Спосіб вилучення метану із вихідного загальношахтного вентиляційного струменя і пристрій для його здійснення

1. Спосіб вилучення метану із вихідного загальношахтного вентиляційного струменя, згідно з яким поділ струменя на два потоки: центральний з підвищеною концентрацією метану і збіднений на метан периферійний потік - проводиться за допомогою закручування струменя, який відрізняється тим, що поділ вентиляційного струменя проводиться послідовно в два етапи: на першому етапі створюється центральний потік (20...25)%-вої очищеної від шахтного пилу метанової суміші, що направляється на додаткову обробку на другому етапі, і периферійний насичений шахтним пилом потік з концентрацією метану (0,01...0,05)%, що випускається в атмосферу, а на другому етапі створюється центральний потік (70...95)%-вої охолодженої зневоложеної метанової суміші і периферійний потік зволоженого повітря з концентрацією метану (0,01...0,05)%, який випускається в C2 2 (19) 1 3 85658 4 стосована в гірничій промисловості для зменшенважких компонент, включаючи вугільний пил. Вони ня забруднення повітря парниковим газом з однонаправляються на повітряні фільтри. Відносно часним отриманням високоякісної висококонцентлегке внутрішнє ядро важких компонент, яке скларованої метано-повітряної суміші для виробництва дається з очищеного повітря, азоту і слідів метану теплової і електричної енергії. разом з парами води випускаються в атмосферу. Відомий спосіб вилучення метану із вихідного Недоліком відомого способу і пристрою є низагальношахтного вентиляційного струменя [1], зький ккд через непродуктивні витрати енергії на який включає відсмоктування вентиляційного стискання суміші, 99% якої потім викидається в струменя з шахти і одночасний поділ його на потоатмосферу, а також невелика продуктивність, яка ки з різною концентрацією метану шляхом пропувизначається продуктивністю компресора. Ці нещення через трубки діаметром 50мм, загальною доліки суттєво обмежують сферу використання кількістю не менш 400. Метано-повітряна суміш способу і пристрою, зокрема в Сполучених Штатах струменя, входячи в трубки, розбивається на вевони використовувалися для обробки викидних лику кількість паралельних струмків. Розбивання газів на автомобілях. на дрібні струмки невеликого діаметра робить рух Найбільш близьким технічним рішенням, яке повітря в них ламінарним і з невеликою швидкістю, взяте за прототип [3], є спосіб вилучення метану із що дозволяє відокремити метан від повітря. Необвихідного загальношахтного вентиляційного струхідне значне зменшення швидкості повітря в трубменя з метою подальшої утилізації, згідно з яким ках відбувається через збільшення в арифметичподіл струменя на потоки з різною концентрацією ній прогресії опору тертя повітря об внутрішню метану проводиться за допомогою закручуванню поверхню трубок. Оскільки метан має щільність потоку і передбачає розшарування вентиляційного значно меншу щільності повітря, він заповнює струменя на три потоки: центральний потік з вмісверхню частину внутрішнього простору тр убок том метану більше 80%, середній - з вмістом ме(при концентрації (90...95)%) і відсмоктується четану до 5% і периферійний - з вмістом метану мерез перфоровані отвори трубок для утилізації. нше 0,05%, при цьому два перших потоки ідуть на Довжина трубок поділу на потоки підбирається з утилізацію, а периферійний, збіднений на метан умови забезпечення максимального вилучення потік випускається в атмосферу. метану із загальношахтного струменя. Очищений Відомий також, вибраний як прототип, привід метану вентиляційний струмінь випускається в стрій [3], який реалізує вищевказаний спосіб, що атмосферу. містить відкритий гвинтовий завихрювач з порожНедоліком цього способу-прототипу є значне нистим перфорованим валом, з'єднаним з валом збільшення опору всмоктуючого контур у вентиляавіаційної газової турбіни, який закручую в ша хтній тора головного провітрювання, а також мала провиробці вентиляційний струмінь для розшарування дуктивність при технічно прийнятній довжині труйого на вказані три потоки, при цьому перший потік