DE3153250C2

DE3153250C2 - Hydraulisches Grubenförderungsverfahren

Info

Publication number: DE3153250C2
Application number: DE3153250A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey L. Ponca City Okla. Beck
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1980-12-22
Filing date: 1981-11-26
Publication date: 1986-09-04
Also published as: PL137348B1; US4449862A; DE3146915C2; ZA817790B; CA1190217A; DE3153250A1; GB2089668B; DE3146915A1; FR2496778B1; PL234378A1; AU7749181A; GB2089668A; AU536995B2; FR2496778A1

Description

— Hochdruckfluid, das von der Erdoberfläche kommt, tangential in eine untertage in der Grube befindliche Wirbelkammer eingespritzt wird;

— ein Teil des eingespritzten Hochruckfluids aus der Wirbelkammer unter Bildung eines Niederdruckwirbels in den Schlammspeicher abgezogen wird;

— eine unter niedrigem Druck stehende Schüttgutsuspension aus dem in der Grube angeordneten Schlammspeicher mittels einer Abzugsvorrichtung in der Form einer Pumpe in den Niederdiuckwirbel eingespritzt wird, wo sie sich mit dem Hochdruckfiuid mischt und eine unter hohem Druck stehende Suspension bildet;

— die unter hohem Druck stehende Schüttgutsuspension tangential aus der Wirbelkammer abgezogen und zur Erdoberfläche geleitet wird, und

— Fluid aus einem neben dem Schlammspeicher angeordneten Wasserspeicher in den Hochdruckeinlaß der Wirbelkammer gepumpt wird.

2. Verfahre", nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttgutfspension eine Mischung aus Kohle und Wasser ist

3. Verfahren nach Anspruch 1 'sder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hochdruckeinlaß der Wirbelkammer das vor. der Erdoberfläche stammende Hochdruckfluid in Kombination mit dem aus dem Wasserspeicher kommenden Hochdruckfluid eingespritzt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 11 74 696 ist ein Verfahren zum pneumatischen Fördern von Schüttgut bekannt, bei dem das Schüttgut einem axialen mittigen Einlaß einer ringscheibenförmigen Kammer zugeführt wird, die einen tangentialen Einlaß für ein Hochdruckfluid und einen tangentialen Gutauslaß aufweist.

Es ist ferner aus der GB-PS 7 35 900 ein hydraulisches Grubenfördersystem bekannt, bei welchem die Kohlesuspension durch ein drehbares Zentrifugalförderrad gefördert wird.

Das oben erwähnte bekannte pneumatische Förderverfahren läßt sich schlecht an die bei der hydraulischen Grubenförderung herrschende Druckverhältnisse anpassen. Bei der Förderung von Kohlesuspension und dergleichen mit einem drehbaren Zentrifugalförderband sind der Verschleiß und der Wartungsaufwand hoch.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß es sich hinsichtlich der Druckverhältnisse besser an die jeweils herrschenden Bedingungen anpassen läßt

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Verfahrensschritte gelöst

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens, nach dem Hauptanspruch.

ίο Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung, die bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens Verwendung finden kann; Fig.2 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Darstellung einer anderen Vorrichtung, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet werden kann;

Fig.4 eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig.3;

Fig.4a eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 4;

Fig.5 eine Stirnansicht einer praktischen Ausführungsform einer Vorrichtung, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet werden kann;

Fig.6 einen Querschnitt in einer Ebene 6-6 der Fig. 5;

F i g. 7 eine Seitenansicht, aus der die Anordnung eines Guteinlasses und eines Niederdruckauslasses einer für das vorliegend? Verfahren geeigneten Vorrichtung ersichtlich ist und

F i g. 8 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Grubenförderungsanlage, die nach dem voriiegenden Verfahren arbeitet

