Научно-обоснованные предложения по разработке и методам внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан (стр. 14 )

Если вентиляционными работами не выполняются поставленные условия, проведение дегазации обязательно. Большинство угольных шахт РФ осуществляет работы по дегазации. Выброс метановоздушной смеси в атмосферу осуществляется в безопасных интервалах концентраций метана. Шахтной вентиляцией выделяется газовая смесь с содержанием метана менее 1%, а концентрация метана на выходе из дегазационных установок – более 25%.

Положительный мировой опыт извлечения и использования шахтного метана обуславливает техническую и экономическую целесообразность развития технологий его утилизации в России. Возможности утилизации шахтного метана находятся в тесной зависимости от качества извлекаемой МВС. Качество метановоздушной смеси определяется концентрацией метана и наличием примесей.

Метановая смесь с высокими качественными характеристиками.

В результате осуществления мероприятий по заблаговременной дегазации возможно получение метановой смеси с высоким качеством. Для таких смесей помимо варианта получения тепловой и электрической энергии, существует возможность производства автомоторного топлива и поставки отбираемого газа потребителю. Метан, дегазируемый иными способами, использовать в этих целях гораздо сложнее. На угольных шахтах РФ заблаговременная дегазация широкого применения не нашла, так как физические характеристики ископаемых углей (малопроницаемые) не позволяют эффективно применять данную технологию.

Получение автомоторного топлива на основе компримированного шахтного метана. Существует возможность использования шахтного метана для заправки автотранспорта с модернизированной для использования газа топливной системой. Технология переработки схожа с существующей и используемой технологией компримирования природного газа. В процессе компримирования применяется оборудование доступное для приобретения: компрессоры, емкости/резервуары, соединительные элементы. и т. д.

В РФ компания «Газпром» осуществляет экспериментальную добычу метана из угольных пластов Талдинского угольного месторождения, совместно с опытной эксплуатацией станции газоподготовки. Применяемая автомобильная газонаполнительная компрессорная станция БИ «Метан», позволяет осуществлять до 80 заправок в сутки. Сжатый метан используют в качестве моторного топлива для заправки собственных автомобилей предприятия и обслуживания автотранспорта Талдинский угольного разреза, с использованием автоцистерн при максимальном давлении заправки в 250 атмосфер [28].

Получение автомоторного топлива на основе сжиженного шахтного метана. На сегодняшний момент в мире существует действующая технология получения автомобильного топлива путем сжижения метана. Для сжижения требуется газ определенного качества. Поэтому при добыче метана необходимо выбирать продуктивные участки горного отвода с учетом горнотехнических условий функционирования угледобывающего предприятия.

Пилотный проект завода по сжижению шахтного метана реализован в 2012 г. компанией LNG-Silesia на территории шахты «Крупински» (Польша). Завод способен производить до 16 тонн сжиженого метана в сутки, с эффективностью 80-85%. Для этого потребуется 20 тыс. м3/сут метановоздушной смеси с концентрацией CH4 > 50 %.

Принцип функционирования завода следущий: извлекаемая метановоздушная смесь подается на установку и поступает в модуль сжатия и очистки от H2S и Hg. Затем в реакторе осуществляется сжигание О2 с выделением H2O и CO2. Смесь подается в следующий модуль, в котором происходит охлаждение газа и удаление влаги. Затем МВС поступает в модуль отделения CO2 до достижения концентрации 1% и 20%. После всех процедур выполняется сжижение метана и отделение N2 до параметров: CH4 – 97% и N2 – 3%. Затем полученный сжиженный метан закачивается в емкости для его сбора и хранения. Сжиженный метан из емкостей отгружается в автоцистерны, причем отгрузка осуществляется исключительно в дневное время. В емкостях метан может оставаться не более 3 суток. В процессе сжижения метана применяется дополнительное оборудование:

-  влагоотделитель;

-  факел для дожигания оставшегося метана или сброса некондиционного метана;

-  установка для производства азота;

-  дополнительная система охлаждения;

-  пункт контроля и управления.

LNG-Silesia запланировал строительство второго завода для сжижения метана, извлекаемого из закрытой угольной шахты. В данном проекте планируется исключить из технологической цепочки модуль отделения O2, дополнительный узел охлаждения газа и двуступенчатый модуль удаления СО2, что позволит сократить затраты и обеспечить стабильность функционирования.

Метановая смесь со средними качественными характеристиками.

Метановоздушная смесь среднего качества извлекается преимущественно шахтовыми системами дегазации. Весь перечень способов использования дегазационного метана можно разделить по следующим основным категориям:

-  получение тепловой энергии для подогрева воды и воздуха на угледобывающих предприятиях, отопления помещений;

-  получение электрической энергии для обеспечения нужд угольных шахт и соседствующих с ними объектов.

Представленные способы отличаются достаточной простотой используемых схем утилизации и в целом определяются двумя направлениями: сжигание в двигателях внутреннего сгорания и сжигание в котельных.

