Способ использования геотермального тепла и тепла отвалов вскрышных пород глубоких карьеров угледобычи

Изобретение относится к открытым разработкам угледобывающей промышленности и энергетики. Техническим результатом изобретения является получение геотермальной и тепловой энергии отвалов на отработанных глубоких карьерах добычи угля. Предлагается способ использования геотермальной энергии и тепла отвалов вскрышных пород глубоких карьеров угледобычи через теплообменник, уложенный на подстилающую породу добытого угля. При этом нагрев теплоносителя в теплообменнике происходит на подстилающем слое породы добытого угля на глубине 100 и более метров, закрытом сверху вскрышными тлеющими породами внутреннего отвала.

 

Изобретение относится к открытым разработкам угледобывающей промышленности и энергетике.

Сложная экологическая обстановка в угледобывающих регионах России объясняется интенсивной разработкой угольных месторождений. Пятый год подряд страна наращивает добычу угля. По данным Минэнерго в 2015 году добыто 373 млн. тон. В 2017 добыто 400 млн тон. Рост добычи угля в ближайшие годы планируется довести до 430 млн тон. Добыча и сжигание угля приводит к огромным выбросам парниковых и токсичных газов, аэрозолей и теплоты. В связи с этим использование менее вредного тепла недр представляется важной экологической и ресурсосберегающей задачей. Человечество имеет технологии, позволяющие почти повсеместно использовать имеющиеся тепловые ресурсы. В Германии, например, на основе геотермии производится экологически чистое тепло установленной мощности около 600 МВт (с использованием приповерхностной геотермии тепловыми насосами). Установленная мощность во всем мире составляет от 15 до 20 тыс.МВт (термической энергии) и 8400. МВт (электроэнергии) и это лишь небольшая часть того, что можно получать. Теплового потока из глубин, в принципе, достаточно для покрытия всего теплопотребления человечества.

Анализ показывает, что запасы геотермальной энергии на планете достаточны для того, чтобы на длительное время обеспечить потребности всего человечества, а ее стоимость - одна из самых низких среди возобновляемых источников энергии.

Однако, приемлемые для использования в современных энергетических установках уровни теплоты, с температурой более 1500С, находятся на значительных глубинах, порядка 4…5 тыс. м. Основные современные способы использования геотермальной энергии основаны на скважинных технологиях, с использованием тепловых насосов, не имеющих климатических или иных ограничений. Особенно геотермальные, использующие тепло скважин: как бы ни было на улице - холодно или жарко - температура на глубине 18 м. будет от +7°С в холода и до +12°С в жару.

Существуют способы использования геотермальной (тепловой) энергии в регионах с высокой вулканической деятельностью. Теплоносителем является пар или вода, истекающие из прилегающих к вулкану подземных геотермальных источников или теплообменники смонтированные в высокотемпературных зонах вулканической деятельности.

Существуют способы использования тепловой энергии тепловыми насосами, низкотемпературных подземных вод со скважин. Способ не имеют климатических или иных ограничений. Температура на глубине 18 м будет +7°С, но охлажденную тепловым насосом воду необходимо сбрасывать на поверхность земли, или закачивать в соседнюю скважину. Этот способ зависит от количества скважин и не может обеспечить тепло затратные производства.

Существует способ использования тепла из стволов глубиной 100 метров, в которые опускают специальный резервуар, с антифризом, который нагревается теплом грунта. Затем он подается на тепловые насосы, Остывший антифриз возвращается обратно в резервуар. И цикл повторяется снова. Но и этот способ лимитируется участком теплоотдачи и ограничивает объем снятого тепла

Наиболее близким к изобретению является способ использования энергии, с глубины 100 и более метров, через стенки горных выработок глубоких шахт. При реализации этого способа рассеянная в пространстве геотермальная энергия может быть сконцентрирована в протяженных каналах лабиринтной конфигурации. При использовании отработанных выработок сокращаются затраты на бурение скважин и выполнение других работ. Однако, для повышения теплопередачи стенок выработанного пространства и воздушного теплоносителя способ предусматривает специальную затратную технологию. «Усовершенствование экологически безопасной технологии рационального использования тепловой энергии недр на глубоких угольных шахтах». Шипика Алена Сергеевна. Реферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук, Донецкий национальный технический университет. Украина. Научный руководитель: к.т.н., доц. Завьялова Елена Леонидовна.

Это изобретение использует шахтные выработки. Подготовка которых для увеличения теплопередачи к теплоносителю относительно затратна.

Целью предлагаемого изобретения является использование геотермальной энергии и тепла отвалов вскрышных пород глубоких карьеров угледобычи, отличающийся тем, что теплоноситель в теплообменнике нагревается на подстилающем слое породы, добытого угольного пласта, и тепловой энергией тлеющих отвалов вскрыши.

