Разработка безопасных технологий использования и утилизации шахтного метана



Предыдущая | Следующая

 

Разработка безопасных технологий использования и утилизации шахтного метана В настоящее время выделение метана угольных месторождений России в атмосферу Земли составляет 3225 млн м3 в год. По прогнозам на 2010 г., эта цифра увеличится до 3655 млн м3, на 2020 г. — до 4340 млн м3 в год [1].
В результате антропогенной деятельности основных шахт угольных бассейнов России произойдет значительное увеличение каптируемого метана, который должен быть утилизирован. По угольным бассейнам это выглядит следующим образом. По Кузнецкому бассейну выбрасывается в атмосферу метана за год — 1,35 млн м3, по прогнозу на 2010 г. — 1,58 млн м3, в 2020 году — 2,04 млн м3. Запасы метана только в Кузбассе оцениваются в 13,2 трлн м3. На шахтах Печорского бассейна в настоящее время выбрасывается в атмосферу метана за год — 1,24 млн м3, по прогнозу на 2010 г. — 1,46 млн м3, на 2020 г. — 1,67 млн м3. Общие ресурсы метана по Воркутинскому месторождению составляют 1942 млн м3.
Выбросы метана в атмосферу вызвали глобальное потепление климата Земли, а с другой стороны, выбросы углекислого газа привели к увеличению температуры Мирового океана на 1?С, что привело к парниковому эффекту и к высвобождению из морских глубин огромных масс того же углекислого газа.
Поэтому необходимо оценить перспективы использования шахтного метана как важнейшего сырья для получения целого ряда химических продуктов путем использования органического потенциала метана: формальдегида, белка (протеина), сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, ацетилена, ацетона, метанола, синтетического бензина и т. д.
Потепление климата, вызванное парниковым эффектом, из предположений стало острой реальностью. В этой связи снижение выбросов парниковых газов стало необходимостью.
Для реального их снижения необходимы экономически привлекательные безопасные технологии использования и утилизации шахтного метана [2, 3].
По данным Росгидромета, основной вклад в антропогенную эмиссию (выбросы) парниковых газов в России вносит углекислый газ (диоксид углерода), доля которого в общем выбросе парниковых газов составляет около 80 %. Вклад метана равен 16 %, закиси азота и фторсодержащих соединений — примерно 2 %. Антропогенная эмиссия СО2 связана, в основном, с использованием ископаемого топлива и вторичных энергоносителей — продуктов его переработки. Начиная с 1999 г. имеет место устойчивый рост эмиссии, связанный с общими положительными тенденциями в экономике России.
По имеющимся оценкам, вклад России в глобальную эмиссию СО2 составляет 6,3 %, а в эмиссию промышленно развитых стран и части стран с переходной экономикой — 9,2 %.
Распределение эмиссии СН4 в России в 1999 г. выглядит следующим образом. Всего — 13,8 %, в том числе ископаемое топливо и продукты его переработки — 9,4 %, сельское хозяйство — 2,4 %, отходы углеобогащения — 1,8 %, очистка сточных вод — 0,1 %.
Ниже приведены, соответственно, антропогенные источники парниковых газов и их характеристики:
— углекислый газ (СО2) — источники возникновения: сжигание угля, нефти, природного газа, лесные пожары и вырубка леса, антропогенные пустыни, производство цемента; время существования в атмосфере — 100-1000 лет; потенциал глобального потепления — 1 (по условиям Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата углекислый газ (СО2) условно принят за единицу);
— метан (СН4) — отходы домашних животных, болота и заболоченные территории, рисовые поля, производство, транспорт и сжигание ископаемого топлива, свалки, в будущем — таяние вечной мерзлоты; 8-12 лет; 21.
— фторсодержащие соединения (CFC, HCFC, HFC, PFC, SF6 и другие) — холодильники, морозильные установки, кондиционеры, противопожарные средства, пенящиеся средства, звукопоглощающие материалы; 50-5000 лет; 5.
— озон (О3) — фотохимические реакции при расщеплении оксида азота и оксида углерода (СО); примерно 1 мес; 6.
