нагрева, сушки, пиролиза и газификации добываемый уголь в термогазогенераторе 1 преобразуется (перерабатывается) в топливную композицию, состоящую из смеси горючих газов (генераторного газа) и пылевидного твердого топлива (угля), собирающейся в верхней части реакционной камеры 5.

В термогазогенератор 1 по каналу 11 подают также определенное количество вторичного воздуха, который вместе с топливной композицией направляют в газотурбинную энергетическую установку 2. Далее топливную композицию подвергают сжатию компрессором 12 и через горелочное устройство 13 направляют в камеру 14 сгорания, высокотемпературные продукты сгорания топливной композиции подают на газовую турбину 15, приводящую во вращение электрический генератор 16, питающий внешние потребители электроэнергии.

Поскольку выхлоп газовой турбины 15 все еще имеет достаточно высокую температуру, то его направляют в парогенерирующее устройство 3, вырабатывающее водяной пар, который снова подают по трубопроводу 7 в реакционную камеру 5 термогазогенератора 1.

Таким образом, добываемый шахтой уголь вообще не выдается на поверхность, а сама шахта превращается из поставщика топлива, т.е. из поставщика сырья, в производителя наиболее универсального и экологически чистого вида энергии, а именно электроэнергии.

По мере переработки угля в термогазогенераторе 1 удаление золоотходов из реакционной камеры 5 осуществляют шнековым золоудалителем 17, а саму золу 18 направляют на установку производства строительных материалов, размещенную также в подземных условиях шахты, либо направляют в выработанное пространство в качестве закладочного материала.

П р и м е р 2. Рассмотренный выше пример реализации предлагаемого способа отработки угольного месторождения основан на использовании газотурбинной энергетической установки, имеющей ряд несомненных достоинств, таких, в частности, как достаточно высокий коэффициент полезного действия, достигающий порядка 60% Однако в ряде случаев более предпочтительным может оказаться реализация предлагаемого способа отработки угольных пластов с использованием более простых и менее капиталоемких энергетических установок на базе двигателей внутреннего сгорания поршневого типа, т.е. дизельных энергоустановок (фиг. 2).

Как и в предыдущем случае, под землей в шахте устанавливают термогазогенератор 1 топливной композиции, энергетическую установку 2 на базе двигателя внутреннего сгорания и парогенерирующее устройство 3. Добываемый в очистных забоях уголь доставляют к месту установки термогазогенератора 1 и после обычного дробления подают его через вертикальную шахту 4 в реакционную камеру 5 на газораспределительную решетку 6. Под решетку 6 подают паровоздушное дутье, поэтому над ней образуется стационарный слой 8 и псевдосжиженный слой 9 перерабатываемого топлива (угля).

Проходя последовательно стадии нагрева, сушки, пиролиза и газификации уголь преобразуется в топливную композицию газа и пылевидного твердого топлива (частиц угля), скапливающуюся в верхней части 10 реакционной камеры 5 термогазогенератора 1. Одновременно по каналу 11 в термогазогенератор подают определенное количество вторичного воздуха, который вместе с топливной композицией направляют для питания в двигатель 20 внутреннего сгорания, приводящий во вращение электрический генератор 16, вырабатывающий электрическую энергию, как для питания внешних потребителей, так и для собственных нужд шахты.

Высокотемпературный выхлоп двигателя 20 внутреннего сгорания направляют в парогенерирующее устройство 3, выход которого используют для формирования паровоздушного дутья, подаваемого по каналу 7 в реакционную камеру 5 термогазогенератора 1.

П р и м е р 3. Пусть месторождение угля отрабатывается с помощью обычной (традиционной) техники и технологии открытым способом. При этом основными и наиболее трудоемкими технологическими процессами открытой добычи угля является вскрышные и выемочные работы, а также доставка (вывоз) угля из карьера. Предлагаемый способ отработки месторождения в данном случае реализуют следующим образом.

Термогазогенераторы 1 топливной композиции энергоустановки 2 и парогенерирующие устройства устанавливают непосредственно на добычных экскаваторах, работающих в добычных (выемочных) уступах, запускают их в работу и одновременно с добычей угля осуществляют выработку электроэнергии, причем не просто на карьере, а практически в добычном уступе, т.е. максимально приближенно к месту залегания угля, как первичного энергоносителя, что позволяет максимально снизить и трудозатраты связанные с перемещением топлива (угля). В остальном же предлагаемый способ реализуется совершенно также, как и в предыдущих примерах.

