ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Поряд з викидами промислових підприємств та автотранспорту у вуглевидобувних районах Україні, в першу чергу в Донбасі, істотну частку становлять викиди шахтного метану від вентиляційних і дегазаційних систем вугільних шахт. Викиди шахтного метану невидимі і не мають запаху, тому про їхню наявність маловідоме громадськості і їм недостатньо приділяється уваги.

1. Проблеми використання шахтного метану

Частка викидів шахтного метану в Донбасі вельми значна. За наявними даними, на прикладі шахти "Суходольська-Східна", яка належить до газоносним шахтам Донбасу викиди метану в атмосферу за 2009 рік склали 26,28 млн.м3. А таких шахт у Донбасі близько сотні. В даний час при розробці газоносних вугільних пластів вентиляційними і дегазаційними системами шахт Росії витягуються від 1,2 до 1,4 млрд.м3 шахтного метану, однак лише близько 25% витягується системами дегазації, з яких тільки близько 45-50 млн.м3 утилізується, решта викидається в атмосферу, забруднюючи її стійким парниковим газом. Приблизно такий же стан з шахтного метану є  на Україні [1].

Кіотський протокол, прийнятий на додаток до Рамкової конвенції ООН про зміну клімату, зобов'язує скоротити або стабілізувати викиди парникових газів. Парниковий газ  газ, що затримує інфрачервоне випромінювання земної поверхні, що призводить до глобального потепління на планеті. До основних парникових газів відносяться: двоокис вуглецю (СО2), метан (СН4), окис азоту (N2O) та інші. Метан  другий за значимістю парниковий газ, регламентований Кіотським протоколом. Шахтний метан є сильним забруднювачем навколишнього природного середовища, одним з руйнівників озонового шару атмосфери планети і в той же час містить домішки, які погіршують його якість як палива. У зв'язку з цим необхідно створювати агрегати та матеріали, що дозволяють забезпечити необхідну якість цього цінного енергоносія для подальшого використання. Для вирішення цієї проблеми пропонується використовувати установку для утилізації шахтного газу і сорбентів у вигляді гранульованих матеріалів на основі переробки різних відходів [2].

2. Установка утилізації шахтного газу

Розглянемо установку підготовки шахтного газу,яка використовує техніку і технологію для очищення цього газу від забруднень за допомогою гранульованих матеріалів (адсорбентів).

У складі шахтного газу, крім метану, зазвичай входять в тих чи інших пропорціях діоксид вуглецю, азот, кисень, вода і незначна кількість інших домішок.

Розрізняють шахтний газ вугільних пластів, на яких розробка вугілля не ведеться, газ закритих шахт і газ працюючих вугільних шахт. Шахтний газ вугільних пластів, на яких розробка вугілля не ведеться, а проводиться дегазація вугільних пластів, відрізняється високою якістю, містить до 90% і більше метану і мінімальна кількість домішок. Технологія його переробки дуже проста. Як правило, це сепарація і фільтрація від твердих включень. Газ закритих шахт містить 50-70% метану і не є вибухонебезпечним, що полегшує його переробку з метою концентрування метану [3].

На противагу цьому газ працюючих шахт містить від 25 до 40% метану і значна кількість кисню, що з урахуванням можливих коливань складу і подальшого збагачення киснем, одночасно з метаном, пару з можливістю виникнення вибухонебезпечних умов при переробці. Присутність в цьому газі азоту в кількості 40-60% ще більше ускладнює завдання переробки, викликаючи значне збільшення питомої витрати енергії на одиницю товарного газу. У цьому сенсі технології переробки такого газу є найбільш складною. Зупинимося детальніше на технології переробки шахтного газу працюючих шахт.

Принципова схема підготовки шахтного газу працюючих шахт показана на малюнку 1.

Принципова схема блоку видалення кисню, очищення від СО2 і осушки.

Рисунок 1 - Принципова схема блоку видалення кисню, очищення від СО2 і осушки:

1 - рідинно-кільцевий вакуум-компресор; 2,6 - ресивери, 3 - рекуперативний теплообмінник, 4 - каталітичний реактор, 5 - дожимний компресор; 7-9 - адсорбери.

