Спосіб одержання геотермальної енергії

Спосіб одержання геотермальної енергії, що включає подачу теплоносія з поверхні в підземні гірничі виробки й переміщення його мережею гірничих виробок шахти, видачу нагрітого теплоносія і утилізацію накопиченої геотермальної енергії, який відрізняється тим, що теплоносій з подавальних виробок спрямовують до створеного у виробленому просторі каналу, при цьому термін перебування теплоносія у каналі визначають за формулою Винахід відноситься до гірничої промисловості, а саме до технології одержання геотермального тепла з надр, може знайти застосування в гірничовидобувній промисловості для забезпечення тепловою або похідними від неї видами енергії шахт або об'єктів на поверхні. Може бути використано як на діючих, так і на законсервованих шахтах. Відомий спосіб одержання геотермальної енергії [Баумгертнер С., Жерар Α., Барма P., Ви П. / Теплота земних надр: форма енергії майбутнього для верхньорейнського регіону / Глюкауф. 2002. Грудень №4, - с.14-16], який передбачає проведення з поверхні двох або більше вертикальних або похилих гірничих виробок (наприклад, свердловин) до глибини, де температура гірських порід перевищує температуру кипіння води; створення між ними, шляхом вибуху або гідророзчленовування, проникного тріщинуватого або пористого гірського масиву (називаного підземним геотермальним теплообмінником); подачу в одну з виробок води; фільтрацію води крізь теплообмінник, де відбувається її нагрівання; видачу нагрітої води на поверхню через другу виробку; утилізацію накопиченою водою геотермальної енергії. Аналог не забезпечує технічного результату так як: обмежена продуктивність способу, обумовлена обмеженням витрати води в підземному геотермальному теплообміннику, через загрозу "теплового пробою" тобто надходження не нагрітої води у виробку, що видає; - висока собівартість одержуваної енергії через дорожнечу робіт із проектування, підготовки, проведення гірничих виробок і пов'язаних із цим природоохоронних заходів; - спосіб має доволі низьку надійність внаслідок загрози заповнення порожнин підземного теплообмінника частками гірської породи або кристалами солей, що виростають у високомінералізованих водах. Найбільш близьким аналогом винаходу, що заявляється по сукупності істотних ознак, є спосіб одержання геотермальної енергії, що виноситься із шахти потоком відпрацьованого повітря [Сулковський Й., Дренда Я., Розаньський З. // Пошук і використання додаткових джерел енергії в t= 0,1 * r * c * F2 l * P2 * ln( Tm - Tb ) , де: r - густина теплоносія, кг*м-3; c - теплоємність теплоносія, Дж*кг-1*К-1; l - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт*г1 -1 *К ; F - площа поперечного перерізу каналу, м2; P - периметр каналу, м; Tm - температура масиву гірських порід, К; (19) UA (11) 82121 (13) C2 Tb - температура повітря на вході до каналу, К. 3 шахтах / Netradiční metody využití ložisek/Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava // Ostrava 12.-13. listopad 1998, - S.259-267]. Спосіб передбачає: подачу повітря з поверхні через стовбур у гірничі виробки; переміщення повітря по мережі діючих гірничих виробок шахти із припустимою швидкістю за рахунок напору вентиляторів і нагрівання його від гірських порід до температури близько 25°С; видачу повітря на поверхню через вентиляційний стовбур і утилізацію накопиченої повітрям геотермальної енергії споживачем, зокрема, "тепловим насосом". Діапазон припустимих у різного типу гірничих виробок швидкостей повітря по мінімальній і максимальній величині обумовлений вимогами "Правил безпеки у вугільних шахтах". Цими ж "Правилами... " обмежено нагрівання повітря до температури не більше 25°С, тому що ця величина є критичною на робочих місцях у підземних умовах з точки зору ерготермічних навантажень на організм людини. Ознаки найбільш близького аналога, які збігаються з істотними ознаками винаходу: - подача теплоносія з поверхні в підземні гірничі виробки й переміщення його мережею гірничих виробок шахти; утилізацію споживачем накопиченої теплоносієм геотермальної енергії. Засобами найбільш близького аналога не забезпечується досягнення ефективного технічного результату по наступних причинах: обмежена продуктивність способу, обумовлена лімітуванням витрати теплоносія в мережі гірничих виробок шахти за швидкісним фактором; - низький показник добування енергії з надр, тому що тепло віддає тільки частина породного масиву, розташована поблизу контуру діючих гірничих виробок за порівняно нетривалий час їхнього існування. У Донбасі тривалість існування одного кілометра дільничних виробок, що підготовляють, складає 