Во всех случаях (примерах) реализации предлагаемого способа отработки угольных месторождений переработку угля в электроэнергию осуществляют путем двухступенчого (двухстадийного) низкотемпературного сжигания угля в специальных стационарных или полустационарных в том числе и транспортных, термогазогенераторах топливной композиции в виде генераторного газа и пылевидного твердого топлива. При этом температуру в реакционной камере термогазогенератора, как первой стадии переработки угля, поддерживают на уровне 800-900^оС. На второй стадии топливную композицию с добавкой определенного количества вторичного воздуха подвергают сжатию и сжиганию в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания поршневого или турбинного типа. Температуру в камерах сгорания поддерживают также на относительно низком уровне (порядка 1000-1100^оС).

Этим достигается значительное сокращение образования и выброса в атмосферу окислов азота и соединений серы, а следовательно, и значительное повышение экологической чистоты отработки угольного месторождения, независимо от зольности, теплотворной способности, выхода летучих и других характеристик добываемого угля.

Предлагаемый комплекс оборудования для реализации способа отработки угольных месторождений включает термогазогенератор 1 топливной композиции, соединенный с газотурбиной (фиг. 1) или дизельной (фиг. 2) энергоустановкой 2, к выхлопу которой подсоединено парогенерирующее устройство 3.

Термогазогенератор 1 топливной композиции имеет вертикальную шахту 4 для подачи дробленного топлива (угля) в его реакционную камеру 5. В нижней части последней установлена газораспреде- лительная решетка 6 и каналы 7 для подачи паровоздушного дутья в реакционную камеру 5. Переработка угля в композицию из генераторного газа и пылевидных частиц твердого топлива происходит в стационарном и псевдосжиженном слоях 8 и 9 соответственно реакционной камеры 5.

Верхняя часть реакционной камеры 10 образует пространство, в котором окончательно формируется топливная композиция и имеет канал 11 для подачи вторичного воздуха.

Газотурбинная установка 2 (фиг. 1) имеет компрессор 12, после которого установлено горелочное устройство 13, камеру 14 сгорания и газовую турбину 15, с выходным валом которой соединен электрический генератор 16.

Энергоустановка 2 с двигателем внутреннего сгорания поршневого типа (дизельная энергоустановка фиг. 2) содержит собственно дизельный двигатель, также соединенный с электрическим генератором 16.

В нижней части термогазогенератора топливной композиции 1 под реакционной камерой 5 установлен шнековый золоудалитель 17 и накопитель золы 18.

Практическое осуществление предлагаемых способа отработки угольных месторождений и комплекса оборудования позволяет значительно повысить экономическую эффективность и экологическую чистоту разработки даже низкосортных углей путем сокращения затрат на перевозки угля и эффективного, экологически чистого низкотемпературного его сжигания с одновременным производством электроэнергии как наиболее универсального и ценного вида энергии непросредственно в условиях угледобывающих предприятий.

Использование: при добыче и переработке угля. Сущность: угольное месторождение вскрывают и производят выемку угля. Одновременно с добычей производят переработку угля в топливную композицию в виде генераторного газа и пылевидного твердого топлива. Композиция предварительно сжимают и подают в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с электрическим генератором, а тепло отходящей струи направляют на паровоздушное дутье. Золу и другие твердые остатки переработки используют для производства стройматериалов или для закладки. Для переработки используют комплекс оборудования, включающий парогенерирующее устройство и электрический генератор, а также термогазогенератор топливной композиции и ДВС, преобразующий теплоту сгорания топливной композиции в электроэнергию. Выхлоп ДВС через парогенерирующее устройство подключен к термогазогенератору топливной композиции. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ отработки угольных месторождений, включающий вскрытие и подготовку угольных пластов стволами или траншеями, капитальными и участковыми горными выработками или траншеями, выемку угля из пласта и подачу его на переработку, отличающийся тем, что одновременно с добычей угля непосредственно на горном предприятии осуществляют переработку угля в топливную композицию в виде генераторного газа и пылевидного твердого топлива, которую подвергают предварительному сжатию и затем подают в камеру сгорания газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания с электрическим генератором, а тепло отходящей струи двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины направляют для производства паровоздушного дутья, которое используют для преобразования добываемого угля в топливную композицию. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что золу и другие твердые остатки от преобразования добываемого угля в топливную композицию используют для производства строительных материалов, направляют во внутренние отвалы или не в выработанное пространство в качестве закладочного материала. 3. Комплекс оборудования для отработки угольных месторождений, включающий парогенерирующее устройство и электрический генератор, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен термогазогенератором топливной композиции в виде смеси горючего газа и пылевидного твердого топлива, к которому подключено устройство сжигания топливной композиции и преобразования энергии последней в механическую работу, например газовая турбина или двигатель внутреннего сгорания, к выхлопам которых через парогенерирующее устройство подключен термогазогенератор топливной композиции.