Утилизация метановоздушной смеси в газовых двигателях для получения тепловой и электрической энергии. Положительный мировой опыт утилизации метановоздушной смеси для производства электрической и тепловой энергии весьма обширен. Утилизация шахтного метана осуществляется в ФРГ, Польше, Чехии, Украине, России, Китае. Данные технологии характеризуются высокой производительностью и уровнем развития. При их строительстве вводятся в строй новые утилизационные установки, проводятся научные исследования. Технически утилизация МВС в двигателях является процессом превращения энергии топлива при его сгорании в механическую работу с последующим направлением ее на получение тепла и/или электроэнергии. Основные различия заключаются в функциональных и конструкционных особенностях работы двигателей.

Принципы утилизации МВС в двигателе внутреннего сгорания можно описать на примере работы контейнерной теплоэлектростанции. Схема работы установки следующая: поступающая метановоздушная смесь сжигается в камере сгорания. В процессе горения смеси происходит ее расширение. Возникающая при расширении энергия передается на поршень, который вращает вал. Механическая энергия вращения преобразуется посредством генератора в электрическую. Получение тепловой энергии осуществляется посредством съема избыточного тепла. В общем виде контейнерная теплоэлектростанция состоит из следующих блоков: контейнер, двигатель, система подвода газа, система управления, система охлаждения, система отвода отработанных газов, система подачи масла, система вентиляции [29].

Принцип работы газовой турбины и двигателя внутреннего сгорания во многом схожи. В камере сгорания осуществляется совместное сжигание газового топлива и атмосферного воздуха. Получающиеся продукты сгорания охлаждаются и подаются к системе лопаток. Расширяясь в неподвижных лопатках, поток с большой скоростью подается на рабочие лопатки и вращает вал. Выработка электрической энергии осуществляется посредством использования генератора. Получение тепловой энергии возможно путем съема тепла системы при охлаждении турбины.

В мире производятся газомоторные энергетические системы мощностью от десятков кВт до десятков МВт, успешно функционирующие на шахтном метане. Различные варианты установок с двигателями, работающими на дегазационном метане, производятся компаниями: Pro2 Anlagentechnik GmbH (ФРГ), MEGTECSystems (США), CATERPILLAR (США), Jenbacher (Австрия).

Сжигание метана в котельных установках. Методы сжигания кондиционных метановоздушных смесей разработаны давно и достаточно известны. Горение метана в воздухе представляет из себя процесс окисления с выделением тепла и при полном сгорании имеет вид:

СН4+2О2= CO2+2H2O

Для сжигания 1 м3 метана необходимо 2 м3 кислорода. Это соответствует примерно 9,52 м3 воздуха. Простое сжигание кондиционных газовых смесей не предполагает специальных технических решений. Наиболее простым способом утилизации дегазационного метана является его сжигание в факельных установках. При сжигании метана в воздух выбрасывается остаток CO2 , парниковый эффект от которого в 21 раз ниже, чем от метановыделения. Недостатком способа является то, что в процессе сокращения выбросов не осуществляется генерация тепловой и электрической энергии. На сегодняшний день в мире существует множество модификаций факельных установок для различных эксплуатационных условий.

Более эффективным методом является сжигание метановоздушной смеси в котлоагрегатах шахтных котельных. Сжигание кондиционных метановых смесей осуществимо как самостоятельно, так и совместно с углем. Для утилизации некондиционных смесей, подаваемых системами вентиляции выполняется их разбавление до концентрации метана 2,5%, после чего получившаяся обедненная смесь применяется в качестве дутья в котлоагрегате.

Возможно довести некондиционные смеси до кондиционных посредством использования природного газа по методу, предлагаемому Донецким национальным техническим университетом и ПКБ треста «Донецкуглеавтоматика». После этого полученная обогащенная смесь сжигается в котельной. Основным недостатком данной технологии является необходимость наличия газопровода, подводящего природный газ к котельной. Метод внедрен на шахте им. М. Горького объединения «Донецкуголь».

Метановая смесь с низкими качественными характеристиками.

Метановоздушная смесь самого низкого качества извлекается системой вентиляции угольных шахт. В потоке вентиляционного воздуха концентрация метана мала, что не позволяет осуществлять его окисление обычными методами сжигания без разбавления, а воспламенение метана происходит при температурах более 1000 °С. Существуют различные технологии утилизации вентиляционного метана: тепловое окисление, каталитическое дожигание метана в газотурбинных установках, подача вентиляционного метана в составе топливной смеси в котлы и двигатели внутреннего сгорания. В большинстве этих технологий ВМ применяется в качестве вспомогательного топлива. Технологии, подразумевающие получение выгоды от самостоятельной утилизации ВМ, характеризуются повышенными капитальными затратами. Для применения вентиляционного метана в качестве основного топлива необходима стабильная и более высокая концентраци CH4, чем при использовании ее совместно с газовой смесью из систем дегазации.