ЗОЗУЛЯ Анатолий Данилович Профессор ИПК руководящих работников и специалистов Канд. техн. наук ЧАКВЕТАДЗЕ Фридон Аквсентьевич Ректор ИПК руководящих работников и специалистов Доктор. техн. наук.
РАЗУМНЯК Николай Леонтьевич Проректор ИПК руководящих работников и специалистов Доктор техн. наук По условиям Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (декабрь 1997 г.) период подписания протокола открылся 16 марта 1998 г. и завершился 15 марта 1999 г.
Согласно Киотскому протоколу страны, выбрасывающие парниковые газы меньше установленной для них нормы, вправе продавать свои излишки тем государствам, которые пока не на мерены сокращать эмиссию. В России 326 электростанций, десятки тысяч котельных, работающих на угле, которые выбрасывают в атмосферу доминирующее количество парниковых газов.
Суммарный углеродный фонд от США, Японии, Англии, Франции, Германии и Канады составляет более 2,5 млрд дол. США. За 1 т сокращения эмиссии СО2 фонд готов платить 5-6 дол. США.
Суммарный эффект от углеродного кредита обещает быть значительным. Таким образом, создаются мощные экономические стимулы для модернизации российской экономики, что позволяет решить одну из наиболее фундаментальных задач нашего времени — снизить энергоемкость российского внутреннего валового продукта.
Основным источником шахтного метана является угольная промышленность. Около 85 % метана сосредоточено в угольных пластах. Он удаляется из шахт за счет вентиляции и выбрасывается в атмосферу с концентрацией до 0,75 % об. Из дегазационных систем угольных шахт России и стран СНГ выбрасывается в атмосферу до 2 млрд м3 чистого метана в год. Используется же, в основном, в зимний период до 10 % так называемого кондиционного шахтного метана с концентрацией 30 % объемных и более [1], т.е. до 60 % об.
Для использования и утилизации шахтного метана разработан ряд технологических и технических решений.
Технология получения баллонного ацетилена из газов термоокислительного пиролиза шахтного метана Разработана конструкция туннельного реактора для получения ацетилена окислительным пиролизом из природного газа.
Из реактора при температуре 1300-1500?С получаем целую гамму газов, в том числе ацетилен 7,8-8 % объемных, который подается на батарею из 4 барботеров, в которых залит диметилформамид.
Непрерывность процесса получения ацетилена поддерживается путем изменения температуры и давления. В случае использования шахтного метана вместо природного газа возникает необходимость в применении дополнительной кислородной станции, стоимость которой незначительно повышает себестоимость ацетилена.
Получение ацетилена из газов окислительного пиролиза шахтного метана относится к числу огне — и взрывоопасных процессов. Необходимы средства пожаротушения, так как все газовые смеси и растворители являются горючими веществами.
Технология совместного сжигания шахтного метана над слоем горящего угля Существующая технология сжигания шахтного метана в подовых горелках не соответствует современным требованиям к энергетическим устройствам из-за их низкой производительности и отсутствия гибкого регулирования тепловой нагрузки.
Переведенные на шахтный газ котлы и сушила, сжигающие уголь, при отсутствии газа становятся для шахты потенциальным энергетическим балластом. Предлагаемая технология дает возможность применить современные, энергетически мощные газовые горелки и позволяет:
— использовать газ, получаемый при дегазации, в любом количестве;
— значительно повысить единичную теплопроизводительность котла в результате резкого повышения теплонапряжения топочного объема;
— существенно повысить КПД котла;
— регулировать подачу угля и газа в широком диапазоне в зависимости от количества газа в условиях колебания дебита и концентрации метана в смеси;
— регулировать тепловую нагрузку котла;
— использовать в качестве твердого топлива бросовые энергетические угли, отходы углеобогащения, в которых органическая часть составляет не менее 30 %;
— использовать шлак угля в качестве сырья для производства кирпича, стеновых блоков без добавок связующих, так как органическая часть твердого топлива полностью выгорает, увеличивая пористость изделий;
— значительно снизить экологически вредные выбросы.
При этом требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала.