Wie bei dem vorliegenden Verfahren eine unter niedrigem Druck stehende Schüttgutsuspension zur hydraulischen Förderung aus der Grube zur Erdoberfläche unter einen entsprechend hohen Druck gesetzt werden kann, läßt sich am einfachsten jus der Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise von Vorrichtungen erkennen, die hierzu verwendet werden können.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung weist ein Gehäuse mit einer Wirbelkammer 10 und einem Hochdruckeinlaß 11 sowie einem Hochdruckauslaß 12 auf. Der Hochdruckeinlaß 11 und der Hochdruckauslaß 12 sind so an die Wirbelkammer 10 angeschlossen, daß die Achse des Hochdruckeinlasses 11 senkrecht auf einem durch den Mittelpunkt der Wirbelkammer 10 hindurchgehenden Durchmesser steht. Ein Gut- oder Niederdruckeinlaß 13 wird von einem Rohr gebildet, welches koaxial mit einem Rohr 14 fluchtet Letzteres führt zu einem rohrförmigen Niederdruckauslaß 15, wie es durch einen Pfeil 16 angedeutet ist. Die Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2 arbeitet folgendermaßen: Hochdruckfluid, beispielsweise Wasser, tritt in Richtung des Pfeils 9 in die Wirbelkammer 10 ein und strömt entlang deren Innenseite, wie es durch den Pfeil 17 angedeutet ist. Das Hochdruckfluid wandert in Richtung dieses Pfeiles 17 rund um die Wirbelkammer 10, und da ein Anteil des Fluids durch das Rohr 14 und den Niederdruckauslaß 15 austritt, bildet das Fluid annähernd entlang der Achse des rohrförmigen Guteinlasses 13 einen Wirbel, wie es durch den Pfeil 18 gezeigt ist. Im Wirbel gemäß Pfeil 18 herrscht ein beträchtlich verminderter Druck. Dementsprechend können Schüttgutteilchen 20 und Flüssigkeit, die entsprechend dem Pfeil 19 durch den rohrförmigen Guteinlaß 13 eintreten, di-

rekl in die durch den Pfeil 18 angedeutete Wirbelregion gelangen, ohne daß irgend eine Förderwirkung oder Druckerzeugung mittels einer Pumpe erforderlich wäre. Wenn die Suspension in Richtung des Pfeils 19 in die durch den Pfeil 18 angegebene Wirbelregion gelangt, können die Schüttgutteilchen 20, die beispielsweise aus Kohle bestehen, in Richtung des Pfeils 21 wandern. Folglich bewegen sich die Schüttgutteilchen 20 in den Außenbereich der Wirbeikammer 10 und treten in Richtung des Pfeils 22 aus dem Hochdruckauslaß 12 aus. Da ein Fluid gemeinsam mit den Schüttgutteilchen in den rohrförmigen Guteinlaß 13 eintritt und da sich ein FluidanteiVzur Bildung des Niederdruckwirbels vom Hochdruckeinlaß 11 zum Niederdruckauslaß 15 bewegt, tritt Fluid durch den rohrförmigen Niederdruckauslaß 15 in Richtung des Pfeils 16 aus. Das aus dem Niederdruckauslaß 15 kommende Fluid kann in verschiedenster Weise abgeführt werden, wie später noch erläutert wird.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2. Die Vorrichtung nach F i g. 3 stimmt im Prinzip der nach den F i g. 1 und 2 überein und weist eine Wirbelkammer 10 mit einem Hochdruckeinlaß 11 einem HochdruckausL';3 12 sowie einem Guteinlaß 13 und einem Niederdruckauslaß 15 auf. Der wesentliche Unterschied der Vorrichtung nach F i g. 3 gegenüber der nach F i g. 1 liegt in der Konstruktion des rohrförmigen Niederdruckauslasses 15. Dieser ist nicht an ein koaxiales Rohr 14 angeschlossen, sondern steht mit der Wirbelkammer 10 beim Wirbel gegenüber dem rohrförmigen Niederdruckeinlaß 13 in Verbindung. Der Guteinlaß 13 hat einen kleineren Durchmesser als der rohrförmige Niederdruckauslaß 15, um den niedrigsten Druck am Einlaß aufrechtzuerhalten, so daß der Fluid nicht dazu neigt, in den Niederdruckeinlaß 13 einzutreten.