бок. Ці недоліки не дозволяють використовувати через порожнистий вал зави-хрювача за допомоцей спосіб в промисловості. гою спеціальної системи, а другий - через дифузор Відомий спосіб вилучення метану із вихідного і повітряний компресор турбіни направляються в загальношахтного вентиляційного струменя [2], камеру згоряння газотурбінного двигуна як додатякий включає двохступінчатий поділ метанокове до основного паливо. В результаті згоряння повітряної суміші струменя: на першому розділявилучених потоків метано-повітряної суміші відбуються легкі і важкі компоненти, причому легкі говається перетворення її енергії в енергію оберторючі компоненти, що складаються головним чином вого руху вала турбіни, до якого може бути підз метану, направляються на утилізацію в камери ключений генератор електроенергії або інший згоряння двигунів, а важкі компоненти - на другий споживач. ступінь обробки, в якому вони додатково розділяНедоліками прототипу є складність процесу ються на дві частини: першу, яка складається в вилучення метану, невелика продуктивність по основному з азоту, очищеного повітря і незначної об'єму перероблюваної шахтної метано-повітряної кількості горючих домішок і випускається в атмоссуміші, значне пилоутворення від відкритого завиферу, і др угу частин у, яка складається в основнохрювача і, головне, економічна недоцільність спому з негорючих диоксиду вуглецю і твердих часток собу: для отримання утилізаційної енергії треба вугільного пилу для поглинання у відповідних фіспалювати поряд з вилученим метаном велику льтрах. кількість дорогого авіаційного палива як основного Відомий також пристрій, що здійснює цей спопалива турбіни. сіб, який складається з компресора для стискання В основу першого із групи винаходів покладеметано-повітряної суміші вентиляційного струмено задачу удосконалення способу вилучення меня, завихрювач у вигляді пасивної газової турбіни, тану із вихідного загальношахтного вентиляційноз'єднаної з конусною вихровою тр убою, де відбуго струменя шляхом проведення процесу вається перший ступінь поділу суміші на легкі і вилучення метану на два послідовні етапи: на важкі фракції. Після поділу легкі фракції, які склапершому проводиться обробка всього вентиляційдаються в основному з метану, через порожнистий ного струменя з одержанням знепиленої метановал турбіни подаються на утилізацію, а важкі фраповітряної суміші середньої концентрації вище кції поступають на другу ступінь поділу на вузький 20% і на другому проводиться більш інтенсивна кінець конічної вихрової труби. Вузький кінець виобробка отриманої 20%-вої суміші з одержанням хрової тр уби постачений камерою-колектором, яка висококонцентрованої зневодненої метаноз'єднаний через щілини з вузьким кінцем вихрової повітряної суміші (70...95% метану), що дозволяє труби і в яку попадають відносно важкі фракції 5 85658 6 суттєво зменшити витрату енергії на процес вилуток витрати на живлення і утилізацію регулюється чення і тим самим підвищити ккд процесу. вентилями в залежності від концентрації метану в В основу другого із групи винаходів покладено вихідному загальношахтному вентиляційному задачу удосконалення пристрою для вилучення струмені. метану із вихідного загальношахтного струменя Крім того, згідно з винаходом перфоровані через зміну його конструкції шляхом введення труби першого і другого ступенів обробки вентидвох ступенів, які реалізують послідовно етапи ляційного струменя мають нерівномірну перфораспособу обробки струменя конструктивними засоцію з коефіцієнтом живого перерізу, який збільшубами, що дозволяють закручувати потік струменя ється в напрямку проти плину потоку. до рівня відцентрових сил, достатніх на першому Порівняльний аналіз заявленої конструкції з ступені для утворення центрального потоку метанайбільш близьким аналогом-прототипом показує, но-повітряної суміші (20...25)%-ої концентрації мещо вона має наступні переваги: тану і відкидання шахтного пилу в периферійний - ефективне використання енергії на отриманпотік, а на другому ступені - центрального охолоня висококонцентрованої метано-повітряної