1,5...2,5 року (у країнах Європи цей показник ще менше), для очисних виробок тривалість існування в межах незмінного породного контуру не перевищує кількох годин, за цей період охолодження значних об'ємів порід неможливе; - висока вартість провітрювання шахти й негативний вплив на екологічну обстановку через використання для роботи вентиляційних установок енергії, одержуваної з викопних видів пального, які відносяться до невідновлювальних і таких, що вичерпуються, видів енергоносіїв; - спосіб має обмежену область застосування, його можна ефективно реалізувати, тільки провітрюючи мережу гірничих виробок діючої шахти, і нераціонально застосовувати після її закриття внаслідок високих експлуатаційних витрат і низької продуктивності. В основу винаходу поставлене завдання вдосконалення способу одержання геотермальної енергії з теплоносія, який видається з гірничих виробок шахти, у якій шляхом введення конструктивних додаткових ознак забезпечується: - підвищення продуктивності способу; 82121 4 - розширення області застосування способу на шахти що ліквідують; - збільшення добування геотермальної енергії з гірського масиву; - зниження витрат на реалізацію способу й негативного впливу на навколишнє середовище за рахунок скорочення витрати електроенергії, одержуваної з видів енергоносіїв, що вичерпуються та невідновлювальних. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомому способі одержання геотермальної енергії, що передбачає подачу теплоносія з поверхні в підземні гірничі виробки й переміщення його мережею гірських виробок шахти, утилізацію споживачем накопиченої повітрям геотермальної енергії, теплоносій з подавальних виробок, спрямовують до створеного у виробленому просторі каналу, при цьому термін перебування теплоносія у каналі визначають за формулою: t= 0,1* r * c * F2 * ln( Tm - Tb ) l * P2 де: ρ - густина-теплоносія, кг*м-3; с - теплоємність теплоносія, Дж*кг-1*К-1, l - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт*кг-1*К-1; F - площа поперечного перерізу каналу, м2; P - периметр каналу, м; Тm - температура масиву гірських порід, К; Тb - температура повітря на вході до каналу, Κ. Причинно-наслідковий зв'язок ознак, що складають суть винаходу і технічний результат, що досягається, пояснюються наступним. Створені у виробленому просторі канали дозволяють забезпечити збір теплової енергії теплоносієм з поверхні оголених гірських порід. В ході відбору енергії вона відновлюється шляхом переносу тепла з надр. Як показали шахтні дослідження, при довжині шляху теплоносія в підземних гірничих виробках 500м і більш, встановлюється динамічна рівновага у процесі теплопереносу, яка зберігається десятками років. При цьому обсяг одержаної теплоти пропорційний площині поверхні каналів та різниці температур стінок виробок та теплоносія. Таким чином створення штучних каналів дає змогу суттєво підвищити продуктивність способу за рахунок збільшення видобування геотермальної енергії з гірського масиву. Використання капітальних гірничих виробок існуючих шахт дозволяє суттєво знизити витрати на реалізацію способу. Область застосування способу може бути розширена на шахти що піддають ліквідації. Одержана екологічно чиста геотермальна енергія сприяє зменшенню негативного впливу шахти на навколишнє середовище і забезпечується за рахунок скорочення витрат електроенергії, одержуваної з видів енергоносіїв, що вичерпуються та невідновлювальних, яка витрачається на пересунення теплоносія по гірничим виробкам та тіплообміннику. Приклад Сутність винаходу пояснюється прикладом конкретного виконання способу одержання геотермальної енергії. На Фіг.1 представлена 5 схема реалізації способу, де 1 - вертикальний шахтний стовбур що подає повітря; 2 - виробка що подає повітря; 3 - очисна виробка; 4 вентиляційна перемичка з регулятором; 5 виробка, що відводить повітря; 6 - канали, що пройдені у виробленому просторі; 7 - вентиляційна перемичка; 8 - виробка що відводить повітря; 9 компресор; 10 - вихрова труба; 11 - вентиляційний шахтний стовбур; 12 - виробка для відводу холодного повітря. Спосіб одержання геотермальної енергії реалізовано таким чином. В якості теплоносія використовували повітря. Його подавали з поверхні через вертикальний стовбур 1 у гірничі виробки що подають повітря 2. Із цих виробок повітря надходило в очисну виробку 3, а потім у вироблений простір. Регулювали напрямок потоку повітря і його витрату за допомогою переносних вентиляційних перемичок з регуляторами 4. У виробленому просторі, що утворився після виїмки копалини паралельно очисній виробці з інтервалом 40...70м проводили канали 6, що становлять собою виробку