Цель достигается тем, что на подстилающий слой породы добытого угольного пласта, в карьере, укладывается теплообменник с последующим формированием над ним внутреннего отвала.

Практически способ реализуется следующим образом. В отработанном пространстве карьера, перед фронтом формирования внутреннего отвала, на выровненную поверхность карьера, укладывают гигроскопическую подушку, например из бентонита, для повышения теплопередачи, под трубчатый теплообменник, например из труб морского газопровода, выдерживающие расчетное внешнее давление породы отвала. Теплообменники монтируют последовательно по две трубы, по мере продвижения фронта передового уступа и засыпают вскрышными породами. Трубы соединяют в циркуляционные коллекторы подачи и откачки теплоносителя. Коллекторы располагают в тоннелях для их обслуживания, выведенные на глубину 2 м. от дневной поверхности. Наступающий фронт отсыпки внутреннего отвала накрывает трубы теплообменника слоем породы, большей глубины карьера на коэффициента разрыхления породы.

Одной из особенностей угледобывающих карьеров, влияющей на тепловой режим отвалов горных пород является наличие в них углерода в виде вмещающих пород, аргиллитов, не промышленных пропластов угля между вскрышными породами и т.д.

В настоящее время технический анализ угля в пласте подтверждает содержание горючих химических элементов углерода и водорода в массе угля. Расчеты показали, что в макромолекуле масса углерода составляет 74,4%, водорода - 6%, а кислорода - 19,6%. Внезапные выбросы метана: теоретические основы: / Колесниченко Е.А. Артемьев И.Г. М: Горное дело ООО Киммерийский центр, 2013. 232 с. (библиотека горного инженера. Т. 9 «Рудничная аэрология». Кн. 6) Таким образом, разложение угля при нагревании, и выделении им газовых компонентов углерода, водорода и кислорода, создает условия для горения угля и вмещающих пород без доступа воздуха. Для запуска этого процесса необходимо нагреть эту массу

Коэффициент разрыхления кроющих пород при вскрытии угля достигает 1,6. Это значит, что монолит вскрыши превращен в обломки различного размера, а пространство между ними в 0,6 объема отвала заполнил воздух. Этого кислорода достаточно для запуска тлеющего окисления углерода с выделением тепла до полного его выгорания.

Тепло, без конвективного теплоносителя равномерно распределяется в породе отвала за счет инфракрасного теплопереноса. Проведенные нами исследования теплового режима на Северном отвале, разреза «Черногорский», второй ярус внешнего отвала, сформированного при пробивке въездной траншеи разреза Черногорский, ООО «СУЭК-Хакасия» в 1960 г. подтверждают длительность горения остатков угля в породе отвалов. Среднегодовая температура в период исследования в 2015-2018 гг. на глубинах 5. 15, 35 см. определена в диапазоне 8-10 градусов тепла, через 58 лет после формирования отвала. Теплоноситель, например вода, в теплообменнике нагревается за счет геотермальной и тепловой энергии отвалов вскрышных пород и подается потребителю, что дает возможность, например, обогревать зимние теплицы на бортах отвала. С экономическим эффектом равным затратам на покупку тепла, а это 80% себестоимости продукции в круглогодовом режим работы теплиц.

Получаемое, предлагаемым способом тепло, по мере отработки месторождения будут увеличиваться, за счет увеличения площади выработанного пространства карьера, для укладки теплообменников и увеличения площади теплиц, что дает возможность трудоустроить освобождающийся персонал, при полной отработке месторождения и обеспечить круглогодовую потребность населения витаминами. Исходя из темпов добычи угля площадь горных отводов для угледобывающей промышленности исчисляется сотнями тысяча га. Это дает возможность создать значительный источник экологически чистого и дешевого тепла и электроэнергии на длительный период.

Проведенные исследования притока тепла к опытному теплоприемнику, установленному на глубине 100 метров на площади 30 метров, в установившемся режиме, дает возможность обогревать 1,5 квадратных метров зимних теплиц при среднегодовой температуре - 8,2 градуса.

Неотвратимая необходимость интенсивной добычи угля, обусловленная экономическими условиями развития бизнеса и дает возможность создать колоссальные возможности использования тепла карьеров угдедобычи для будущих поколений. Инвестиции, в этот сравнительно не дорогой проект, эффективные высокой окупаемостью и долговечны.

Способ использования геотермальной энергии и тепла отвалов вскрышных пород глубоких карьеров угледобычи через теплообменник, уложенный на подстилающую породу добытого угля, отличающийся тем, что нагрев теплоносителя в теплообменнике происходит на подстилающем слое породы добытого угля на глубине 100 и более метров, закрытом сверху вскрышными тлеющими породами внутреннего отвала.