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.