Шахтний газ по газозбірної мережі надходить на установку підготовки газу. Перед входом в рідинно-кільцевої вакуум-компресор газ сепарується і очищається від вугільного пилу і твердих включень у вхідних сепараторах. Після дожимання в вакуум-компресорі газ потрапляє в ресивер, який необхідний для певного запасу шахтного газу і плавності процесу підготовки. Після ресивера шахтний газ нагрівається в рекуперативному теплообміннику, який використовує тепло від каталітичного реактора. Після рекуперативного теплообмінника газ поступає в каталітичний реактор, в якому відбувається процес каталітичного окислення вуглеводнів на каталізаторі. В якості каталізатора використовується двоокис марганцю, активована азотнокислим сріблом. Процес окислення вуглеводнів метанового ряду протікає відповідно до реакцією:

Виділятимуться теплота реакції відводиться з реактора системою водяного охолодження, а виходить з реактора при температурі 300 °С газ охолоджується в рекуперативному теплообміннику і направляється в проміжний ресівер і далі дожимается в компресорі до 0,8 МПа і направляється на установку адсорбційної очистки та осушки газу [7].

Установка очистки та осушки газу побудована за схемою стремено адсорбера, заповненими вугільним адсорбентом. У кожному з адсорберів відбуваються циклічні процеси адсорбції домішок СО2 і Н2O при робочому тиску десорбції (при атмосферному тиску). Газ десорбції скидається в атмосферу, а продувний газ, що містить значну кількість метану, повертається на вхід дотискувальної компресора.Перемикання адсорберів здійснюється набором клапанів, встановлених на вході і виході адсорберів. Продуктова суміш метану та азоту, що виходить з адсорберів направляється на подальшу переробку для подальшого охолодження газу, виділення азоту та отримання товарного метану в рідкому вигляді. Для цих цілей застосовується азотний, криогенний цикл з попереднім охолодженням і турбодетандере - компресорним агрегатом. Поділ метану та азоту здійснюється методом кріогенної ректифікації [6].

Адсорбер являє собою вертикальний циліндричний апарат, в якому в якості насадки використовується адсорбент на основі активного вугілля, який поглинає з шахтного газу Н2O і СО2. Вихідний газ входить в адсорбер знизу, а очищений газ виходить з верхньої частини адсорбера [1].

3. Використнання промислових відходів як гранульованих матеріалв

Зупинимося дещо докладніше на використанні промислових відходів як гранульованих матеріалів (сорбентів). До численних відходів відносяться: відхід гідролізний промисловості - лігнін, у величезних кількостях викидається у відвали і так звані смивочние нафтові відходи, які протягом десятиліть накопичуються в ставках-відстійниках промивально-пропарювальних станцій в районах нафтопереробних заводів і залізничних станцій. Обидва види відходів - цінне вуглеводневу сировину, раціональне та екологічно грамотне використання, яких обіцяє чималі економічні вигоди. В Україну також розвідані великі запаси низькосортного солоного вугілля, для якого знайдено чимало раціональних і екологічно прийнятних шляхів використання. Одним з них є виробництво гранульованих матеріалів, що використовуються в якості сорбентів.

Відомо, що в умовах зростання забруднення навколишнього середовища, потреба в активному вугіллі у всьому світі неухильно зростає, так як вони в першу чергу використовуються як поглиначів. У той час як щорічне виробництво активного вугілля на Україну оцінюється в кілька десятків тонн, потреба в ньому тільки в промисловому Донбасі складає приблизно близько 2-5 тис. тонн / рік. Для скорочення дефіциту необхідно освоєння нових джерел сировини, а також розробка нових способів отримання активного вугілля [4].

У цьому зв'язку вуглерод відходи - досить перспективний, природне, доступне і дешеве сировину для одержання пористих вуглеводневих матеріалів (сорбентів).Крім вищевказаних відходів, придатних для виробництва пористих вуглеводневих матеріалів досить перспективне використання твердих відходів вуглезбагачувальних фабрик і коксохімічних заводів. Аналіз літературних даних з цього питання свідчать про те, що спільна термопереработка цих відходів дозволить підвищити ефективність їх утилізації і поліпшити екологічну обстановку в країні. Використання сумішей відходів може мінімізувати недоліки одного сировини і посилити гідності іншого. Поєднання різних типів вуглецевих структур, спаяних між собою сполучною, дозволить синтезувати активні вугілля з високою пористістю, сорбційними центрами різної природи і механічною міцністю.

Далі, створення полікомпонентних систем, що містять поряд з вуглецем каталітично активні метали, - це шлях отримання адсорбентів селективної дії або підкладок для ефективних каталізаторів.

В даний час ресурси лігніну в Україну становлять понад 5 млн. тонн, запаси низькосортних солоного вугілля - понад 10 млрд. т, запаси смивочного-нафтових відходів за Україну - не менше 500 тис. тонн, крім цього є досить велика кількость твердих відходів вуглезбагачувальних фабрик (ВФ), коксохімічних заводів (КХЗ), близько 25 млрд. т, які є сировинною базою для отримання активного вугілля (Рисунок 2).

Кількість промислових відходів в Україні, розмір 40,9 Кбайт, 9 кадрів, кількість повторів 5, затримка між кадрами 0,8 сек.

Рисунок 2  Кількість промислових відходів в Україні

Розширення сировинної бази для отримання активного вугілля і оптимізація умов переробки дешевих і легкодоступних на Україну низькосортного вугілля в дешеві сорбенти, а також утилізація лігніну і накопичення нафтових відходів та твердих дрібнодисперсних відходів вуглезбагачувальних фабрик, шахт і коксохімічних заводів  дуже актуальне та перспективне для України завдання .

Утилізація шахтного метану з дегазаційних свердловин забезпечить:

- Зниження загазованості гірничих виробок та як наслідок цього підвищення продуктивності вугільних шахт, та забезпечення безпечних умов праці;

- Зниження викидів метану, який відноситься до парникових газів;

- Зниження потреби України в дефіцитному і дорогому природному газі;

- Вироблення власної електричної енергії і тепла вугледобувними підприємствами.

Утилізація та використання шахтного метану вирішує не тільки екологічні проблеми, а й важлива з економічних міркувань, оскільки дозволяє використовувати істотно дешевше  газоподібне паливо для вироблення теплової (в котельні) та електричної енергії [5].

Висновок

На закінчення слід зазначити, що для зниження викидів шахтного метану, необхідно активно впроваджувати установки по його утилізації для отримання електроенергії, тепла і стисненого газу для заправки автомобілів. Впровадження таких установок дозволить поліпшити екологічну обстановку в Донбасі.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані в автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Шендрик Т.Г., Пащенко Л.В., Симонова В.В., Дроздов В.А. Донбас-2020: охорона довкілля та екологічна безпека: Науково-практична конференція / Т.Г. Шендрик и др. м. Донецьк – 21-22 листопада 2001 р.
  2. Шахтный метан в России // IEA — Международное энергетическое агентство. — Январь 2010. — 73 с.
  3. Кузьменко И.Ф., Рубцов А.И., Довбиш А.Л. Технология комплексной переработки шахтного газа с получением товарного сжиженного метана // Технические газы. — 2010. — №3. — c. 36-37.
  4. Zahradnik R. Conversion оf Соаl Міnе Methane tо LNG for Heavy Vehicle Fuel / R. Zahradnik // Western States Coal Mine Methane Workshop. — Арrіl 19. — 2005. — 30 р.
  5. Utaki Т. Development of coal mine methane concentration technology for reduction of greenhouse gas emissions / T. Utaki // Science China Technological Sciences. —January 2010. — Vol. 53. — № 1. — p. 28-32.
  6. Coal Mine Methane and LNG // EPA — Environmental Protection Agency USA / Air and Radiation 6207J. — November 2008. — 5 р.
  7. Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Сборник трудов международной научно-практической конференции. – Донецк, ДонНТУ Министерства образования и науки Украины, 2011 – с. 124–127.