суміші дженого потоку метано-повітряної суміші за рахунок поділу процесу вилучення на два про(70...95)%-ої концентрації метану і відкидання цеси: попередню обробку потоку всього загальносконденсованої вологи в периферійний потік. шахтного вентиляційного вихідного струменя на Перша поставлена задача вирішується тим, першому етапі і більш інтенсивну обробку отримащо в способі вилучення метану із загальношахтноної на першому етапі порівняно невеликої кількості го вентиляційного струменя, згідно з яким поділ метано-повітряної суміші середньої концентрації; струменя на два потоки: центральний з підвище- отримання концентрованої метано-повітряної ною концентрацією метану і збіднений на метан суміші більш високої якості за рахунок організації периферійний потік - проводиться за допомогою умов для її очищення від шахтного пилу на перзакручування струменя згідно з винаходом поділ шому етапі і від вологи на другому і стабілізації вентиляційного струменя проводиться послідовно кінцевої концентрації метану шляхом регулювання в два етапи: на першому етапі створюється положення дроселів на викиді периферійних потоцентральний потік (20...25)%-вої очищеної від шаків в атмосферу на першій і другій ступенях обробхтного пилу метанової суміші, що направляється ки і регулювання вентилями співвідношення подачі на додаткову обробку на другому етапі, і перифевисококонцентрованої метано-повітряної суміші на рійний насичений шахтним пилом потік з концентутилізацію і на живлення надзвукового ежектора. рацією метану (0,01...0,05)%, що випускається в Суть винаходу пояснюється кресленням, де атмосферу, а на другому етапі створюється зображені центральний потік (70...95)%-вої охолодженої зне- на Фіг.1 - схема заявленого способу вилученводненої метанової суміші і периферійний потік ня метану із загальношахтного вентиляційного зволоженого повітря з концентрацією метану струменя з метою подальшої утилізації; (0,01...0,05)%, який випускається атмосферу, при - на Фіг.2 - пристрій, що реалізує заявлений цьому центральний потік концентрованої метаноспосіб, поздовжній розріз; вої суміші відсмоктується компресором, стискаєть- на Фіг.3 - вузол А креслення Фіг.2; ся і через буферну ємність (ресивер) направля- на Фіг.4 - загальна компоновка пристрою, що ється частково на утилізацію і частково на реалізує заявлений спосіб, на обхідному каналі закручування потоку на другому е тапі. вентиляторної установки головного провітрювання Друга поставлена задача вирішується тим, що шахти. в пристрої для вилучення метану із загальношахтЗаявлений спосіб реалізують таким чином ного вентиляційного струменя, який складається з (див. Фіг.1). корпусу, зави хрювача потоку для закручування На першій стадії обробки вихідний загальноструменя з метою його поділу на два потоки: шахтний вентиляційний струмінь закручується так, центральний з підвищеною концентрацією метану і що він під дією відцентрової сили розшаровується збіднений на метан периферійний потік, компрена потоки з різним вмістом метану. При цьому сора, буферної ємності (ресивера) і дроселя, поконцентрація метану змінюється від високих зналоження якого регулює випускання периферійного чень поблизу осі до низьких - на периферії. потоку в атмосферу, згідно з винаходом має два Центральний потік з середньою концентрацією ступені обробки вентиляційного струменя з окреметану (вище 20%) подається на другу стадію обмими завихрювачами і дроселями, при цьому перобки. Периферійний потік збідненого на метан рший ступінь містить зави-хрювач в складі осьово(до 0,05%) повітря разом з відкинутим на перифего вентилятора і нерухомого шнека з центральним рію відцентровою силою шахтним пилом випускатілом, а другий ступінь містить завихрювач в склається в атмосферу. Викид периферійного потоку ді надзвукового ежектора і нерухомого шнека з регулюється положенням дроселя першого ступецентральним тілом, а до центральних тіл шнеків ня, від якого залежить величина перекриття википриєднуються по осі перфоровані труби, через які дного отвору першого ступеня обробки. центральні потоки відсмоктуються на