Der Wirkungsgrad der Vorrichtung nach Fig.3 ist nicht so hoch wie der Wirkungsgrad der Vorrichtung nach F i g. 1, da die in Richtung des Pfeils 19 eintretende Suspension nicht nur, wie vorher anhand von F i g. 1 und 2 beschrieben, in Richtung des Pfeils 21 wandert Vielmehr geht jin Teil des Materials in Richtung des Pfeils 25 vollständig durch den Wirbel hindurch. Diese Schüttgutteilchen 20 gelangen sodann in den Niederdruckauslaß 15 und vermindern somit den Wirkungsgrad des gesamten Prozesses.

Das anhand von Fig.3 erläuterte Problem kann in etwa dadurch vermieden werden, daß die Konstruktion nach F i g. 3 durch Verwendung einer Prallplatte 30 abgewandelt wird, welche von einer Halterung 31 getragen wird. Diese Halterung ist ihrerseits über Träger 32 oder entsprechende Konstruktionen mit dem rohrförmigen Niderdruckauslaß 15 verbunden. Die Prallplatte 30 kann ajch in anderer Weise befestigt werden. Zum Beispie! kann man sie an der Innenseite der Wirbelkammer 10 oder sogar innerhalb des rohrförmigen Guteinlasses 13 anordnen. Das Hauptkriterium besteht darin, daß die Tragkonstruktion der Prallplatte 30 so wenig wie möglich dem Verschleiß durch die Schüttgutteilchen 20 unterworfen wird und außerdem die Drehbewegung des Fluids innerhalb des Wirbels entsprechend den Pfeilen 17 und 18 nicht hindert. Tritt also Niederdruckfluid in Richtung des Pfeils 19 durch den rohrförmigen Guteinlaß 13 ein, so wandert dieses Fluid in Richtung des Pfeils 21. Anstatt sich jedoch direkt zum rohrförmigen Niederdruckauslaß 15 zu bewegen, trifft das Fluid zusammen mit den Schüttgutteilchen 20 auf die Prallplatte 30, welche die Schüttgutteilchen 20 derart ablenkt, daß sie von dem i.i Richtung des Pfeils 17 rotierenden Fluid aufgenommen werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Prallplatte 30 ist in Fig.4a dargestellt. In diesem Falle weist der rohrförmige Guteinlaß 13 an seinem Ende eine Stirnplatte 33 auf und ist mit einer Mehrzahl von Schlitzen 34 versehen. Die Stirnplatte 33 arbeitet exakt in der gleichen Weise wie die Prallplatte 30 nach F i g. 4, während die Schlitze 34 den Durchgang der Suspension in die Wirbelkammer 10 und den Durchgang des Fluids zum rohrförmigen Niederdruckauslaß 15 gestatten.

Eine tatsächlich gebaute Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist in den Fig.5 und 6 dargestellt Die Wirbelkammer 10 besteht aus zwei glockenförmigen Elementen 35 und 36 mit inneren scheibenförmiigen Elementen 37 und 38. Die Elemente 35 und 36 sind bei 39 miteinander verschweißt und die scheibenförmigen Elemente 37 und 38 sind an ihren Rändern 40 und 41 zusammengeschweißt Das koaxiale Rohr 14 besteht aus einem T-förmigen Rohr mit angeschweißten Flanschen 42, 43 und 44. Ein Flansch 45 ist an ein kurzes Rohrstück 46 angeschweißt, welches mit dem glockenförmigen Element 35 vnd mix dem scheibenförmigen Element 37 in Verbindung steht. Die Flansche 42 und 45 sind in üblicher Weise miteinander verschraubt Der rohrförmige Guteinlaß 13 ist ar. einem Flansch 47 befestigt, der mit dem Flansch 43 verschraubt ist Ein kleineres glockenförmiges Element 49 ist an dem scheibenförmigen Element 38 angeschweißt Um den Druck von dem scheibenförmigen Element 37 und 38 auf die glockenförmigen Elemente 35 bzw. 36 zu übertragen, kann der Raum zwischen den scheibenförmigen und den glockenförmigen Elementen mit einem Fluid oder einem Feststoffmaterial ausgefüllt bzw. verrippt sein.

