Опыт проектирования, изготовления теплотехнического оборудования для обогрева стволов рудников, промышленных зданий и сооружений

О. Л. Черных, ООО НПФ «ТеплоЭнергоПром», г. Пермь

Затраты только на электроэнергию вентиляционных установок достигают 40 % от всех затрат рудника. В систему вентиляции включаются и калориферные установки для подогрева воздуха.

Расчёт показывает, что при наиболее неблагоприятных погодных условиях для нагревания 1 м3 воздуха необходимо 0,002 м3 метана. Таким образом, достаточно сжигать 1 м3 метана для подогрева 500 м3 воздуха на 60 градусов.

Перепад температур в 60 оС требуется для обогрева зданий и сооружений. Для обогрева стволов шахт и рудников достаточен перепад порядка 45–60 оС.

Кроме оптимальных (допустимых) теплофизических параметров, подаваемый в рудник, шахту воздух должен соответствовать и другим нормам. Так, особые требования предъявляются к составу нагнетаемого воздуха. В соответствии с нормами правил безопасности концентрация кислорода в воздухе действующих горных выработок не должна быть меньше 20,0 %. Кроме того, содержание токсичных газов в воздухе не должно превышать предельно допустимых концентраций для рабочей зоны. При сжигании метана в воздухе могут образовываться и такие токсичные газы, как окислы азота. Предельно допустимая концентрация оксида азота в воздухе предприятий равна 5 мг/м3. Для обогрева зданий в помещениях с присутствием производственного персонала требования по содержанию окислов азота жёстче — не более 0,6 мг/м3.

Требования к ПДК в рабочей зоне рудника, а также возможные фоновые концентрации веществ представлены в табл. 1.

Обогрев стволов в современных газовых калориферных осуществляется путём нагрева воздуха при сжигании природного газа в теплоагрегатах газ-воздух. Рекуперативные воздухонагреватели европейских производителей «СМТ-Клима», «Го-Газ» поставлялись на российский рынок последние 20 лет [1]. Единичная тепловая мощность рекуперативных воздухонагревателей европейских производителей достигает 1 МВт. Большую единичную тепловую мощность на аналогичных принципах конструирования аппаратов достичь не удаётся по весьма простой причине: невозможно обеспечить габариты рекуперативного воздухонагревателя в пределах грузов, допустимых к транспортированию по дорогам общего пользования [2, 3, 4].

Российские производители [5, 6], в числе которых и ООО НПФ «ТеплоЭнергоПром», г. Пермь, освоили производство аналогичных рекуперативных воздухонагревателей в 1 МВт, при этом КПД таких установок достигает 91 % [4]. Однако очевидно, что при комплектовании газовой калориферной, например, тепловой мощностью 30 МВт необходима установка 30 агрегатов, которые должны иметь газовую обвязку, систему клапанов, запорной арматуры, приборов КИПиА, систему дренажа конденсата от каждого агрегата. Такая комплектация приводит к необходимости сооружения габаритного здания газовой калориферной, имеющей 3–4 этажа. Поэтому рынку требуются теплоагрегаты газ-воздух с единичной тепловой мощностью 3–5 МВт.

Компания «ТеплоЭнергоПром» («ТЭП») разработала линейку теплогенераторов различной тепловой мощности — от 40 кВт до 3,2 МВт. Сегодня компания ведёт проработку конструкции рекуперативного теплогенератора единичной тепловой мощностью 4,5 МВт. Современные конструкции теплогенераторов не используют воду в качестве теплоносителя. Они работают в средах газ-воздух. При этом теплогенераторы изготавливаются как рекуперативного типа (обогрев производится через стенку теплообменника) [1], так и прямого нагрева [7], когда топочные газы поступают непосредственно в ствол рудника [5].

В соответствии с требованиями ГОСТ 50591-2013 «Агрегаты тепловые газопотребляющие. ГОРЕЛКИ ГАЗОВЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ» предельные нормы концентраций NOx в продуктах сгорания для маломощных горелок (до 1,9 МВт) не должны превышать 100 мг/м3. Разработанные «ТЭП» теплогенераторы прямого нагрева позволяют получать содержание NOx в отходящих газах — менее 1 мг/м3. Указанное достижение объясняется режимами процесса горения: α = 1,65, температура факела не более 1 200 оС (рис. 1).

tep-01-tep-01-678x426 — Рис. 1. Общий вид газовой горелки ГГС-1100

Тепловой КПД теплоагрегата, представленного на рис. 2, составляет 99,9 %, т. к. всё тепло от сжигания природного газа поступает потребителю.

tep-02-tep-02 — Рис. 2. Смесительный теплоагрегат 3,2 МВт: теплогенератор — вентиляторы — газоходы

Рекуперативные теплоагрегаты имеют КПД не менее 91 %, при этом они могут комплектоваться двухтопливными горелками: природный газ — дизтопливо и имеют тепловую мощность до 1,1 МВт.