подальшу На другій стадії обробки збагачена метаном обробку на першому ступені надзвуковим ежектосуміш знову закручується з додаванням стиснутого ром, а на другому компресором, який стискає конметану, тому згідно з вихровим ефектом Ранка при центровану метано-повітряну суміш і через буферозшаруванні центральний потік метанорну ємність (ресивер) направляє її частково на повітряної суміші охолоджується, наявна в суміші живлення надзвукового ежектора, а частково в волога конденсується і відкидається відцентровою утилізаційну мережу, причому співвідношення чассилою в периферійний потік збідненого на метан 7 85658 8 (до 0,05%) повітря, який разом з виділеною воломінь всмоктується осьовим вентилятором 12 пригою випускається в атмосферу. Розподіл потоків строю, закручується лопатями і направляючим регулюється положенням дроселя другого ступеня апаратом 13 осьового вентилятора і подається на обробки. Концентрований потік метано-повітряної остаточне закручування на шнек першого ступеня суміші (з концентрацією метану (70...95)%) всмок14. Завдяки наявності центрального тіла 15 потік тується і стискається компресором 5 і по нагнітапри закручені піджимається і нарощує свою швидльній магістралі 8 подається в буферну ємність кість, що сприяє виникненню великої відцентрової (ресивер) 6. З ресивера 6 концентрована метаносили. повітряна суміш під тиском частково направляєтьВ полі відцентрових сил відбувається розшася в другий ступінь обробки, а частково - на утилірування метано-повітряної суміші на потоки з різзацію, причому співвідношення часток регулюєтьним вмістом метану. При цьому метан як компонеся вентилями 9 в залежності від концентрації нта значно легша від повітря, витісняється в метану у ви хідному ша хтному стр уменя. Це сприяє приосьову зону течії, а повітря і наявні частки шахстабільності концентрації метану, що подається на тного пилу відкидаються на периферію до стінок утилізацію. При зменшенні вмісту метану в ви хідкорпусу 11. Таким чином концентрація метану зміному вентиляційному струмені зменшується і понюється від високих значень поблизу осі до низьдача метану в утилізаційну мережу і збільшується ких - на периферії. Потік з підвищеною концентрачас рециркуляції метанової суміші в контурі «друга цією (в середньому вище 20%) відсмоктується ступінь обробки - компресор - ресивер - друга стучерез перфоровану тр убу 16 кільцевим надзвукопінь обробки», а при підвищені навпаки - збільшувим ежектором на другу ступінь обробки 2, при ється подача метану в утилізаційну мережу і змецьому для рівномірного всмоктування потоку по ншується час рециркуляції метанової суміші в довжині труби 16 перфорація зроблена нерівноміконтурі «друга ступінь обробки - компресор - ресирною з коефіцієнтом живого перетину, який збільвер - друга ступінь обробки». шується в напрямку проти плину потоку суміші. Пристрій для вилучення метану із загальноПериферійний потік збідненого на метан повішахтного вентиляційного струменя містить пертря разом з відкинутим на периферію відцентроший 1 і другий 2 ступені обробки, компресор 5 з вою силою шахтним пилом випускається в атмосвсмоктуючою 7 і нагнітальною 8 магістралями, феру. Розподіл потоків регулюється положенням ресивер б, регулюючі 9 і відсічні вентилі 10. дроселя з першого ступеня, від якого залежить Перший ступінь обробки шахтного вентиляційвеличина перекриття викидного отвору першого ного струменя 1 містить (див. Фіг.2 і 3) корпус 11, ступеня обробки. Гідравлічні циліндри переміщензавихрювач в складі осьового вентилятора 12 з ня дроселя на фігурах не показані. направляючим апаратом 13 і шнека 14 з центраНа другому ступені обробки 2 збагачена метальним тілом 15, перфоровану тр убу 16 і регулююном суміш в значно менших обсягах ніж вихідний чий дросель 3. вентиляційний струмінь знову закручується на Другий ступінь обробки містить надзвуковий шнеку другого ступеня 22. Завдяки наявності ценежектор в складі перехідного конфузору 17, який трального тіла 23 потік при закручені піджимається приєднаний до перфорованої труби 16 першого і нарощує свою швидкість, що сприяє