Но, наряду с преимуществами, технология имеет ряд недостатков:
— необходимо переделывать боковые экранные поверхности котла для монтажа горелок;
— увеличивается нагрузка на обслуживающий персонал из-за расположения горелок на боковых поверхностях котла;
— в результате увеличения теплопроизводительности котлов, производящих пар, требуется улучшение качества используемой воды и повышенное внимание к ведению водного режима.
Технология совместного сжигания метана и угля внедрена на промышленном объекте — котле ДКВ-6,5/13 в котельной шахте «Стахановская» ПО «Карагандауголь». Сущность способа заключается в том, что при изменении концентрации метана в смеси, подаваемой через встречно расположенные на боковых стенках топки котла горелки низкого давления, обратно пропорционально изменяют расход смеси при объемной концентрации в пределах 30-60 % об. [4].
При сжигании твердого топлива в атмосферу выбрасываются экологически вредные вещества:
— твердые частицы летучей золы и недогоревшего твердого топлива;
— соединения серы и окись углерода в результате химической и механической неполноты сгорания органической части угля;
— окислы азота, образовавшиеся в результате окисления элементарного состава угля и атмосферы.
Эти вещества определялись как экспериментально, так и расчетным путем на основании нормативных документов при работе котла ДКВ-6,5/13 в течение года. Расчеты вредных выбросов при соотношении угля и газа 1:1 по тепловой нагрузке приведены в таблице.
Экономическая оценка снижения ущерба У, причиняемая годовыми выбросами вредных веществ в атмосферный воздух, определяется по формуле:
n У=?????? fi mi Ai, руб. в год, i=1 где?? — величина ущерба, руб/т у. т. в год;?? — безразмерная величина, характеризующая относительную опасность загряз нения атмосферы над территорией распространения выбросов принимается?????? i =1…n — виды вредных веществ (летучая зола, угольная пыль, окислы серы, окись углерода, окислы азота, шахтный метан), выбрасываемые в атмосферу; fi — безразмерный показатель, учитывающий характер рассеивания в атмосфере i-го вида вредного вещества; mi — масса годового выброса i-го вида вредного вещества, т в год; Ai — показатель относительной агрессивности i-го вида вредного вещества (условное топливо, относящееся к 1 т угля).
Котел ДКВР 20/13 шахты «Комсомольская» ПО «Воркутауголь» был переведен на совместное сжигание шахтного метана и угля.
Трубы боковых экранов котла для размещения горелок были разведены по индивидуальному проекту для монтажа горелок низкого давления.
В современных условиях для совместного сжигания шахтного метана и угля необходимо применить унифицированные газомазутные горелки серии ГМУ или ГМ для котлов типа Е, ДЕ (ДКВР).
Номинальное давление шахтного метана должно быть не менее 25 000±6 000 Па (около 0,25 ата.).
Для решения этой проблемы необходимо применить струйный аппарат, разработанный Институтом теплофизики СО РАН, г. Новосибирск на основе законов гидродинамики пристенных струй со свободными внешними границами, используя так называемый эффект Коанда. Каждый такой аппарат развивает давление (среднее) 2-3,5 ата. с расходом газа 3,5-5 м3/мин, который монтируется на напорной части водокольцевого дегазационного насоса.
Подача шахтного метана с тепловым спутником осуществляется практически на любые расстояния.
Особенность сжигания шахтного метана в современных газогорелочных устройствах состоит в том, что он представляет собой гомогенную смесь газа с воздухом концентрацией 30 % об.
и выше, которая хорошо воспламеняется, а недостаток кислорода инжектируется из окружающего топку воздуха. Для непрерывного контроля химической неполноты сгорания шахтного метана в котлах потребовались дополнительные исследования. При совместном сжигании шахтного метана над слоем горящего угля недостающее количество воздуха поступает из дутьевого или дополнительного вентилятора. Критерием качества сжигания газа является удержание процесса горения на грани появления газов неполного сгорания — СО, Н2 и СН4, при коэффициентах избытка воздуха ? = 1,05-1,1, то есть при сжигании практически стехиометрических смесей.