Разработанные теплогенераторы изготовлены и поставлены для газовой калориферной общей тепловой мощностью 30 МВт АО «Верхнекамская Калийная Компания». Для указанного объекта принята предложенная «ТЭП» схема комбинированного нагрева: рекуперативного и прямого нагрева воздуха (рис. 3). В отопительном сезоне 2025/2026 годов указанная калориферная введена в эксплуатацию.

tep-03-tep-03-678x389 — Рис. 3. Компоновка оборудования калориферной

Расход топлива на теплогенераторах производства «ТЭП» для газовых калориферных представлен в таблице 2.

Аналогичное оборудование предложено и принято ООО «Башзолото» для проектирования калориферной мощностью 12 МВт. Проектная документация выполнена и прошла Главгосэкспертизу.

ООО НПФ «ТеплоЭнергоПром» поставляет указанные агрегаты в полной комплектации, включая и системы контроля и автоматического управления. В настоящее время «ТЭП» совместно с ООО «Полимет-Инжиниринг» завершил разработку проектной документации и поставил оборудование для обогрева цеха электролиза, где в том числе были использованы горелки разработки и изготовления «ТЭП» единичной тепловой мощностью 2 МВт.

Однако целесообразнее осуществлять обогрев таких поверхностных зданий комбинированным способом, включая в схемы обогрева и рекуперативные теплогенераторы. Следует отметить, что все выше приведённые рассуждения могут реализоваться только в случае использования природного газа в качестве топлива. В случае использования дизельного топлива прямой нагрев рекомендовать нельзя именно по причине нарушения санитарных требований для обслуживающего персонала.

Поэтому, например, «ТЭП» рекомендовал применить горелки теплогенераторов и сами рекуперативные теплогенераторы, работающие на дизельном топливе, для Карагайлинской обогатительной фабрики компании «Казахмыс», которая не имеет своего трубопроводного газоснабжения.

Для отопления внутренних помещений самой калориферной «ТЭП» использует теплогенераторы АВГМ-500Р тепловой мощностью 500 кВт с двухтопливными горелками газ-дизель.

Максимальная температура дымовых газов, отходящих от рекуперативных теплогенераторов, достигает +180 оС.

Разработанные «ТЭП» горелки и теплогенераторы защищены патентами на полезные модели и изобретения № 183750, 183751, 2451245, 2631180, 267956.

Использование отечественных теплогенераторов газ-воздух производства «ТеплоЭнергоПром» на собственных производственных мощностях (рис. 4) вносит существенный вклад в программы импортозамещения страны и повышения энергоэффективности промышленных и горнодобывающих предприятий.

tep-04-tep-04-678x419 — Рис. 4. Рекуперативные теплогенераторы

Список литературы

1. Разработка энергосберегающих технологий обеспечения комфортных микроклиматических условий при ведении горных работ / Б. П. Казаков, Л. Ю. Левин, А. В. Шалимов, А. В. Зайцев // Записки Горного института. — 2017. — Т. 223. — С. 116–124.

2. Черных О. Л., Мартемьянов С. А. Применение газовых калориферов мощностью до 5 МВт для обогрева стволов шахт и рудников // Техсовет премиум, февраль 2019, с. 10–12.

3. Черных О. Л. Эффективные решения для подогрева стволов шахт и рудников. Калориферные установки российского производства // Seymartec mining. Эффективность горнодобывающего производства — 2023, 22–23.06.2023, Челябинск / Тезисы докл. С. 10.

4. Черных О. Л. Опыт проектирования, изготовления теплотехнического оборудования для обогрева стволов рудников, промзданий и сооружений // Seymartec mining. Эффективность горнодобывающего производства — 2024, Челябинск / Тезисы докл. С. 68–69.

5. Использование технологии струйно-факельного отопления (СФО) для низкотемпературного подогрева приточного воздуха / Лисиенко В. Г., Маликов Г. К., Маликов Ю. К. и др. // УрФУ им. Б. Н. Ельцина. Екатеринбург. — 2014. — С. 311–319.

6. Пузырев Е. М., Афанасьев К. С., Голубев В. А. Разработка шахтных воздухонагревательных установок нового типа // Уголь. 2021, № 5. С. 54–61.

7. ГОСТ 31849-2012 «Оборудование промышленное газоиспользующее. Воздухонагреватели смесительные. Общие технические требования».