подземный энергокомплекс

Формула изобретения

Подземный энергетический комплекс, содержащий камеру сгорания из двух полостей, нижняя из которых заполнена водой, а в топочной полости осуществляется горение угля, систему золоудаления, турбоэлектрогенераторный агрегат, расположенные в горной выработке, сопряженной с вентиляционной сбойкой с размещенным в ней теплообменным аппаратом, отличающийся тем, что камера в нижней полости содержит устройство по разложению методом электролиза шахтной воды на кислород и водород, а горная выработка непосредственно пройдена по пласту сжигаемого угля.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области выработки электроэнергии нетрадиционным способом на подземных угледобывающих предприятиях.

Известны способы выработки электроэнергии от сжигания горючих ископаемых на электростанциях, расположенных непосредственно или вблизи этих источников. Недостаток таких систем - низкий КПД от сжигания топлива.

Используется способ сжигания угольного пласта с поверхности земли, а из компонентов сгорания вырабатываются химические элементы для промышленных и бытовых нужд. Такая подземная технология сжигания угля также может обеспечить выработку электрической энергии. Однако этот способ сложный, трудно управляемый, невыгодный из-за очень низкого КПД от преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Современные технологии добычи угля являются энергетически затратными.

От 25 до 35% электрической энергии расходуется горным предприятием только на выдачу угля из шахты. При разработке угольных пластов, залегающих на больших глубинах, энергетические затраты возрастают и, как следствие, предприятие становится нерентабельным.

Отдельные отрицательные факторы известных способов от сжигания угля с последующей переработкой тепловой энергии в электрическую энергию частично можно устранить с применением тепловой электростанции, описанной в источнике (Баптиданов Л.Н. и др. Электрические сети и станции, Москва - Ленинград: Госэнергоиздат, 1963, с.94-97). Однако тепловые электростанции являются также неэффективными:

- обладают низким КПД (от 15 до 25% топлива вообще не сгорает и выбрасывается вместе с золой в отходы);

- коммуникации, помещения с технологическими преобразующими системами тепловой энергии в электрическую энергию сложные, большие по габаритам и массам;

- доставка сжигаемого топлива (из зоны его добычи) к тепловой электростанции является затратной.

Вышеперечисленные недостатки известных способов от сжигания угля с последующей переработкой тепловой энергии в электрическую энергию частично устраняются устройством, описание которого приведено (см. патент на изобретение 2212000 «Подземный электрокомплекс»).

Электрокомплекс предназначен для выработки электроэнергии непосредственно под землей на угледобывающих предприятиях, содержит котел, в топке которого осуществляется горение угля, и турбоэлектрогенераторный агрегат, в который подается перегретый пар из котла. Котел расположен непосредственно в выработке, проделанной в породе вне зоны пласта сжигаемого угля. Электрокомплекс оборудован теплообменным аппаратом, который установлен в стволе восходящих отработанных газов. Теплообменный аппарат заполнен водой, от которой осуществляется отбор тепла при ее прерывистой принудительной циркуляции через поверхность земли, емкости, размещенные на возвышении. Отбор запасенной потенциальной энергии из отработанного водного потока осуществляется при его сбрасывании через каскады водогенераторных агрегатов, расположенных как на поверхности земли, так и на различных высотах второго ствола с вниз сходящей воздушной струей в подземный водосборник к теплообменному аппарату. Каждый орган водогенераторного агрегата выполнен в виде транспортера с рабочей и холостой ветвями с упорами и шарнирно закрепленными лопастями. На рабочей ветви лопасти фиксируются перпендикулярно водному потоку, а на холостой занимают параллельное положение.

Недостатки подземного электрокомплекса:

- низкий КПД;

- значительная удаленность его от зоны добычи угля;

- большие габариты;

- металлоемок.

Вышеуказанные недостатки можно устранить с применением парогазовой тепловой установки (пат. №2170827), описанной в ИР: №5: 2002 г. в статье «Компактная энергетика» О.Татьянина.

Парогазовая тепловая установка содержит камеру из двух полостей сгорания с регенератором и системой золоудаления. Нижняя полость камеры заполнена водой, верхняя над водой полость разделена на ряд секций, в которых сгорает топливо. Приводы турбины, электрогенератора, компрессора размещены на одном валу. При сгорании топлива парогазовая смесь проходит через все секции, выполненные в верхней полости камеры, затем попадает на турбину, приводя ее во вращение. От вала турбины вращаются электрогенератор и компрессор. Подогрев воды в камере осуществляется парогазовой смесью, отходящей от турбины через регенератор и экономайзер.

