RU2096626C1

RU2096626C1 - Method and device for utilization of mine methane-air mixture

Info

Publication number: RU2096626C1
Application number: RU95118897A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Пучков; Г.Г. Каркашадзе; С.А. Гончаров
Original assignee: Московский государственный горный университет
Priority date: 1995-11-03
Filing date: 1995-11-03
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: according to method, methane-air mixture is withdrawn from mine and simultaneously is divided by means of screw-type swirler into three streams: with high content of methane (above 80%), enriched methane up to 5% and with low content of methane (below 0.05%). After that, two first aforesaid streams are directed separately by means of system for delivering mixture with high content of methane and by means of diffuser after compression to combustion chamber of gas-turbine engine. In result of combustion of delivered mixture, energy of expanding gases is converted into energy of rotating motion of engine shaft to which can be connected electric generator or other energy consumer. EFFECT: high efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к утилизации шахтной метано-воздушной смеси. The invention relates to the mining industry, namely to the disposal of mine methane-air mixture.

Известен способ утилизации шахтной метано-воздушной смеси, основанный на переводе ее в гидратное состояние [1]
Недостатком этого способа является то, что в процессе преобразования метана в гидратное состояние требуются значительные затраты энергии.A known method of disposal of mine methane-air mixture, based on the transfer of it into a hydrated state [1]
The disadvantage of this method is that in the process of converting methane to a hydrated state, significant energy is required.

Известен способ утилизации шахтного воздуха (смесь воздуха с метаном), включающий всасывание и сжатие газообразных компонентов с последующей подачей их в камеру сгорания двигателя и направление преобразованной энергии газов потребителю [2]
Устройство для осуществления этого способа содержит газотурбинный двигатель, состоящий из установленных на валу газовой турбины и компрессора, между которыми расположена камера сгорания, системы подачи топлива и потребитель энергии вращательного движения вала.A known method of utilization of mine air (a mixture of air with methane), including the absorption and compression of gaseous components, followed by their supply to the combustion chamber of the engine and the direction of the converted energy of the gases to the consumer [2]
A device for implementing this method comprises a gas turbine engine consisting of a gas turbine and a compressor mounted on the shaft, between which there is a combustion chamber, fuel supply systems and an energy consumer of the rotational movement of the shaft.

Этот способ и устройство взяты нами в качестве прототипа. This method and device we have taken as a prototype.

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является наличие непроизводительных затрат энергии на нагрев негорючих компонентов всасываемого шахтного воздуха, что снижает КПД процесса утилизации. A disadvantage of the known method and device for its implementation is the presence of unproductive energy costs for heating non-combustible components of the suction mine air, which reduces the efficiency of the disposal process.

Задачей предложенного способа утилизации шахтной метано-воздушной смеси и устройства для его осуществления является повышение КПД процесса преобразования энергии метано-воздушной смеси за счет исключения вышеуказанного недостатка. The objective of the proposed method for the disposal of mine methane-air mixture and a device for its implementation is to increase the efficiency of the energy conversion process of the methane-air mixture by eliminating the above drawback.

Это достигается тем, что в способе утилизации шахтной метано-воздушной смеси, включающем всасывание и сжатие газообразных компонентов смеси с последующей подачей их в камеру сгорания двигателя и направление преобразованной энергии газов потребителю, одновременно с всасыванием метано-воздушной смеси осуществляют разделение ее на три потока, первый из которых имеет высокую концентрацию метана, второй обогащен метаном и третий с низкой концентрацией метана, затем раздельно направляют первые два потока после их сжатия в камеру сгорания двигателя, а третий поток сбрасывают в атмосферу. This is achieved by the fact that in the method of utilization of a mine methane-air mixture, including the absorption and compression of the gaseous components of the mixture, followed by their supply to the engine combustion chamber and the direction of the converted energy of the gases to the consumer, simultaneously with the absorption of the methane-air mixture, it is divided into three streams, the first of which has a high concentration of methane, the second is enriched in methane and the third with a low concentration of methane, then the first two flows are separately directed after they are compressed into the combustion chamber for drive, and the third stream is discharged into the atmosphere.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что устройство для осуществления данного способа, содержащее газотурбинный двигатель, состоящий из установленных на валу газовой турбины и компрессора, между которыми расположены камера сгорания, системы подачи топлива и потребитель энергии вращательного движения вала, снабжено винтовым завихрителем, установленным на полом валу с отверстиями соосно с валом двигателя, диффузором, расположенным между компрессором двигателя и винтовым завихрителем, а также системой подачи в двигатель смеси с высокой концентрацией метана, состоящей из последовательно установленных рессивера, дополнительного компрессора и коллектора, сообщенного с полостью вала завихрителя. The solution to this problem is also achieved by the fact that the device for implementing this method, comprising a gas turbine engine consisting of a gas turbine and a compressor installed on the shaft, between which there is a combustion chamber, fuel supply systems and a rotational energy consumer of the shaft, is equipped with a screw swirl mounted on hollow shaft with holes aligned with the motor shaft, a diffuser located between the engine compressor and the screw swirl, as well as the engine feed system impurity with a high concentration of methane, consisting of a series arrangement Receivers, and further compressor manifold communicated with the cavity of the shaft of the swirler.

