Технология использования сжатых газов (стр. 18 )

Главным процессом является фильтрация – здесь высвобождается наибольшее количество метана – это так называемый «быстрый» метан. Напротив, сохранившийся метан в твёрдом растворе блоков будет ещё очень долго выходить из пласта. Это «медленный» метан.

Основными параметрами, влияющие на характер истечения метана из угля, являются: коэффициент фильтрации, коэффициент диффузии, мощность угольного пласта. В среднем при добыче 1 т угля выделяется 13 м3 чистого метана.

6.2 Технология добычи шахтного метана

Мировые запасы метана угольных пластов превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн кубометров. На долю Украины приходится примерно 12 – 25 трлн. кубометров. Из них около трех-четырех триллионов кубометров составляют промышленные запасы — это почти в пятьдесят раз выше нынешнего ежегодного потребления природного газа в стране. Есть все технологические возможности уже в ближайшем будущем довести годовую добычу шахтного метана до трех миллиардов кубометров в год. Только в США ежегодно добывается сорок миллиардов кубометров шахтного метана. В основном районе добычи – угольном бассейне Сан-Хуан – пробурено свыше семнадцати тысяч геологоразведывательных и около семи тысяч эксплуатационных скважин. Из-за различий в метаноносности отдельных участков 10% этих скважин дают 60% добычи метана. Проекты по извлечению метана также активно внедряются в Австралии, Китае, Канаде, Польше, Великобритании, Германии. Крупнейший из украинских проектов стоимостью 150 млн долларов был реализован в 2003–2005 годах на шахте им. , где введена в эксплуатацию первая очередь когенерационной электростанции, мощность электрической и тепловой энергии которой составила 36 МВт и 35 МВт соответственно. После запуска второй очереди общая проектная мощность электростанции превысит 131 МВт, что сделает ее самой большой в мире станцией, работающей на шахтном метане. Сейчас шахта полностью обеспечивает себя электричеством и теплом, на метане работает и автотранспорт, а ежегодное количество выбросов парниковых газов снизилось на 2,5 млн тонн углекислого газа. Это позволило шахте продать австрийцам и японцам квоты на выбросы парникового газа на 2,5 млн евро.

Технология добычи шахтного метана сложный процесс, требующий сооружения подземных систем коммуникаций, надземных технических устройств. Сложность добычи шахтного

метана из действующих и закрытых шахт Украины связана с различной газоносностью угольных пластов и околоугольных пород, устаревшими системами дегазации или их отсутствием. Система дегазации шахт в Украине значительно отличается от европейской. У нас ее проектировали на выброс полученного метана за пределы горной выработки, не учитывая перспектив использования этого газа в качестве топлива. Поэтому его большая часть уходит через системы вентиляции, смешиваясь с воздухом. В системе дегазации до сих пор используются ржавеющие металлические трубы, а также вакуум-насосные станции с водокольцевыми насосами, что приводит к попаданию в извлекаемый газ значительного количества воды. Из-за плохой герметичности в метан также проникают воздух, а ввиду отсутствия подземной системы фильтрации — угольная пыль. В итоге на выходе получают метан, вернее метановую смесь, которую сложно использовать для выработки электричества. Газ нужно дополнительно обогащать, очищать, поскольку любое оборудование долго на таком газе работать не сможет. В Европе применяются пластиковые трубы, вакуум-насосные станции на основе винтовых машин, эффективные системы очистки метана от пыли.

В зависимости от применяемых методов откачки концентрация метана в газовоздушной смеси колеблется в широких пределах.

Традиционно для удаления метана из атмосферы действующих подземных выработок они вентилируются большим объемом чистого воздуха, что позволяет поддерживать безопасную концентрацию метана (до 2% в подземной выработке и до 0,75% в стволе шахты).

Помимо этого применяются методы дегазации угольных пластов до начала их разработки, путем бурения вертикальных скважин с поверхности, а также горизонтальных и наклонных подземных скважин (рис. 6.1). Через вертикальные скважины с поверхности самопроизвольно высвобождается практически чистый метан (CH4>90%), т. к. в пласте он находится под высоким давлением.

Через горизонтальные и наклонные подземные скважины, а также через специальные «газовые горизонты» метан откачивается вакуум-насосными станциями, которые находятся на поверхности. В этом случае на выходе водокольцевых насосов концентрация метана более низкая и составляет 15-55%, в основном из-за подсоса воздуха от действующих выработок. Помимо этого метановоздушная смесь, как правило, очень запылена и имеет практически 100% влажность. На выходе водокольцевых насосов может присутствовать и капельная влага. После окончания горных работ, концентрация метана повышается и стабилизируется.

Шахтный газ из вертикальных дегазационных скважин по своему химическому составу аналогичен природному газу. После несложной системы газоподготовки (стабилизация давления, приведение в допустимый диапазон температуры, влажности и очистка от пыли) он может сжигаться в газопоршневых двигателях как и природный газ.