Установка компактна. Ее КПД выше известных аналогичных энергетических комплексов (установок).

Недостатки парогазовой тепловой установки:

- в целом все же невысокий КПД;

- сложность отдельных конструктивных элементов.

Задачей предлагаемого изобретения является:

- повышение КПД при сжигании угля непосредственно под землей при выработке электрической энергии;

- обеспечение централизованной, высокоэффективной нейтрализации вредных газов, образующихся при горении топлива;

- подземная утилизация отходов;

- использование отработанной тепловой энергии от сгорания угля для отопления промышленных и бытовых помещений;

- создание и внедрение новой технологии добычи угля с высокой степенью автоматизации;

- повышение рентабельности подземного угледобывающего предприятия.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет того, что подземный энергокомплекс содержит камеру сгорания из двух полостей, нижняя из которых заполнена водой, а над ее поверхностью в топочной парогазовой полости осуществляется горение угля и турбоэлектрогенераторный агрегат, в который подается парогазовая смесь из камеры, снабженной регенератором с системой золоудаления, отличающийся тем, что камера в нижней полости содержит устройство по разложению методом электролиза шахтной воды на кислород и водород, совместно с турбоэлектрогенераторным агрегатом, установлена в выработке, изготовленной в пласте сжигаемого угля, сопряженной с вентиляционной сбойкой с размещенным в ней теплообменным аппаратом.

Подземный энергокомплекс на чертеже состоит из горизонтальной выработки 1, сопрягаемой с вентиляционной сбойкой 2. В выработке 1 установлена камера сгорания 3, состоящая из двух полостей 4, 5. Нижняя полость 5 заполнена шахтной водой. Верхняя полость 4 - зона горения топлива.

Полость 4 поделена перегородками на секции (выше уровня воды). В нижней полости 5 камеры сгорания 3 установлено устройство 6 по разложению шахтной воды на кислород и водород методом электролиза. В полости 5 камеры 3 установлен регенератор 7. Воздуховодом 8 камера 3 соединена с эжектором 9 и компрессором 10. В выработке 1 установлен транспортер 15 для подачи угля 16. Под транспортером 15 расположен дозирующий питатель 12 с дробильным агрегатом 11. От камеры 3 проложен канал 24 к стабилизатору газопаровой смеси 22. Каналом 19 стабилизатор 22 и дроссельные заслонки 20, 21 соединяются с турбиной 13. На одном валу с турбиной 13 крепятся приводы компрессора 10, электрогенератора 14, а также через муфту электродвигатель 23 (в совокупности образуя турбоэлектрогенераторный агрегат). Вал турбоэлектрогенераторного агрегата механически (или электрически) соединен с валом дробильного агрегата 11. От турбины 13 проложены каналы к вентиляционной сбойке 2, к регулятору потока 25 и регенератору 7. Выход регенератора 7 соединен с вентиляционной сбойкой 2. Теплообменный аппарат 17, установленный в вентиляционной сбойке 2, соединен водоводом 18, идущим от центрального шахтного водоотлива, с водоводом 26 и устройством 27 (по отбору тепла), размещенным на поверхности земли. В верхней части вентиляционной сбойки 2 выполнен канал 34, соединяющий эжектор 28 (вентилятор) с устройством нейтрализации газов 29 и трубой 30. Устройство нейтрализации газов 29 снабжено механизмом удаления отходов 32. В камере сгорания 3 в нижней ее полости 5 на дне установлена система золоудаления 33. Пульт управления подземным энергокомплексом размещен в здании 31.