На чертеже показано устройство для реализации предложенного способа. The drawing shows a device for implementing the proposed method.

Способ утилизации шахтной метано-воздушной смеси заключается в том, что метановоздушную смесь вентиляционной струи всасывают из шахты, сообщают ей вращательное движение относительно оси ее продольного перемещения. В результате этого происходит разделение метановоздушного потока на три потока, первый из которых имеет высокую концентрацию метана свыше 80% и находится в центральной части потока, поскольку метан имеет меньшую плотность по сравнению с воздухом, второй обогащен метаном до 5% и перемещается в продольном направлении вблизи центральной части потока, а третий поток с содержанием метана менее 0,05% находится на периферийной части вентиляционного потока. Затем высококонцентрированную и обогащенную метаном смеси раздельно сжимают до 0,5 0,7 МПа и подают в камеру сгорания двигателя, а низкоконцентрированную смесь сбрасывают в атмосферу. Одновременно в камеру сгорания двигателя подают основное топливо. В результате сгорания подаваемой смеси с высоким содержанием горючих компонентов выделяется дополнительное количество тепла и происходит преобразование энергии расширяющихся газов в энергию вращательного движения вала двигателя. К валу двигателя может быть подключен генератор электроэнергии или иной потребитель энергии вращательного движения. A method of utilizing a mine methane-air mixture is that the methane-air mixture of the ventilation stream is sucked out of the shaft, and it is informed of a rotational movement about its longitudinal movement axis. As a result of this, the methane-air stream is divided into three streams, the first of which has a high methane concentration of over 80% and is located in the central part of the stream, since methane has a lower density than air, the second is enriched with methane up to 5% and moves in the longitudinal direction near the central part of the stream, and the third stream with a methane content of less than 0.05% is located on the peripheral part of the ventilation stream. Then, the highly concentrated and methane-rich mixtures are separately compressed to 0.5 0.7 MPa and fed into the combustion chamber of the engine, and the low-concentrated mixture is discharged into the atmosphere. At the same time, the main fuel is supplied to the combustion chamber of the engine. As a result of the combustion of the supplied mixture with a high content of combustible components, additional heat is generated and the energy of the expanding gases is converted into the energy of the rotational motion of the motor shaft. An electric generator or other rotational energy consumer can be connected to the motor shaft.

Устройство для реализации описанного способа состоит из газотурбинного двигателя 1, винтового завихрителя 2, установленного на полом валу 3 с отверстиями 4, диффузора 5, расположенного между двигателем 1 и винтовым завихрителем 2, системы подачи основного топлива, включающей последовательно соединенные топливный бак 6, насос 7, магистраль 8, и системы подачи смеси с высокой концентрацией метана в двигатель. Газотурбинный двигатель содержит турбину 9, воздушный компрессор 10, установленные на валу 11, и между которыми расположена камера сгорания 12. Вал 3 завихрителя и вал 11 двигателя установлены соосно относительно друг друга. Система подачи смеси с высокой концентрацией метана в двигатель выполнена в виде последовательно установленных рессивера 13, соединенного магистралью 14 с камерой сгорания двигателя, дополнительного компрессора 15 и коллектора 16, сообщенного с полостью вала 3 завихрителя. A device for implementing the described method consists of a gas turbine engine 1, a screw swirl 2 mounted on a hollow shaft 3 with holes 4, a diffuser 5 located between the engine 1 and the screw swirl 2, the main fuel supply system, including a fuel tank 6 connected in series, pump 7 , line 8, and systems for delivering a mixture with a high concentration of methane to the engine. The gas turbine engine comprises a turbine 9, an air compressor 10 mounted on the shaft 11, and between which there is a combustion chamber 12. The swirl shaft 3 and the motor shaft 11 are mounted coaxially with respect to each other. The system for supplying a mixture with a high concentration of methane to the engine is made in the form of a receiver 13 installed in series, connected by a highway 14 to the combustion chamber of the engine, an additional compressor 15 and a manifold 16 connected to the cavity of the swirler shaft 3.

