Научно-обоснованные предложения по разработке и методам внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан (стр. 15 )

Использование ВМ в качестве вспомогательного топлива. Вентиляционный метан возможно использовать в энергоустановках, подводя его вместо воздуха в процессе горения, либо добавлять в совокупности с воздухом. Допустимо обеспечить повышение энергоемкости сжигаемого газа путем добавления ВМ. Учитывая малые концентрации метана, необходимо использование больших объемов вентиляционной смеси. Транспортировка таких объемов нерациональна, поэтому энергоустановку следует размещать возле источника вентиляционного метана. Во многом из-за сложности доставки ВМ утилизация его в качестве вспомогательного топлива используется недостаточно широко. Существуют следующие возможности использования вентиляционного метана в качестве вспомогательного топлива:

Использование вентиляционного метана в двигателях внутреннего сгорания. Применение ВМ в качестве дополнительного топлива для сжигания в двигателях внутреннего сгорания было впервые осуществлено в 1996 г. на руднике г. Эппин. В 54 двигателя, работавших на МВС среднего качества, добавлялся вентиляционный метан [43]. Учитывая возможности современного оборудования на основе двигателей внутреннего сгорания, сжигающих шахтный метан и объем требуемого для их работы воздуха, количество сжигаемого ВМ может достигать до 10% от всей топливной смеси.

Использование вентиляционного метана в газовых турбинах, работающих на шахтном метане. Возможность сжигания в турбине топлива совместно с подаваемым с воздухом ВМ была практически продемонстрирована еще в 1990 г. Демонстрация с использванием синтезированного вентиляционного метана показала снижение объемов сжигаемого основного топлива [44]. Объем воздуха, необходимый для работы турбины в 3-4 раза выше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Таким образом, в качестве дополнительного топлива в турбине, работающей на шахтном метане, может сжигаться ВМ в количестве 30-40% от общего объема сгоревшей газовой смеси.

Использование вентиляционного метана в качестве дополнительного топлива в энергетических установках. ВМ может быть использован в любых установках в качестве вспомогательного топлива. В этом случае целесообразность его применения будет обуславливаться удаленностью источника вентиляционной смеси от установки. Транспортировка ВМ на расстояние свыше 2 км – нерациональна.

Использование вентиляционного метана в электростанциях, работающих на угле. Технология осуществима, если электростанция на угле размещена на территории шахты, т. е. рядом с ней располагается источник вентиляционного метана. Преимущество данного способа – отсутствие необходимости в установке специального оборудования сжигания вентиляционного метана.

В экспериментальном режиме такая технология функционирует в Новом южном Уэльсе (Австралия) на электростанции Vales Point Power Plant. Возможность реализации технологии обеспечивается тем, что станция расположена около источника топлива. Суммарная мощность блоков электростанции оценивается в 2 195 МВт [45].

Получение тепловой энергии с использованием технологии окисления метана.

Установки регенеративного термоокисления – это способ самостоятельной утилизации шахтного метана. Регенеративные термоокислители (РТО), которые способны сжигать ВМ можно разделить на несколько видов: тепловой реверс-поточный реактор (ТРПР), каталитический реверс-поточный реактор (КРПР), каталитический керамический реактор (ККР) [58] и регенеративная печь дожигания (РПД) [46].

Принцип действия теплового реверс-поточного реактора отличается наличием котла, нагревающего своим теплом поступающую вентиляционную смесь. Метан из смеси окисляется, а оставшийся воздух направляется в обратную сторону, нагревая новую порцию входящей смеси до температуры окисления метана. Температура окисления метана в ТРПР 750-1000 oC.

В каталитическом реверс-поточном реакторе используется реверсирование потока, но нагревание поступающей из вентиляционной системы газовоздушной смеси осуществляется с использованием катализирующего элемента. Применение катализаторов позволяет снизить температуру окисления метана до 350°C - 800°C, что упрощает конструкцию системы, но снижает эффективность рекуперации энергии.

Основными отличиями между различными моделями ТРПР является количество корпусов термического реактора, применяемого в установке. На сегодняшний день стандартом для проектирования большинства промышленных установок РТО является система с двухкамерным реактором. Каталитические РТО конструкционно напоминают однокамерные установки ТРПР. Главным различием моделей каталитических РТО друг от друга является тип используемых в них катализаторов.

Институтом катализа им. СО РАН разработана технология производства высокопотенциальной тепловой энергии из метаносодержащих выбросов вентиляционных газов угольных шахт, позволяющая осуществлять очистку вентиляционных газов от метана на 99,0-99,5%. Теплоагрегат функционирует на основе технологии реверс-процесса беспламенного окисления метана в неподвижном слое катализатора. Подача вентиляционных выбросов в каталитический реактор с неподвижным слоем катализатора осуществляется без предварительной обработки и подогрева (при использовании дегазационного метана МВС предварительно разбавляется в смесителе до концентрации метана 1,5–2,0%) после чего происходит полное окисление метана с выделением тепла катализатора. Чередование направлений газового потока позволяет создать в слое катализатора область с температурой 800-950 °С. После этого производится съем части тепла путем паровыделения и производства теплофикационной воды с помощью котла-утилизатора (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 – Технологическая схема каталитическоготеплоагрегата:

1- смеситель; 2 - вентилятор газоотсасывающий; 3 - переключатели газового потока;
4 - каталитический реактор, выполненный из двух корпусов; 5 - котел-утилизатор;
6 - насос конденсатный; 7 - потребители теплофикационной воды; 8 - пусковой электроподогреватель; 9 - вентилятор пусковой; 10 - блок КИП и А

Расчетное количество производимого теплоагрегатом тепла из МВС с расходом 5000 м3/ч и концентрацией метана 0,5-1,5 % достигает 0,2 Гкал/ч. Термостабильный катализатор ИКТ-12-40, применяемый в системе утилизации не содержит в качестве активных компонентов драгоценные металлы и металлы редкоземельной группы и уже производится промышленно. Кроме того, каталитический теплоагрегат экологически безопасен.

Экспериментальная установка на основе данной технологии успешно прошла испытания. Технологический цикл создания утилизационной установки полностью проработан. Теплоагрегат готов к изготовлению, использованию и дальнейшему тиражированию.

Схожая технология, основанная на использовании каталитического реверс-поточного реактора, предложена компанией Canmet (CanadianMineralandEnergyTechnologies), базирующейся в г. Варен (Канада).

Компания MEGTECSystems (DePere, Wisconsin) разработала технологию на основе теплового окисления под названием VOCSIDIZER. В данных технологии применен схожие принципы окисления метана, содержащегося в вентиляционной струе. Для этого используются реверс-поточные реакторы из керамических или силикатно-гравийных материалов, способные поддерживать окисление при концентрации метана не менее 0,1 %.

Компанией Corky’s Sustainable Energy (Ньюкасл, Новый Южный Уэльс, Австралия) разработана технология утилизации МВС (VAM), которая представляет из себя регенеративно-термический окислитель (РТО) c двумя резервуарами, в котором в качестве нагревательного элемента используется насадочный кирпич (по аналогии с батареей коксовых печей), в отличие от РТО, использующих твердые аморфные вещества [47, 48].

В 2009 г. на шахте Mandalong угольной компании Centennial была запущена первая экспериментальная установка Corky’s VAM RAB (рисунок 4.7). Объем выделяемого системой вентиляции шахты воздуха составлял более 1 000 000 м3/ч при концентрации метана ≈ 0,6%. Основное внимание при испытаниях было сосредоточено на обеспечении безопасного режима ее функционирования. Сжигание МВС выполнялось для оценки эксплуатационных особенностей в части утилизации.

Рисунок 4.7 – Схема экспериментальной установки Corky’s VAM RAB

На основании результатов испытаний различных РТО-технологий компанией Gulf Coast Environmental Systems (GCE) был разработан собственный проект модульного РТО [49]. Предложенная GCE технология позволяет осуществлять окисление опасных загрязняющих веществ и летучих органических соединений.

Необходимо заметить, что в утилизационных установках, использующих технологию теплового окисления, существует возможность производства электроэнергии. Для этого требуется дополнительно приобрести комплекс оборудования: паровую турбину, конденсатор, системы охлаждения и водоподготовки, учесть затраты на его установку. В этом случае эффективность затрат возрастает пропорционально масштабам оборудования за счет уменьшения стоимости МВт энергии. Увеличение масштабов оборудования для производства электроэнергии потребует утилизационную установку с большей производительностью тепла. При производстве электроэнергии в большинстве случаев потребуется круглосуточное присутствие оператора, тогда как при получении только тепловой энергии обычно достаточно мониторинга сигнализации и периодического визуального осмотра.

Разработки в области утилизации метановоздушной смеси с использованием технологии РТО выполняются также компаниями Shengdong, Dürr, Biothermica и др.

Установки биологического окисления являются еще одним способом утилизации вентиляционного метана. Перспективные разработки в области окисления ВМ описываются учеными Кларком и Седдоном [50]. Особенность данных технологий состоит в попытке реализации технологии окисления при температуре окружающей среды в целях повышения безопасности. Так, например, при рабочих температурах каталитических установок возможно самовозгорание, что является недопустимым вблизи источников вентиляционного метана. Технология, предлагаемая Вильямсоном и Силвер, заключается в окислении метана энзимной моно-оксигеназой до метанола [51]. Такие энзимы, в частности содержатся в воде на рисовых полях и в шахтных водах. На сегодняшний момент способ труднореализуем, так как скорость реакций очень медленная. Для обработки постоянно выделяющегося шахтного метана необходимо строить огромные резервуары. То же можно сказать и о возможности утилизации метана путем использования потребляющих его бактерий [52].