Подземный энергокомплекс работает следующим образом. В выработке 1 транспортером 15 уголь 16 из зоны добычи подается на дозатор 12, затем в дробильный агрегат 11. Измельченное в агрегате 11 до необходимой фракции угольное топливо эжектором 9 подается по воздуховоду 8 в полость 4 камеры сгорания 3. Проходя последовательно через все секции верхней полости 4 камеры сгорания 3, воздушно-угольная смесь, интенсивно перемешиваясь, образуя «кипящий поток», почти полностью сгорает. При этом образуется высокотемпературная среда, от которой верхний слой воды в полости 5 камеры сгорания 3 превращается в пар, образуя парогазовую смесь. Совместно газы от сгорания угля и пара образуют турбулентные потоки парогазовой смеси в полости 4 и в полости 5, заполненной водой камеры сгорания 3. Парогазовая смесь по каналу 24 подается в стабилизатор 22. В нем приводится к необходимой температуре, скорости потока и через дроссельные заслонки 20, 21 подается на турбину 13, приводя ее совместно с электрогенератором 14, компрессором 10 и дробильным агрегатом 11 во вращение. (Первоначальный запуск дробильного агрегата 11, генератора 14 и компрессора 10 осуществляется от электродвигателей М2 (23) и М1 с индивидуальными источниками питания.) При работе компрессора 10 эжектор 9 отключается. В последующем измельченный уголь поступает в полость 4 камеры сгорания 3 от работы компрессора 10. Отработанная с турбины 13 высокотемпературная парогазовая смесь сбрасывается в вентиляционную сбойку 2. Определенное количество газопаровой смеси через регулятор потока 25 по каналу подается в регенератор 7, за счет чего вода в полости 5 камеры 3 нагревается. Отработанная парогазовая смесь от регенератора 7 сбрасывается по каналу в вентиляционную сбойку 2. Нагретая вода в полости 5 камеры 3 в совокупности с парогазовой смесью в полости 4 способствует увеличению ее турбулентного течения. В результате она интенсивно перемешивается с парогазовой средой и становится воздушно-взвешенной (рыхлой), от чего ее плотность резко уменьшается. От работы устройства 6 по разложению методом электролиза шахтной воды на кислород и водород из объема воды полости 5 камеры сгорания 3 будет интенсивно выделяться водород и кислород при минимальном расходе электрической энергии. Выделенный из воды водород поступает в верхнюю полость 4 камеры 3 - зону горения, где сгорает совместно с углем. Из-за высокой калорийности от сгорания водорода в зоне горения полости 4 камеры 3 резко повышается температура парогазовой смеси и скорость ее перемещения. При этом измельченный уголь полностью сгорает с минимальным образованием золы. С момента поступления газа водорода в полость 4 камеры сгорания 3 объем подачи угля в зону горения резко уменьшается. Зола от сгорания угля оседает на дно полости 5 камеры сгорания 3 и с накоплением удаляется через систему золоудаления 33. Основной поток отработанной парогазовой смеси с турбины 13 сбрасывается в вентиляционную сбойку 2, который проходит через теплообменный аппарат 17. Горячий поток парогазовой смеси нагревает в теплообменном аппарате 17 воду, закачиваемую по водоводу 18 из шахтного водоотлива. Нагретая вода по водоводу 26 поступает в устройство по отбору тепла 27, установленное на поверхности земли. «Отобранное тепло» с устройства 27 используется на обогрев промышленных, технологических и др. помещений. Охлажденная вода сбрасывается в естественное углубление. В верхней части вентиляционной сбойки 2 парогазовая смесь попадает в канал 34 и эжектором 28 подается в устройство нейтрализации газов 29, где очищается, затем выбрасывается через трубу 30 в атмосферу. С помощью механизма 32 осуществляется удаление отходов от нейтрализации парогазовой смеси.

Управление подземным энергокомплексом осуществляется дистанционно в автоматическом режиме с пульта, установленного в здании 31.

С применением подземного энергокомплекса:

- КПД при выработке электрической энергии будет наибольшим в сравнении со всеми ранее известными аналогичными установками;

- от совместного сгорания угля и водорода (при подборе их оптимальных параметров по массам или объемам) обеспечится полное сгорание топлива с минимальным его расходом;

- отпадет необходимость транспортирования угля внутри шахты и его подъема на поверхность, при этом намного сократится суммарный расход электроэнергии на угледобывающем предприятии;

- сократится объем горношахтного оборудования (электровозы, вагонетки, рельсовые пути, ленточные транспортеры, многотонные клети, скипа, мощные подъемные установки и многое др.);

- на разложение шахтной воды методом электролиза на кислород и водород будет использовано часть сэкономленной электроэнергии;

- обеспечится централизованная, высокой степени нейтрализация вредных газов от сгорания топлива и утилизация их компонентов;

- любое подземное горнодобывающее предприятие станет высокоэффективным и высокорентабельным (свыше 80% в сравнении с существующими современными угледобывающими предприятиями, ведущими отработки угольных пластов традиционными способами), независимо от глубины залегания угольных пластов;

- регионы с подземными горнодобывающими предприятиями станут экономически развитыми, перейдут на экологически чистый вид топлива - электроэнергию;

- можно создать безлюдную технологию добычи угля в виде шахты-автомата.