В качестве газотурбинного двигателя применен авиационный двигатель типа ГТД-350. Диаметр винта завихрителя задается в зависимости от поперечного сечения выработки и составляют 0,6 0,8 от ее диаметра. Диаметр диффузора выбирается в зависимости от размеров и частоты вращения винта и находится в пределах 0,7 0,8 от диаметра винта. Составные элементы системы подачи топлива и смеси с высокой концентрацией метана формируются из серийно выпускаемого оборудования (топливный насос, компрессор, рессивер, магистрали, вентили). При расходе метано-воздушной смеси вентиляционной струи 60 м³/с с содержанием метана 0,5% после разделения вентиляционного потока посредством винтового завихрителя на три потока обеспечена подача смеси с содержанием метана 90% с расходом 0,2 кг/сек в камеру сгорания двигателя и подача смеси с содержанием метана до 5% с расходом 3 кг/сек через диффузор также в камеру сгорания. Поток смеси с содержанием метана менее 0,01% сбрасывается в атмосферу. В результате сжигания газообразных компонентов смеси вырабатывается 8000 кВт тепловой энергии, которая преобразована в энергию вращательного движения с мощностью на валу двигателя 2000 кВт.An aircraft engine of the GTD-350 type was used as a gas turbine engine. The diameter of the swirl screw is set depending on the cross section of the mine and is 0.6 0.8 from its diameter. The diameter of the diffuser is selected depending on the size and frequency of rotation of the screw and is within 0.7 0.8 of the diameter of the screw. The components of the fuel supply system and mixtures with a high concentration of methane are formed from commercially available equipment (fuel pump, compressor, receiver, highways, valves). At a flow rate of a methane-air mixture of a ventilation stream of 60 m ³ / s with a methane content of 0.5% after separation of the ventilation stream by means of a screw swirl into three streams, a mixture with a methane content of 90% with a flow rate of 0.2 kg / s was supplied to the engine combustion chamber and feeding the mixture with a methane content of up to 5% with a flow rate of 3 kg / s through the diffuser also into the combustion chamber. The stream of the mixture with a methane content of less than 0.01% is discharged into the atmosphere. As a result of burning the gaseous components of the mixture, 8000 kW of thermal energy is generated, which is converted into rotational energy with a power of 2000 kW on the motor shaft.

Часть энергии 300 кВт использована на осуществление вентиляции шахты посредством предложенного устройства, что позволило отключить имеющееся шахтное стационарное вентиляционное оборудование, а другая часть - использована для выработки электроэнергии. Part of the energy of 300 kW was used for ventilation of the mine through the proposed device, which made it possible to disconnect the existing mine stationary ventilation equipment, and the other part was used to generate electricity.

При этом на преобразование энергии метана в шахтном воздухе использовано не более 6% от всей шахтной метано-воздушной смеси, что позволило исключить непроизводительные затраты на нагрев остальной (94%) части шахтного воздуха. At the same time, no more than 6% of the total mine methane-air mixture was used to convert methane energy in mine air, which eliminated unproductive expenses for heating the rest (94%) of mine air.

Данный способ и устройство обеспечивают в результате этого повышение КПД преобразования энергии за счет уменьшения в 30 раз тепловых потерь с отработанными газами. This method and device provide, as a result, an increase in the energy conversion efficiency due to a 30-fold reduction in heat losses with exhaust gases.

Claims

1. The method of utilization of a mine methane-air mixture, including the absorption and compression of the gaseous components of the mixture, followed by their supply to the combustion chamber of the engine and the direction of the converted energy of the gases to the consumer, characterized in that, simultaneously with the absorption of the methane-air mixture, it is divided into three flows, the first of which a high concentration of methane, the second is enriched in methane and the third with a low concentration of methane, then the first two streams are separately directed after they are compressed into the combustion chamber of the engine ator, and a third stream vented.

2. A device for utilization of a mine methane-air mixture, comprising a gas turbine engine, consisting of a gas turbine and a compressor installed on the shaft, between which there is a combustion chamber, a fuel supply system and a rotational energy consumer of the shaft, characterized in that it is equipped with a screw swirl mounted on hollow shaft with holes coaxial with the motor shaft, a diffuser located between the engine compressor and the screw swirl, as well as a high ntsentratsiey methane series arrangement consisting of the receiver, the additional compressor and the reservoir, communicated with the cavity of the shaft of the swirler.