Качество сжигания природного газа и шахтного метана может быть осуществлено при помощи устройства непрерывного селективного контроля в уходящих газах продуктов неполного горения газообразного топлива под названием «q3 — метр». Такое устройство контролирует качество сжигания газа при помощи термохимических каталитических чувствительных элементов, на которых происходит горение СО, Н2, СН4. Электрический сигнал поступает на устройство, регулирующее соотношение «топливовоздух», т. е. регулируется коэффициент избытка воздуха ? [7].
Способ (технология) получения метана из метановоздушной смеси для утилизации шахтного метана в виде топлива [5] Разработанная технология заключается в том, что после отделения механических примесей и влаги метановоздушную смесь подвергают конверсии с водяным паром в присутствии катализатора конверсии с получением СО, СО2 и Н2. Продукт охлаждают, отделяют сконденсировавшуюся при этом воду, извлекают абсорбцией при помощи растворителя часть содержащегося в продукте СО2 и затем подвергают метанированию в присутствии специального катализатора. Полученный при этом продукт после адсорбционной сушки подают на разделение при помощи низкотемпературной ректификации с отделением азота и получением целевого продукта — метана. Часть азота при этом может быть использована для регенерации цеолита в установках сушки.
После разделения потока азота и метана в колонне низкотемпературной ректификации с температурой 90К и давлением 2,45 ата., получают в верхней части практически чистый азот, а из кубической емкости — метан с концентрацией около 100 %.
На выходе из установки получаем: газообразный метан — жидкий азот и жидкий метан — жидкий азот.
Газообразный или жидкий метан используется как топливо для автотранспорта, а также применяется для газоснабжения шахтных поселков. Попутно получаемый жидкий азот широко применяется в промышленности и для укрепления зданий и сооружений в климатических условиях вечной мерзлоты.
Исследование окисления метана на платино-палладиевом катализаторе термокаталитического датчика Исследования проводились для определения поведения катализатора в кинетической области каталитического горения при различных температурах для определения температурных границ областей горения, каталитического окисления и конверсии метана от скорости потока метановоздушной смеси.
Исследования, которые проводились в ИХФ АН СССР, в реакторе Тимошенко как наиболее совершенном, используя проточно-циркуляционный метод измерения скорости гетерогенных каталитических реакций.
Определение концентрации горючих газов СО, Н2 и СН4 проводилось одновременно двумя методами: хроматографическим и термокаталитическим. Экспериментально установлено, что при низких температурах 266-360?С по результатам эксперимента каталитического окисления метана, отраженного в координатах Аррениуса, не происходит. Окисляются только СО и Н2.
Все горючие газы, в том числе и метан, окисляются в диапазоне 430-520?С. В результате совместного сжигания СО, Н2 и СН4 на одном термокаталитическом чувствительном элементе термохимического принципа получили информацию о величине химической неполноты сгорания.
Горение горючих газов на поверхности катализатора существующих термокаталитических датчиков в качестве детекторов с принудительной подачей газа с различными скоростями потока происходит в кинетической области горения.
Зарубежный опыт работы газотрубной установки на предварительно подогретой смеси дегазационного шахтного метана положителен. Общее содержание метана в смеси при этом не превышало 2,5 % обемных (шахта «Стаффорд», Великобритания) [6].
Точные инженерные расчеты теплового эффекта в теплоиспользующих установках с предварительным подогревом необходимы для расчета теплоты сгорания СО, Н2 и СН4 от температуры подогрева при конструировании приборов по контролю за качеством сжигания горючих газов.
Определение функциональной зависимости теплоты сгорания СО, Н2 и СН4 от температуры Необходимость в точном определении зависимости теплоты сгорания СО, Н2 и СН4 от температуры возникла при вычислении теплового эффекта окисления метановоздушной смеси на термокаталитических детекторах горючих газов и паров (ИГД им. А. А.
Скочинского), работающих в кинетической области горения на пористой системе, состоящей из платинового проводника (нагреватель-измеритель), покрытой окисью алюминия (носитель) и платино-палладиевым катализатором.
Известно, что при каталитическом сжигании горючего газа на термокаталитическом чувствительном элементе температура последнего повышается. Например, 1 % СН4 повышает температуру элемента на 20?С. Расчеты свидетельствуют об изменении теплоты сгорания в рабочем диапазоне температур элемента в пределах 0,6 % для СН4, 4,4 % для Н2 и 3 % СО, которую необходимо компенсировать электрической схемой измерительного прибора [7].