квадратного перерізу розміром 2×2м. Канали 6 з'єднані з виробками, що подають повітря 2 і виробкою що відводить повітря 5, у яких зведені глухі вентиляційні перемички 7 між парами каналів таким чином, що б забезпечувався протилежний напрямок руху повітря в сусідніх каналах. Таким чином, сукупність виробок 2 і 5, каналів 6 і перемичок 7 утворить лабіринтовий геотеплообмінник, у якому повітря, рухаючись по змієподібній траєкторії, послідовно обмиває всю площу виробленого простору й нагрівається до температури оточуючого масиву, збираючи геотермальну енергію. Термін перебування теплоносія у каналах складав: t= 0,1* r * c * F2 * ln( Tm - Tb ) l * P2 де ρ=1,29кг*м-3, с=1000Дж*кг-1*К-1, -1 -1 l =0,024Вт*кг *К відповідно густина, теплоємність та коефіцієнт теплопровідності теплоносія; F=4м2, P = 8м - відповідно площа поперечного перерізу та периметр каналу; Тm=293К, Тb=313К - відповідно температура масиву гірських порід та повітря на вході до каналу. Таким чином, мінімальна тривалість перебування повітря у геотеплообміннику 0,1* 1,29 * 1000 * 16 = t * = 465c. 3 0,024 * 64 складала Цю вимогу було досягнуто при довжині змієподібній траєкторії руху повітря у каналі близько 450м (два відрізка по 200м, яки дорівнюють довжині очисного вибою, та 50м відстані між ними) і швидкості повітря коло 1м*с-1. Температура повітря на виході з каналу складала біля 40°С. Енергія, яку одержує об'єм теплоносія що знаходиться у теплообміннику (приріст ентальпії) за термін проходження від входу до виходу, дорівнює близько Е=50*10-6Дж. При розвитку видобувних робіт та збільшенні довжини каналу швидкість теплоносія може бути 82121 6 значно збільшена, наведені у таблиці 1. результати досліджень Таблиця 1 Вплив параметрів геотеплообмінника на відбір геотермальної енергії Довжина каналу, L, м 500 1000 1500 2000 Швидкість повітря, ν, 1 2 3 3 м/с Енергія теплоносія, 0,0516 0,1032 0,4644 0,6192 Q*10-9, Дж Ресурси теплоти, що надходить із надр достатні для роботи теплообмінника протягом декількох століть. З геотеплообмінника тепле повітря надходить у виробку 8 що відводить повітря, а з неї в компресор 9. Компресор 9 є побудником руху повітря мережею діючих гірничих виробок шахти. З компресора 9 тепле повітря надходить у вихорову трубу 10, де відбувається поділ на два потоки - гарячий і холодний. Гарячий, який містить теплоту, накопичену в геотеплообмінику, надходить на поверхню через вентиляційний стовбур 11 до споживача. Холодний потік повітря через виробку для відводу холодного повітря 12 рециркулює до гірничих виробок 2 що подають повітря. Фізичний зміст пропонованого способу одержання геотермальної енергії полягає у використанні теплоти породного масиву для нагрівання вихідного із шахти енергоносія, за рахунок цього відбувається збільшення його внутрішньої енергії. З геотеплообміннику, використовуючи в якості теплоносія шахтне повітря, геотермальна енергія передається в теплоперетворюючий пристрій, у цьому випадку вихрову трубу, де відокремлюється потік молекул повітря, що мають найбільшу енергію, і використовуються для передачі її споживачеві. У способі використовується штучно створений геотеплообмінник, де відбувається видобування геотермальної енергії з відпрацьованої площі родовища корисної копалини. Це дозволяє істотно збільшити показники добування енергії з надр і продуктивність процесу одержання енергії в порівнянні з відомими технічними рішеннями. Геотеплообмінник, що підживлюється енергією, яка потрапляє з надр, може функціонувати практично нескінченно. Час його продуктивної роботи обумовлюється стійкістю гірничих виробок і зношування устаткування. Значна площа перерізу штучно створених каналів у виробленому просторі, а також можливість доступу до них з метою ремонту або очищення, дозволяють суттєво підвищити надійність роботи установки по одержанню геотермальної енергії. Враховуючи конфігурацію та велику довжину каналів геотеплообмінника стає неможливим "пробої" холодного теплоносія з гірничих виробок, що подають теплоносій, до тих, що відводять. Після відпрацьовування запасів корисної копалини в межах гірничого відводу шахти вона може продовжувати існування як підприємство 7 генератор геотермальної енергії, яке складається з декількох геотеплообмінників. За рахунок використання геотермальної енергії для нагрівання повітря істотно зменшується витрата викопних енергоносіїв, що не відновлюються, таких як природний газ або вугілля, що забезпечує екологічний ефект від використання способу. При цьому, через зниження витратипалива, істотно зменшується собівартість виробленої шахтою продукції, у тому числі геотермальної енергії. 82121 8