Eine Abwandlung der Vorrichtung nach den F i g. 5 und 6 gegenüber den vorher beschriebenen Vorrichtungen besteht in einer Einschnürung 50 des rohrförmigen Hochdruckeinlasses 11. Die Durchmesserverminderung im Einlaßrohr erhöht die Geschwindigkeit des Fluids beim Eintritt in die Wirbelkammer 10. Wie ersichtlich, kann der Durchmesser des Einlaßrohres variiert werde α, und zwar vom tatsächlichen Durchmesser des Hochdruckeinlasses 11 bis auf eine wesentlich verminderte Größe. Dies hängt ab von der Geschwindigkeit, die innerhalb der Wirbelkammer erwünscht ist. Wenn die Geschwindigkeit am rohrförmigen Hochdruckeinlaß 11 wesentlich erhöht wird, dann kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung dadurch gesteigert werden, daß man die unter niedrigem Druck stehenden Feststoff-Fluid-Suspension durch den Guteinlaß 13 an einer Stelle in die Wirbelkammer 10 einspritzt, die etwas vom axialen Mittelpunkt der Wirbelkammer abweicht.

F i g. 7 zeigt eine Abwandlung der obigen Vorrichtung, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Wenn die Geschwindigkeit durch die Einschnürung 50 des rohrförmigen Hor.hdruckeinlasses 11 erhöht wird, dann sollte der Wirbeleinspritzpunkt gegen den Einlaß oder den Auslaß, dessen Geschwindigkeit erhöht wurde, verschoben werden. Im vorliegenden Fall wird der Wirbeleinspritzpunkt in Richtung des Pfeils 51 vesetzt, wie es in F i g. 7 dargestellt ist.

Die Betriebsweise der Vorrichtung nach den F i g. 5,6 und 7 entspricht im wesentlichen der Betriebsweise der vorher beschriebenen Vorrichtungen.

Bei den Vorrichtungen, die in den F i g. 1 bis 7 dargestellt sind, sollte oio Breke der Wirbelkammer annähernd gleich der Breite des Hochdruckeinlasses 1! oder des Hochdruckauslasses 12 sein, je nach dem, welcher

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größer ist. Dies ergibt den besten Wirkungsgrad für die Gutförderung.