С целью создания устройств непрерывного контроля химической неполноты сгорания шахтного метана проведены исследования горения на поверхности термокаталитического элемента воздушных смесей СО, Н2 и СН4 разной концентрации при различной его начальной температуре, позволившие дать качественные характеристики горения. Кроме того, экспериментально исследована кинетика окисления метана на платино-палладиевом катализаторе и теоретическим путем с практической проверкой установлены функциональные зависимости теплоты сгорания СО, Н2 и СН4 от температуры.
Отечественный и зарубежный опыт промышленной добычи метана на угольных месторождениях России и стран СНГ [8] является основой использования и утилизации шахтного газа в энергетике, 6. Для производства точных инженерных расчетов теплового эффекта в теплоиспользующих установках с предварительным подогревом рассчитана теплота сгорания СО, Н2 и СН4 от температуры при конструировании приборов по контролю за качеством сжигания горючих газов.
7. Разработан способ контроля за процессом сжигания метановоздушных смесей, путем разработки прибора «q3—метра» для непрерывного селективного контроля продуктов неполного горения газообразных органических топлив в уходящих газах.
8. Разработан способ получения из шахтного метана газообразного или жидкого метана для автотранспорта, химических производств и коммунальных нужд.
химической промышленности и коммунально-бытовой сфере.
Список литературы Выводы 1. Разработаны технологии использования и утилизации шахтного метана посредством их эффективного использования, критерием которых является снижение экологической безопасности атмосферы Земли.
2. Определена область эффективного использования шахтного метана во всем диапазоне его концентрации (? 30 % об. СН4) при применении технологии совместного сжигания газа над слоем угля в котельных установках, что дает возможность повысить КПД котла на 25-30 % при использовании высокозольных энергетических углей, а также отходов углеобогащения.
3. Установлено, что при совместном сжигании шахтного метана над слоем угля экологически вредные выбросы в атмосферу сокращаются до 50 %, снижается потребление угля на 18-20 % по сравнению с традиционной технологией сжигания угля.
4. Разработана технология получения баллонного ацетилена и конструкция туннельного реактора путем термоокислительного пиролиза из шахтного метана.
5. Исследована кинетика окисления метана на платино-палладиевом катализаторе, которая позволяет создавать приборы непрерывного действия на базе термокаталитических датчиков термохимического принципа.
1. В. Е. Зайденварг, А. Г. Айруни и др. Комплексная разработка метаноносных угольных месторождений. М.: ЦНИЭИуголь, 1993.
— С. 143.
2. Л. А. Пучков, С. В. Сластунов, Г. М. Презент, С. К. Баймухаметов. Угольный метан — некоторые проблемы и направления их решения // Уголь. — № 12. — 2003. — С. 43-48.
3. М. И. Щадов, Н. Ф. Ткаченко. Киотский протокол и отечественный ТЭК (размышления о климате и энергетике) // Уголь. — № 5.
— 2004. — С. 41-47.
4. А. Д. Зозуля. Способ совместного сжигания метановоздушной смеси и твердого топлива. Патент № 2008558, 1994.
5. А. Д. Зозуля. Способ получения метана из метановоздушной смеси. Патент № 2104990. 1998.
6. Охрана окружающей среды при подземной разработке угольных месторождений. Отв. редактор к. т. н. Е. А. Ельчанинов. Гл. 2
«Шахтный метан» (Зозуля А. Д. ) — М.: Наука, 1995. — С. 20-41.
7. Е. Ф. Карпов, А. Д. Зозуля. Устройство непрерывного селективного контроля в уходящих газах содержания продуктов неполного горения газообразного топлива. А. с. 731198, 1980.
8. К. Н. Трубецкой, В. В. Гурьянов. К вопросу о развитии промышленной добычи метана угольных месторождений и ее рентабельности // Уголь. – №1. – 2007. – С. 55-57.

/*/

надо же... Никогда бы не подумал, что сельское хозяйство вносит свой вклад в парниковый эффект на уровне 3 процентов!