За последние 20 лет утилизация шахтного газа



Предыдущая | Следующая

 

За последние 20 лет утилизация шахтного газа на угольных шахтах в различных странах мира развивается быстрыми темпами. В результате улучшения систем дегазации все большее количество шахтного газа становится пригодным для использования, например, в газовых двигателях.
ВВЕДЕНИЕ Международное внимание к проблемам изменения климата и недавняя ратификация Киотского Протокола повлекли за собой усиление интереса к проблеме утилизации шахтного газа. На данный момент в мире существуют несколько коммерчески испытанных технологий, которые работают на шахтном и вентиляционном газе. Среди них наиболее используемым методом, позволяющим утилизировать шахтный газ и снижать вредные выбросы, остается использование его в двигателях внутреннего сгорания. В этой статье представлен обзор основных технологий на рынке и оценка влияния проектов по утилизации шахтного метана на окружающую среду.
ОБЗОР ИНДУСТРИИ Шахтный газ является значительным, но практически неосвоенным ресурсом с основными запасами, находящимися в примерно десятке стран. Китай, Россия, Польша и США являются крупнейшими «загрязнителями» атмосферы, совместно отвечая за три четверти от всего мирового выброса шахтного газа. По прогнозам, количество выбрасываемого шахтного газа в мире увеличится на 2 % к 2020 г. в основном за счет роста угольной добычи в Китае.
С одной стороны, шахтный газ, сродни природному газу обладает полезными свойствами горючего топлива, с другой стороны, при попадании в атмосферу он наносит сильнейший урон экологической обстановке. Основной компонент шахтного газа, метан (СН4), в 21 раз сильнее, чем углекислый газ (СО2) по своей способности создавать парниковый эффект на планете.
В 2000 г. мировой выброс шахтного и вентиляционного газа составил 32 млрд куб. м чистого метана, что является эквивалентом 456 млн т углекислого газа. К 2010 г. выброс метана из угольных шахт вырастет до 51 млрд куб. м чистого метана в год (724 млн т углеродного газа), что равносильно ежегодному выхлопу 171 млн автомобилей.
КАПТИРОВАНИЕ ШАХТНОГО ГАЗА В настоящий момент только маленькая часть шахтного и вентиляционного газа пригодна для производства электроэнергии или тепла, и только одна пятая этой доли используется для производства энергии или других промышленных нужд.
Процесс дегазации, с помощью которого извлекается шахтный газ, изначально развивался в целях повышения безопасности угольных шахт. При подземной добыче угля угольной компании приходится бороться с шахтным метаном, который выделяется в процессе разработки угольных пластов.
Так как метано-воздушная смесь является взрывоопасной при концентрации метана от 5 до 14 %, угольной компании необходимо принимать соответствующие меры, чтобы избегать опасного диапазона.
До середины 1970-х годов общепринятым способом борьбы с метаном было проветривание горных выработок с помощью больших объемов воздуха. Однако с развитием подземного способа добычи и разработкой более метаноносных угольных пластов использование одной лишь системы вентиляции стало недостаточным. Введение заблаговременной дегазации посредством бурения дегазационных скважин и вакуумного отсасывания позволило снизить нагрузку на системы вентиляции и дополнительно повлекло за собой увеличение производительности угольных шахт. Дело в том, что при неэффективной вентиляции приходится приостанавливать добычу угля всякий раз, когда доля метана в воздушной смеси приближается к взрывоопасному уровню. Адекватная система дегазации позволила значительно снизить время подобных простоев и свести к минимуму количество чрезвычайных происшествий на шахтах.
Развитие технологии также облегчило задачу дегазации угольных шахт. В зависимости от геологических особенностей пластов дегазация может проводиться посредством бурения вертикальных скважин в неотработанные и отработанные участки или горизонтальных и наклонных скважин из шахтного пространства. Накопленный опыт в изучении метаноносных пластов позволил лучше адаптировать систему дегазации к конкретному резервуару и повысить эффективность производимых операций.
Сегодня, используя современные технологии для изучения шахтных пластов и проведения дегазационных работ, угольная компания может добиться значительного увеличения количества каптируемого метана в высоких концентрациях. Осознавая потенциал шахтного метана, все больше компаний продают его для различных индустриальных нужд или производят тепло или электроэнергию для собственных нужд.
УТИЛИЗАЦИЯ Хотя по своей сути шахтный газ является природным газом, при проведении дегазационных работ он смешивается с воздухом и приходит на поверхность в концентрации более низкой, чем 100 %.
В тех случаях, где концентрация достаточно высока, шахтный газ может использоваться аналогично природному газу, например, в газовых двигателях или турбинах с целью производства электричества. Другие способы использования включают сжигание в котельных для нагрева воды или центрального отопления, для обеспечения газом жилого фонда или в газовых колонках, для сушки угля или других промышленных целей.
ПРОДАЖИ В ГАЗОПРОВОД В том случае, когда концентрация каптируемого шахтного газа близка к 100 %, поставки его для промышленного использования (продажа в газопровод) являются наиболее привлекательным способом использования метана. Однако помимо высокой концентрации газ должен удовлетворять другим жестким требованиям, таким как отсутствие примесей, воды и пыли. Как правило, такой газ добывается из скважин заблаговременной дегазации или путем бурения в неотрабатываемые пласты, где не происходит смешения шахтного газа и вентиляционного газа.
На сегодняшний день шахтный газ продается в газопровод только в немногих странах. В США, например, где цена на природный газ высока, около 1,3 млрд куб. м шахтного метана ежегодно поставляется в газопровод. В Европе шахтный газ используется в газопроводе в Великобритании Однако в большинстве стран основными препятствиями подобному использованию являются недостаточная концентрация каптируемого шахтного газа, недоступность газопровода в непосредственной близости от шахты и/или низкая цена на природный газ.
ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В отличие от использования в газопроводе, производство электричества из шахтного газа не требует очень высоких концентраций. Как правило, шахтный газ может использоваться в газовых двигателях или турбинах при содержании метана свыше 25 % и при проведении предварительной очистки и сушки. Каптируемый газ наиболее часто используется в двигателях внутреннего сгорания, которые способны производить тепло- или электроэнергию.
На сегодняшний день в мире существует ряд проектов, где шахтный метан используется для производства электричества. Наибольшим опытом ведения подобных проектов (свыше десяти лет) обладают Австралия, Германия, Япония, Великобритания и США. За последние два года утилизация шахтного газа стала все больше применяться на шахтах в развивающихся странах, таких как Китай, Польша, Россия и Украина. Согласно данным за 2005 г., в мире существует около пяти десятков электростанций, работающих на шахтном газе, суммарной мощностью свыше 300 МВт. Индивидуальная производственная мощность таких электростанций может сильно различаться, начиная от мини-электростанций в 150 кВт до самой крупной станции в 94 МВт.
ПРОЕКТ «APPIN & TOWER» В АВСТРАЛИИ Самая крупная электростанция, работающая на шахтном метане, начала свою работу десять лет назад в Австралии, в штате Нью Сауф Уэлс (New South Wales).
В качестве топлива для 94-х газовых двигателей внутреннего сгорания, каждый из которых мощностью в один МВт, используется шахтный газ трех подземных угольных шахт, принадлежащих компании BHP Billiton. При разработке проекта было принято решение использовать модульные энергопроизводящие установки малой мощности, так как это позволяет оптимизировать нагрузку электростанции.
При колебаниях подачи шахтного газа только необходимое количество двигателей находится в работе, функционируя со стопроцентной нагрузкой, в то время как остальные двигатели останавливаются. Подобный модульный подход часто применяется на действующих шахтах, где количество и концентрация шахтного газа подвержены постоянным колебаниям. Помимо оптимизации нагрузки использование небольших модулей, заключенных в контейнеры, удобно из-за возможности дистанционной сборки, легкости перемещения (например, на другую шахту) и возможности постепенного наращивания мощности.
ПРИМЕР УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО ГАЗА В ГЕРМАНИИ Интересен пример немецкой компании G. A. S. Energietechnologie, которая объединила все свои проекты по утилизации шахтного газа, мусорного газа и биогаза в один. Это было сделано с помощью использования технологии дистанционного управления, которая позволяет компании осуществлять операционное обслуживание и наблюдение всех своих энергопроизводящих установок из одного центрального офиса, в г. Крэфилде. Каждая модульная установка, включающая в себя систему очистки газа, газовый двигатель и трансформер, оснащена специальным оборудованием, подающим сигнал через спутник. Этот сигнал поступает в операционный центр в, где профессиональные инженеры ведут наблюдение за работой модулей 24 часа в сутки. Технология позволяет инженерам дистанционно изменять параметры системы и вмешиваться в работу двигателей, что практически избавляет от необходимости привлечения специалистов на местах.
Подобным образом компания G. A. S.
Energietechnologie операционирует все свои проекты, суммарной мощностью более 400 МВт. Из них на шахтный газ приходится около 110 МВт, или 23 различных проекта, которые расположены в странах Западной Европы — Германии, Франции, Испании, Чехии и т. д. В настоящий момент компания расширяет свою деятельность в странах Восточной Европы и Латинской Америки.
УТИЛИЗАЦИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ГАЗА Выбросы метана через систему вентиляции в шахтах составляют наибольшую пропорцию от общего выброса метана в процессе добычи угля. Ежегодно в мире выбрасывается в атмосферу около 1,5 млрд куб. м метана, что является эквивалентом 200 млн т СО2.
В силу низкой концентрации метана в вентиляционном потоке (как правило, ниже 1 % СН 4) полезное использование вентиляционного газа является затруднительным. Одним из применений вентиляционного газа может быть его использование вместо воздуха в двигателях внутреннего сгорания. На практике, однако, это может оказаться невозможным из-за примесей и влажности вентиляционного газа.
На сегодняшний день наиболее перспективной технологией, позволяющей использование вентиляционного газа, является окисление — термальное или каталитическое. Подобное оборудование — окислитель в течение долгого времени использовался в печатной промышленности для очистки промышленных выбросов. Основное достоинство технологии — возможность работы с большими объемами газа и низкой концентрацией органических примесей. В процессе нагревания газа до необходимой температуры окисления (около 1 00о С) газ разлагается на СО2 и воду с производством тепла. Это тепло может быть использовано для местных нужд, сушки угля или в паровой турбине для производства электроэнергии.
Технически данная технология может применяться для вентиляционного газа концентрацией от 0,3 % СН4. Однако экономически использование технологии нецелесообразно при концентрации метана ниже 0,7 % СН4.
ПРОЕКТ «WESTVAMP» В АВСТРАЛИИ Компания BHP Billiton и шведская компания MegTec Systems при поддержке правительства Австралии объявили о завершении строительства первого коммерческого проекта с использованием процесса производства электроэнергии из вентиляционного газа. Проект расположен на действующей угольной шахте Вест Клиф в штате Нью Сауф Уэйлс и по плану должен начать работу в конце 2006 г.
В проекте используется уникальная технология компании MegTec Systems, принцип работы которой основан на процессе термального окисления вентиляционного потока в двухфазном термальном реакторе (см. рисунок).
В процессе нагрева вентиляционного потока до температуры самовозгорания (за счет примеси метана) происходит обмен термальной энергией между воздушным потоком и элементами системы, которые используют это тепло в паровой турбине для производства электричества.
Помимо производства электричества, станция мощностью 6 МВт позволяет избегать выброса 200 тыс. т двуокиси углерода в год, что является эквивалентом годового выхлопа 45 тыс. автомобилей.
РОЛЬ ГОСУДАРСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ После ратифицирования Киотского Протокола в феврале 2005 г., наметился значительный сдвиг в утилизации шахтного метана.
В основе Киотского Протокола — идея контроля за выбросами вредных газов, в число которых входит метан. Эти выбросы измеряются в тоннах углекислого газа. По своему воздействию на окружающую среду метан является более опасным газом и поэтому 1 т сокращенных выбросов метана приравнивается к 21 т углеродного газа.
Компании, которые применяют технологию, позволяющую избегать вредных выбросов, получают углеродные квоты. Эти квоты могут быть проданы на специальной европейской бирже тем компаниям, которые превышают дозволенные выбросы.
Благодаря «механизмам гибкости», прописанным в Киотском Протоколе, углеродные квоты, произведенные в одной стране и зарегистрированные специальными международными органами, могут быть куплены и использованы в другой стране.
Таким образом, проекты по утилизации метана, расположенные в странах, вступивших в Киотское Соглашение, получили еще один источник дохода — от продажи углеродных квот. Для большинства проектов это явилось решающим фактором, так как прежде подобные проекты не окупались на одних только продажах электричества и тепла. По недавней оценке Американского Агентства по Охране Окружающей Среды, во всем мире из шахтного метана могло бы вырабатываться около 5 600 МВт/ч электроэнергии. Однако необходимо заметить, что коммерческая целесообразность развития этих проектов (или скорее всего только их небольшой части) зависит от цены на углеродные квоты.
В настоящий момент несколько крупных и средних проектов по утилизации шахтного метана находятся в стадии развития или уже начали работу. Из них пять проектов подали заявки на регистрацию в комиссию по Киотскому Протоколу, разрешение которой необходимо для получения углеродных квот.
Помимо Киотского Протокола государственное законодательство страны играет важную роль в развитии утилизации метана на угольных шахтах. С помощью цен на электроэнергию, субсидий или, наоборот, штрафов государство имеет возможность поощрять развитие проектов по утилизации шахтного газа. В большинстве стран основным препятствием к осуществлению утилизации метана являются низкие цены на энергоносители, поэтому с помощью специальных цен на экологически чистую электроэнергию государство может сделать проекты коммерчески привлекательными. Например, когда правительство Германии в 2000 г. приняло закон, повышающий цену на экологически чистую энергию в два раза, это послужило толчком к развитию дополнительных энергетических проектов на угольных шахтах общей мощностью более чем 200 МВт.
В некоторых странах, например в Соединенных Штатах, государство предлагает налоговые льготы компаниям, которые утилизируют шахтный газ.
В России стимулом для утилизации метана служит государственный налог, или «Плата за вредные выбросы», которая за последний год была сильно увеличена и в настоящий момент является ощутимой статьей расходов для угольной промышленности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В связи с принятием нового законодательства, регулирующего выбросы парниковых газов, во многих странах мира наблюдается значительный рост интереса к утилизации шахтного метана как одного из самых низкозатратных способов снижения вредных выбросов.
Растущие цены на природный газ и энергоносители также повышают экономическую привлекательность подобных проектов.
Среди различных вариантов использования шахтного метана производство электроэнергии позволяет добиваться максимальной финансовой отдачи, в то же время обеспечивая шахту и близлежащие населенные пункты надежным источником электричества и тепла.