In F i g. 8 ist eine Anlage zur hydraulischen Grubenförderung dargestellt, die nach dem vorliegenden Verfahren arbeitet und dazu dient Kohle-Schlamm oder Suspension aus einem Bergwerk hinauf zur Erdoberfläche zu fördern. Wie aus F i g. 8 ersichtlich, ist auf der Erdoberfläche 55 ein Wasserbehälter 56 angeordnet. Der Wasserbehälter kann aus jeder beliebigen Quelle gefüllt werden, beispielsweise aus dem Wasserabscheider einer Anlage, in der Wasser von Feststoffen abgetrennt und in den Wasserbehälter 56 zurückgeleitet wird. Das Wasser wird sodann aus dem Wasserbehäler 56 durch ein Rohr 57 entnommen und mittels einer Pumpe 58 in ein zweites Rohr 59 gefördert Es gelangt dann durch ein vertikales Rohr 60 nach unten zu einem Steuerventil 61. Das Steuerventil 61 ist an ein Steuerventil 69 angeschlossen, welches das Wasser in regelbarer Weise an den Hochdruckeinlaß 11 der Wirbelkammer iO der vorliegenden Vorrichtung liefert. Der Hochdruckauslaß 12 leitet Hochdruckschlamm in ein vertikales Rohr 62 ein, welches in einem Tank 63 zur Schlammspeicherung mündet Das Material wird mittels einer Rührvorrichtung 64 normalerweise in Suspension gehalten. Der Schlamm im Tank 63 wird kontinuierlich einer Verarbeitungsanlage zugeführt, in der das Wasser abgetrennt und die Kohle in üblicher Weise behandelt wird. Das abgezogene oder abgetrennte Wasser wird sodann geklärt und, wie oben beschrieben, in den Wassertank 56 zurückgeleitet Untertage ist ein Sumpf 70 vorgesehen, der in seinem einen Abschnitt einen Schlammspeicher 71 und in seinem anderen Abschnitt einen Wasserspeicher 72 enthält. Das Wasser wird aus dem Wasserspeicher 72 durch ein Rohr 73, über eine Pumpe 74, durch eine Leitung 75 und über ein Steuerventil 66 einem Absperrventil 68 sowie dem Steuerventil 69 zugeführt. Kohle wird aus dem Schlammspeicher 71 rlf»c QnmnfAC 7fl lrQntimii<»rlts*h Hnr/^h £ino ^K^iifvcuQf*.

richtung 76 abgezogen. Letztere weist ein Saugende 77, eine Pumpe 78 sowie einen Motor 79 zum Antrieb der Pumpe 78 auf. Die Kohle wird im wesentlichen durch das Saugende 77 mitteis der Pumpe 78 angesaugt und sodann über ein Rohr 80 dem Niederdruckeinlaß 13 zugeführt. Das Wasser aus dem Niederdruckauslaß 15 wird über ein Rohr 81 und ein Steuerventil 82 zurück in den Schlammspeicher 71 geleitet