Рисунок 6.1 – Схема добычи шахтного метана:

1 – дегазационныя скважина; 2 – защитный колпак;
3 – насосная; 4 – вентиляционные стволы; 5 – угольные пласты; 6 – блок очистки

Шахтный газ, который содержится в потоке вентиляционного воздуха с очень низкой концентрацией (из соображений безопасности, концентрация метана не должна превышать 0,75%), непосредственно сжигаться в газопоршневых двигателях не может. Тем не менее он также может быть полезно утилизирован, если будет подаваться в газопоршневой двигатель вместо воздуха, который необходим для сжигания основного топлива. При содержании в вентиляционном воздухе 0,5% метана можно экономить до 9,5% природного газа, если использовать эту смесь вместо воздуха.

Такая технология использования шахтного метана наиболее проста в реализации, однако энергетически не очень эффективна, да и далеко не безупречна с точки зрения экологии. Гораздо более высокими показателями обладают современные мощные когенерационные установки для выработки тепла и электроэнергии с использованием шахтного метана в качестве топлива.

6.3 Технологии утилизации шахтного метана

В настоящее время технологии утилизации метана развиваются по следующим основным направлениям:

- сжигательные установки;

- выработка тепла (котельные);

- когенерационные энергокомплексы.

Применение той или иной технологии определяется происхождением шахтного метана, его концентрацией
(табл. 6.1), а также дебетом (выходом метана).

Таблица 6.1

Происхождение метана	Концентра-ция CH4, %	Примечания
Метан из системы вентиляции действующей шахты	0,1-0,75%	концентрация метана очень низкая и нестабильная
Из вертикальных дегазационных скважин поверхностного бурения	более 85%	концентрация стабильная, влажность низкая
Из подземных горизонтальных и наклонных дегазационных скважин действующих шахт, а также через специальные «газовые» горизонты	15-60%	концентрация метана и давление газа не стабильные, высокая влажность (100%) из-за применения водокольцевых насосов. Возможны очень быстрые флуктуации концентрации метана из-за выбросов метана из полостей с высоким давлением; высокое содержание кислорода и пыли. Есть опасность достижения диапазона взрывоопасной концентрации (5-15% CH4 в смеси с воздухом).
Из подземных горизонтальных и наклонных дегазационных скважин закрытых шахт	более 85%	стабильная концентрация метана и давление

6.3.1 Сжигательные установки

Подъём шахтного метана на поверхность осуществляется с помощью вакуум-насосов (рис. 6.2). Содержание метана должно быть не менее 25%.

Рисунок 6.2 – Установка контейнерная утилизационная УКГ-1:

1 – блок компрессорный; 2 – камера сгорания; 3 – блок распределительного устройства; 4 – выхлопная шахта

Шахтный метан направляется в газоутилизационную установку, для утилизации его посредством сжигания в специальной камере при 1000-1200°С с целью предотвращения выделения метана в атмосферу.

В состав установки входят блок компрессорный и помещение для камеры сгорания. Используются ротационные низконапорные компрессоры.

Сжигательная установка применяется как самостоятельно, так и в составе с теплоэлектростанцией. В этом случае установка используется для откачки газа из скважины, его очистку и подготовку к дальнейшему использованию.

6.3.2 Выработка тепла

Очевидно, что тепло, получаемое при сжигании метана, можно использовать в пределах инфраструктуры предприятия, например, для обеспечения горячей водой, душевых, бытовых помещений и др. Принципиальная схема сжигания метана в котельной приведена на рис. 6.3.

Рисунок 6.3 – Принципиальная схема котельной:

1 – котел; 2 – горелка; 3 – воздуходувка; 4 – пламегаситель;
5 – каплеулавливатель; 6 – вакуум-насос; 7 – дымосос

6.3.3 Блочные теплоэлектростанции

В состав теплоэлектростанции входит дизель-генератор, адаптированный для работы на газообразном топливе. Эффективнее использовать специальные газопоршневые двигатели, воздушное дутье для которого обеспечивается метановой смесью. Установка вырабатывает электроэнергию, а также тепловую энергию как побочный продукт. Тепловая энергия получается за счёт горячей воды системы охлаждения дизель-генератора и может быть полезно использована для собственных нужд. Коэффициент полезного действия такой тепловой электростанции составляет 40-43% по выработке электроэнергии.

6.3.4 Когенерационные энергокомплексы

Повышение эффективности использования шахтного метана целесообразно путём создания шахтных энергокомплексов, использующих когенерационные технологии, представляющие собой ту или иную комбинацию паровых или водогрейных котлов с паротурбинными, газотурбинными или газопоршневыми установками, обеспечивающими совместную выработку тепловой и электрической энергии с высоким к. п.д. за счёт более полного использования потенциала рабочего тела.