Научно-обоснованные предложения по разработке и методам внедрения инновационных технологий утилизации выбросов, содержащих метан (стр. 16 )

Каталитическое дожигание метана в газотурбинных установках для получения электроэнергии. Разрабатываемые технологии утилизации шахтного метана в газовых турбинах, работающих на обедненной газовой смеси, позволяют использовать в качестве основного топлива или его части метановоздушную смесь с содержанием CH4 менее 3%. Газотурбинные технологии делятся на 2 основных типа. Первый тип - газовые турбины с каталитической камерой сгорания. Другой технологией является применение в турбинах рекуператора, позволяющего нагреть сжатый воздух выхлопами перед его подачей в камеру сгорания. Основной целью разработчиков газотурбинных установок является обеспечение работы утилизационных систем на топливе с меньшей концентрацией. Это позволит в дальнейшем увеличить долю ВМ в сжигаемой смеси, либо обеспечить его самостоятельное сжигание.

Газовая турбина (ГТ) под названием VAMCAT, разработанная Австралийским государственным объединением научных и прикладных исследований (CSIRO), способна осуществлять сжигание обедненной топливной смеси в каталитической камере сгорания. Концентрация сжигаемого метана должна составлять ≈1%. Для достижения требуемой концентрации необходимо совместно использовать ВМС и метан из другого источника на горнодобывающем предприятии, например, дренированный ШМ. CSIRO были изготовлены и успешно протестированы установки на основе газовых турбин с использованием МВС [53, 54].

Компания FlexEnergy (США) разработала микротурбины, работающие на обедненной топливной смеси [53-55]. Компания активно сотрудничает с другими производителями ГТ, в частности с корпорацией Capstone Turbine. Предлагаемая FlexEnergy технология утилизации газовой смеси: топливо образует с воздухом смесь с теплотворной способностью 15 ккал/м3, которая, сжимаясь, проходит через рекуператор, а затем окисляется в каталитической камере сгорания «Flexidizer». Поступление получившихся продуктов сгорания в турбину обеспечивает выработку электроэнергии (рисунок 4.8).

Особенность предлагаемой системы заключается в отсутствии необходимости установки топливного компрессора и системы кондиционирования топлива. Газовая смесь разбавляется воздухом или метаном до 15 ккал/м3 (что соответствует 1,5% метана) независимо от ее исходной теплотворной способности.

Рисунок 4.8 – Схема электростанции FlexEnergy [56]

Экспериментальные установки FlexEnergy были успешно опробованы в работе с попутным нефтяным газом с концентрацией метана от 1,5 до 4,2% и летучими органическими соединениями. Корпорация Kawasaki Heavy Industries (KHI - Япония) занимается разработкой более мощных газовых турбин на обедненной топливной смеси [56]. Заявленная мощность разрабатываемой пилотной установки – 850 кВт. Установка способна работать с использованием вентиляционного воздуха с концентрацией метана менее 2%.

В рамках работ по осуществлению сжигания газовых смесей с низкой концентрацией метана Институт катализа им. СО РАН и Центральный институт авиационного моторостроения им. (ЦИАМ) занимались совместной разработкой катализаторов и каталитических камер сгорания [57].

Особенностью совместной работы является применение газовой турбины регенеративного цикла и низкотемпературной турбины с гранулированным катализатором в камере сгорания. В ходе исследования оценены возможности применения различных катализаторов и рассмотрено одновременное применение нескольких различных катализаторов в камере сгорания, что позволяет рационализировать процесс сгорания метана. По результатам работ установлено, что целесообразно инициировать процесс горения дорогостоящими катализаторами, после чего можно использовать более дешевые катализаторы, активные только при высоких температурах.

Технологии повышения концентрации вентиляционного метана. Повышение концентрации метана в газовых смесях возможно осуществить за счет использования концентраторов летучих органических соединений [58]. Концентраторы ЛОС теоретически позволяют повысить содержание CH4 в смеси до 20%, что обеспечивает возможность более эффективного использования МВС в высокотемпературном или каталитическом реверс-процессах и в качестве топлива для газовых турбин, поршневых двигателей.

Компания Environmental C&C, Inc. (CliftonPark, NewYork) разрабатывает концентраторы, рассчитанные на подачу смеси с содержанием метана ≈ 0,5%. Технически концентратор представляет собой серию перфорированных пластин или поддонов, которые заполнены абсорбентом. Поступающий снизу газ поднимается через абсорбирующую среду, которая постепенно вбирает органический материал, становясь тяжелее, и в результате перемещается вниз абсорбирующей секции, попадая после этого в десорбер. Далее происходит повышение температуры среды в десорбере и освобождение концентрированного органического материла в малый объем инертного газа. После чего регенерационная среда возвращается для повторного использования в абсорбирующую секцию. Данная методика прошла серию испытаний с использованием различных адсорбирующих сред [59].

Прототип концентратора с производительностью 400 м3/ч МВС разрабатывается компанией CSIRO [59]. Технически концентратор представляет собой адсорбер, десорбер, резервуар для удержания адсорбирующей среды с метаном и системы транспортировки для адсорбирующей среды. В данной технологии адсорбер – это совокупность многоступенчатого псевдосжиженного и подвижного слоя (последовательности псевдосжиженных слоев адсорбирующей среды). Сам процесс повышения концентрации газовой смеси в целом сходен с технологией компании Environmental C&C.