Das beschriebene System arbeitet folgendermaßen: Normalerweise ist der Sumpf 70 im Wasserspeicher 72 mit Wasser und im Schlammspeicher 71 mit einem Gemisch aus Kohle und Wasser gefüllt Überschüssiges Wasser läuft hinüber in den Wasserspeicher 72 und füllt ihn auf. Der Abstand zwischen der Erdoberfläche 55 und dem Sumpf 70 liegt unter normalen Bedingungen irgendwo im Bereich zwischen ca. 30 m und 300 m. Wann immer also Material aus dem Sumpf 70 zur Erdoberfläche gefördert werden soll, muß der Fluiddruck am Hochdruckauslaß 12 groß genug sein, den von der Pumpe 78 angesaugten Schlamm so hoch zu fördern, daß er durch das Rohr 62 in den Tank 63 gelangt Hierzu war es bisher erforderlich, eine Reihe von Schlammpumpen innerhalb des Bergwerks nahe dem Sumpf 70 anzuordnen. Der Transport von Schlammpumpen solcher Größe, wie sie zur Förderung des Schlammes senkrecht nach oben zur Erdoberfläche 55 erforderlich sind, transportieren, so benötigt dies erhebliche Anstrengungen viel Platz und überkopf angeordnete Krähne auf Wartungszwecke, und es sind außerdem komplizierte elektrische Schaltungen für den Antrieb und die Betätigung der Pumpen erforderlich. All diese Einrichtungen müssen unter extrem schwierigen Umgebungsbedingungen arbeiten, und sie müssen in einem solchen Zustand erhalten werden, daß keine Gefahr von Bränden, Explosionen, Veschmutzungen und ähnlichem besteht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht es überflüssig, eine Reihe von Schlammpumpen, wie sie bisher für Schlammtransportsysteme in Bergwerken erforderlich waren vorzusehen. Die einzigen Pumpen, die man benötigt sind die Wasserpumpe 74 und die Pumpe 78 der Abzugsvorrichtung 76. Diese Pumpen sind wesentlich kompakter und ohne weiteres erhältlich. Der aus Kohle und Wasser bestehende Schlamm wird von der Pumpe 78 aufgenommen und durch die Leitung 80 zum Guteinlaß 13 der Wirbelkammer 10 gefördert an dem ein niedriger Druck herrscht Das Hochdruckwasser, das unter dem Druck des Wasserbehälters 56, der Pumpe 58 und der Leitung 60 steht, wird dem Hochdruckeinlaß 11 der Wirbelkammer 10 zugeführt Die Fallhöhe zwischen der Pumpe 58 und dem Hochdruckeiniaß ii der Wirbeikammer 10 ist fast gleich der Fallhöhe zwischen dem Hochdruckauslaß 12 der Wirbelkammer und dem Tank 63 für den Schlamm. Das einzige zusätzliche Druckwasser, das zugeführt werden muß, ist also das Ausgleichswasser, welches über die Steuerventile 66 und 61 durch das Rohr 75 an den Hochdruckeinlaß 11 der Wirbelkammer 10 geliefert wird. Das Steuerventil 82 hält eine gewünschte Druckhöhe für die Pumpe 78 aufrecht.
Wie unhand der vorhergehenden Figuren erläutert, entsteht der Niederdruckwirbel dadurch, daß Fluide durch den Hochdruckeinlaß 11 eintreten und durch den Hochdruckauslaß 12 austreten, wobei ein Fluidanteil die Vorrichtung durch den Niederdruckauslaß 15 verläßt. Würde kein Fluid durch den Niederdruckauslaß 15 austreten, so wäre der Druck an der Stelle des Wirbels im wesentlichen der gleiche wie am Hochdruckeinlaß 11. Allerdings muß der Wasserverlust aus dem Niederwasser wird aus dem Wassespeicher 72 des Sumpfes 70 mittels der Pumpe 74 bereitgestellt, die den Druck im Rohr 75 auf den am Hochdruckeinlaß 11 herrschenden Druck anheben muß. Das Ausgleichswasser wird sodann dem Hochdruckeinlaß 11 durch öffnen des Absperrventils 68 und des Steuerventils 61 zugeleitet.

Wenn sich während des Betriebs überschüssiges Wasser ansammelt kann das Steuerventil 69 zum Teil oder vollständig geschlossen werden, um Wasser aus dem Sumpf 70 abzuziehen.

Durch die Erfindung wird also ein Verfahren geschaffen, welches den ausrüstungstechnischen Aufwand eines Suspensions- oder Schlammtransportsystems in <*^;nem Bergwerk beträchtlich vermindert. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Wirbeleinspritzrichtung, die an ihrem Einlaß ein Hochdruckfluid aufnimmt und an ihrem Auslaß einen hohen Druck erzeugt Ein Gutoder Niederdruckeinlaß mischt den wäßrigen Schlamm aus einem Sumpf und führt ihn einem Wirbel innerhalb der Wirbeleinspritzeinrichtung zu. Der Schlamm wandert nach außen, wo er von dem zirkulierenden Wasser ,innerhalb der Wirbelkammer 10 aufgenommen wird. Das Material verläßt die Vorrichtung durch den Auslaß und wird zur Erdoberfläche transportiert Die Wirbeleinspritzvorrichtung einschließlich ihrer Verwendung wurde im einzelnen anhand eines Kohletransportsystems beschrieben, und zwar insbesondere anhand eines Systems für ein Bergwerk. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Wirbeleinspritzeinrichtung immer dann Anwendung finden kann, wenn Niederdruckmaterial

mit einem Hochdruckfluid gemischt werden soll. Die Erfindung ist also nicht auf den speziellen, hier beschriebenen Anwendungsfall eingeschränkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

10

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30

35

40

45

50

55

60

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur hydraulischen Grubenförderung, bei dem eine Schüttgutsuspension in einem in der Grube angeordneten Schlammspeicher zur Förderung nach übertage unter Druck gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß