ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ
Библиотека

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ПУТЕМ ПЕРЕРАБОТКИ КАПТИРОВАННОГО ШАХТНОГО МЕТАНА

Чернякова А.И., Ермакова В.Ю.
Донецкий национальный технический университет

Метан является одним из основных видов парниковых газов, который за столетний период способен удерживать тепло в атмосфере в двадцать один раз больше, чем углекислый газ. В течение последних двух столетий концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась более чем вдвое. В основном это произошло в результате добычи угля.

При подземном способе разработки влияние на экологию геосистемы угольных регионов оказывают выбросы метана в атмосферу в процессе дегазации шахт. Общее количество метана, выбрасываемого в атмосферу угольными предприятиями, сравнимо с добычей газодобывающей промышленности. В связи с этим попутная добыча метана становится приоритетной задачей.

Если в шахте выделение метана составляет 10 м3 на 1 т угля, то при добыче 2000 т/сут из забоя поступит 20 тыс. м3 метана. Согласно Правилам безопасности в забое концентрация метана не должна превышать 1%. В таком случае надо подавать 2800 м3/мин свежего воздуха. Для полноценной работы передовых бригад потребуется 8 — 10 тыс. м3/мин свежего воздуха. Таким образом, назревает задача коренного пересмотра существующих технологий добычи угля. Очевидно, что в основе будущих технологий прежде всего должна быть значительная утилизация метана на стадии подготовки месторождения к разработке.

Например, осуществление программы дегазации шахты им. Засядько в полном объеме позволит перерабатывать 250 млн м3 метана в год. Доход от торговли квотами может достигнуть 60 млн евро ежегодно, что составляет примерно половину общей стоимости проекта дегазации шахты. В мире интерес к добыче метана появился в начале 80-х годов прошлого столетия. Лидер в этой области — США, кроме того, его извлечением метана занимаются также в Австралии, Китае, Канаде, Польше и Великобритании. Для этих стран метан угольных месторождений давно уже стал альтернативным энергоресурсом.

Применение метана как альтернативного вида топлива для автомобилей в пять-десять раз уменьшает выбросы углеводородных соединений, а также позволяет полностью исключить попадание в атмосферу вредных для здоровья сажи и свинца. Применение метана экономически выгодно и экологически целесообразно. Сейчас в мире уже много автомобилей, использующих шахтный метан как аналог дизелю и бензину. На шахте им. Засядько на собственном шахтном метане работает весь автопарк предприятия.

Каптируемый в угольных шахтах рудничный газ, т.е. газ, извлекаемый из шахты, используется в основном в качестве бытового, промышленного топлива и химического сырья.

Извлекаемый в шахтах газ (смесь метана. воздуха, иногда углекислого газа и азота в виде примесей) по своим свойствам отличается от бытовых или природных газов и поэтому не может быть использован (кроме топок паровых котлов) без предварительной обработки.

Теплотворная способность каптированного рудничного газа составляет 6500 ккал/м3, что ниже теплотворности чистого метана, которая достигает 8900 ккал/м3.

Для использования извлечённого рудничного газа для бытовых нужд необходимо подвергнуть его крекингу, т.е. снизить калорийность, а химический состав приблизить к составу коксового газа. Только при выполнении этого условия возможно сжигание газа в обычных горелках без дополнительной подачи воздуха.

При крекинге рудничного газа возможны две реакции.

С использованием воздуха (экзотермическая):

CH4 + 1/2(O2 + 4N2) = CO + 2H2 + 2N2 + 275 ккал/м3.

При смешении одного объёма метана и трёх объёмов воздуха окислительная реакция протекает самостоятельно за счет выделения тепла. но с предварительным подогревом катализатора до 650 оС. Однако при наличии в рудничном газе большого количества воздуха эта реакция мало эффективна из-за своей продолжительности. Получаемый газ имеет малую скорость горения и большое содержание инертных газов ( в основном азота).

С использованием водяного пара (реакция эндотермическая):

CH4 + Н2O = CO + 3H2 – 2209 ккал/м3

CH4 + 2Н2O = CO2 + 4H2

При реакции с паром часть метана превращается в окись углерода и водород. Полученный преобразованный газ близок по составу к коксовому газу. Пред подачей к потребителю к нему добавляют рудничный газ.

Переработка извлекаемого рудничного газа путём крекинга с успехом применяется в Англии, Бельгии и других странах.

На наш взгляд, сжигание каптируемого рудничного газа в топках паровых котлов является наиболее простым и доступным способом утилизации, не требующим сложного оборудования.

Газовые горелки могут быть установлены в топках водотрубных и жаротрубных котлов, причём в первом случае эффект получается гораздо больший. Установка горелок в большинстве случаев возможна без значительной переделки топок. Газовые горелки, как правило, устанавливают в топках таким образом, чтобы при недостатке газа возможно было совместное сжигание газа и твёрдого топлива (например, угольной пыли).

В результате проведения расчётов было установлено, что диаметр сопла горелки должен быть не более 1,8 мм. Указанный диаметр называется критическим отверстием. При диаметре сопла горелки менее критического отверстия пламя в газопровод не попадает. При сжигании газа может возникнуть опасность воспламенения. Для того, чтобы избежать проблем в данном случае в результате наших исследований была усовершенствована инжекционная факельная горелка для сжигания смесей. Данный вид горелки позволит улучшить интенсивность смешения газов для образования малоинертного непрерывного дутья, что в свою очередь позволит уменьшить количество вредных веществ в уходящих газах.


Збірка доповідей VI Міжнародної наукової конференції аспірантів і студентів
"Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів".-
Том 1.Донецьк: ДонНТУ, 2007.


ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ | Библиотека