виникненню ступеня обробки, камери підводу стисненого газу більшої відцентрової сили. При роботі надзвуково18 з патрубком 19, кільцевого сопла 20 і дифузора го кільцевого ежектора в нього як активний агент 21, завихрювач в складі шнека 22 з центральним подається певна кількість стиснутого метану. Це, з тілом 23, перфоровану відбірну тр убу 23, яка приодного боку, сприяє більш ефективному поділу єднана до всмоктувальної магістралі 7 компресора метано-повітряної суміші при розшаруванні, а з 5 і регулюючий дросель 4. другого боку, обумовлює о холодження легкої комЗапропонований пристрій може бути розміщепоненти суміші - метану. Від зниження температуний (див. Фіг.4), наприклад, на обхідному каналі 28 ри наявна в суміші волога конденсується і відкивентилятора головного провітрювання. При нордається відцентровою силою в периферійну течію мальній роботі вихідний вентиляційний струмінь з збідненого на метан повітря, а концентрований шахтного вентиляційного стовбура через підвідний потік відсмоктується компресором 5 через перфоканал 26 вентилятором головного провітрювання ровану відбірну трубу 24 і всмоктувальну магіст25 подається у викидний дифузор 27 для випуску в раль 7, при цьому для рівномірного всмоктування атмосферу, але при роботі запропонованого припотоку по довжині труби 24 перфорація зроблена строю ляда викидного дифузора 29 піднімається у нерівномірною з коефіцієнтом живого перетину, верхнє положення, перекриває викидний дифузор який збільшується в напрямку проти плину потоку 27, а відсічна ляда 30залишається в верхньому суміші. Периферійний потік разом з виділеною положенні і вихідний вентиляційний струмінь через вологою випускається в атмосферу. Розподіл попроріз піднятої в верхнє положення ляди 29 постутоків регулюється положенням дроселя 4 другого пає на обробку в обхідний канал 28. При необхідступеня обробки. Гідравлічні циліндри переміщенності перевертання вентиляційного струменя роня дроселя на фігурах не показані. бота пристрою припинається, відсічна ляда Відсмоктана концентрована метано-повітряна 30опускається, а вхідний отвір осьового вентилясуміш стискається компресором 5 і через ресивер тора пристрою закривається кришкою 31. 6 частково направляється на живлення надзвукоПристрій працює таким чином. вого ежектора другого ступеня обробки, а частково З обхідного каналу 28 без додаткового наван- на утилізацію, причому співвідношення часток таження напірного контуру вентилятора головного регулюється вентилями 9 в залежності від конценпровітрювання 25 вихідний вентиляційний струтрації метану в вихідному вентиляційному струме 9 85658 10 ня. Це стабілізує концентрацію метану, що подановках, використання в газових автозаправних ється на утилізацію. При зменшенні вмісту метану станціях. в ви хідному вентиляційному стр умені зменшується Джерела інформації: і подача метану в утилізаційну мережу і збільшу1. Патент РФ №2321443 МПК B01D 53/00, ється час рециркуляції метанової суміші в контурі E21F 7/00 Способ извлечения метана из общеша«друга ступінь обробки - компресор - ресивер хтной вентиляционной метано-воздушной струи друга ступінь обробки», при збільшені вмісту медля утилизации. Опубліковано 10.04.2008 тану навпаки буде збільшуватися і подача метану 2. Заявка США №2007/0231233 МПК С07С в утилізаційну мережу і зменшува тися час рецир11/24 Methane gas recovery and usage system for куляції метанової суміші в контурі «друга ступінь coalmines, municipal landfills and oil refinery обробки - компресор - ресивер - друга ступінь обdistillation tower vent stacks. Опубліковано робки». 4.10.2007 Таким чином запропоновані спосіб і пристрій 3. Патент РФ №2096626 MTIK6E21F7/00 Спозабезпечують утилізаційну мережу якісною метасоб утилизации шахтной метано-воздушной смеси новою сумішшю, яка придатна для всіх видів її и устройство для его осуществления. Опубліковаутилізації: спалювання в топках котлів, виробництно 20.11.1997. ва електроенергії і тепла в когене-раційних уста 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85658 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601