Другие методы утилизации шахтного метана.

Еще одной возможностью утилизации является применение вентиляционного метана в системах сушки угля. Технология утилизации ВМ реализована компаниями CSIRO (Австралия) и Liquatech Turbine Company Pty. Схема функционирования разработанной установки состоит из гибридной вращающейся печи, которая сжигает отходы углеобогащения с использованием вентиляционного либо дренированного метана [44]. Получаемое тепло проходит через воздушный теплообменник, вращающий турбину, которая вырабатывает электричество. Экспериментальная установка, построенная в 2002 г. способна вырабатывать 1,2 МВт энергии. В дальнейшем права на технологию приобрела компания EESTech, Inc [60].

Использование шахтного метана в установках для опреснения воды. Опреснение воды осуществляется в результате комбинированного процесса выпаривания и обратного осмоса. Существует действующий проект опреснительной установки, осуществленный компанией Aquetech [61].

Применение шахтного метана в химической и металлургической промышленности. Извлекаемая метановоздушная смесь перерабатывается в производные для полезных химических продуктов. Предлагаемые в настоящее время технологии являются дорогостоящими и недостаточно эффективными.

4.6  Утилизация метаносодержащих газов, связанных с отходами жизнедеятельности человека и в сельском хозяйстве

В настоящее время проблема энергосбережения при снижении загрязнения окружающей среды заставляет не только искать пути более рационального использования традиционных энергоресурсов, но и находить другие, желательно возобновляемые и недорогие источники энергии.

С ростом потребления энергии напрямую связано успешное развитие экономики любой страны. Однако запасы ископаемого топлива, во-первых, не безграничны, а во-вторых, их сжигание приводит к загрязнению окружающей среды и к парниковому эффекту на нашей планете.

В России 3/4 роста выбросов парниковых газов приходится на выбросы СО2 на транспорте, второе место занимает рост выбросов СН4 в нефтегазовом секторе (~1/4 роста выбросов). Остальные источники фактически стабильны, причем это относится и к самому главному источнику – выбросам СО2 при производстве электроэнергии и тепла [62].

Средняя калорийность свалочного газа как горючего составляет примерно 5500 ккал/м3 [63-64]. В определенных концентрациях он токсичен. В процессе его утилизации путем сжигания одновременно происходит разрушение содержащихся в нем токсичных компонентов, и тем самым обеспечиваются безопасные для окружающей среды выбросы. Объем свалочного газа, имеющегося в теле твердых бытовых отходов, зависит от структуры и состава мусорной свалки.

Согласно данным Росприроднадзора, озвученным 27 ноября 2013 г. на Всероссийском селекторном совещании «По проблемным вопросам в области обращения с отходами производства и потребления, а также о ходе реализации мер по выявлению и ликвидации мест несанкционированного размещения твердых бытовых отходов на территории субъектов Российской Федерации», ежегодно в России образуется более 60 млн. т твердых бытовых отходов, в том числе отходы от жизнедеятельности населения составляют порядка 50 млн. т, а отходы от предприятий — 10 млн. т. Ежегодно количество ТБО увеличивается на 3–4 %. Практически весь указанный объем ТБО в дальнейшем размещается на полигонах и свалках, только 4–5% вовлекаются в переработку [65].

Полигоны ТБО являются третьим по величине антропогенным источником метана на планете, выделяя около 11% общемирового количества метановых выбросов (799 млн. т CO2E в 2010 г.) [66].

В последние годы интерес бизнеса, науки и общественности к экологичным способам утилизации отходов возрос, равно как и интерес к альтернативным источникам энергии, обусловленный ростом цен на традиционные. Получение биогаза на биогазовых установках делает возможным переработку органических отходов от птицефабрик, свиноферм, ферм, специализирующихся на крупнорогатом скоте и других предприятий, в ходе работы которых выбрасывается большое количество органических отходов.

В крупных хозяйствах ежедневно образуется большое количество отходов – бытовой мусор, трава после прополки, навоз животных, сухая листва и ботва, испорченные фрукты и овощи, и многое другое. Особенно актуальна проблема, связанная с утилизацией отходов в больших животноводческих комплексах, где образуется огромное количество жидкого навоза. Его транспортировка на поля в качестве удобрения слишком дорогостоящая.

Принято считать, что изготавливается биогаз из навоза, хотя на практике видов сырья, пригодного для выработки биогаза, намного больше. Это может быть жидкий и плотный навоз от крупного рогатого скота, свиней, домашних птиц – это важные основные составляющие для работы биогазовых установок в сельской местности. Сегодня к ним примешиваются и другие органические составляющие - остатки производств предприятий пищевой промышленности или биоотходы, специально выращенные энергетические растения, например, зерно, травы, кукуруза, подсолнечник, с помощью которых повышают содержание биогаза. С успехом можно применить силос, свеклу и т. д. Вместе с перечисленным применяются и несельскохозяйственные субстраты (выжимки, барда, жиросодержащие обрезки); остатки овощей, фруктов от больших рынков; пищевые и кормовые остатки. Материалы для дезинфекции, гигиены, остатки медикаментов, не должны попадать в биогазовые установки, так как они мешают процессу газообразования. Высокая концентрация аммиака, также сдерживает производство метана. По этой причине птичий помет, также как и навоз свиней используют вместе с коферментами для разбавления.