|
|
Алексеева Инесса АнатольевнаФакультет экологии и химических технологийКафедра природоохранной деятельностиСпециальность: Экология горных технологийТема выпускной работы: Совершенствование технологии каптажа и использования метана в условиях шахты им. М.И. КалининаНаучный руководитель: профессор, д.т.н., зав. кафедрой «Природоохранной деятельности» Костенко Виктор Климентьевич |
Автореферат
Тема магистерской работы: «УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КАПТАЖА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ ИМЕНИ М.И. КАЛИНИНА»
1. Обоснование и актуальность темы.
Украина на сегодняшний день обеспечивает лишь 22,5 % государственных нужд по потреблению природного газа (потребление 80 млрд. м³, добыча 18 млрд. м³). Большая часть газа, для покрытия дефицита, импортируется из стран СНГ (Россия, Туркменистан и др.). Особенно остро поставлен вопрос по поиску и разработке альтернативных энергоносителей.
Одним из таких альтернативных источников в Донбассе, исходя из специфики района, которая представлена большей частью горнодобывающими предприятиями, можно рассматривать шахтный газ метан.
Добыча угля на Украине связана с высоким уровнем сложности и низким уровнем безопасности, по сравнению с добычей других видов энергоресурсов, что обусловлено сложными горно-геологическими условиями залегания угольных пластов и трудно прогнозируемыми горно-геологическими и газодинамическими условиями. Метан – неотъемлемый спутник каменного угля, добыча которого в нашем государстве составляет сегодня около 80 млн. т в год. Расчетные запасы метана в угленосных месторождениях составляют от 12 до 25 триллионов м³ [1].
Необходимо отметить, такой аспект, как экологическая безопасность. Функционирование предприятий угольной промышленности, как правило, сопровождается многосторонним негативным воздействием на окружающую природную среду, масштабы которого непосредственно зависят от объема основного производства и в связи с возможным увеличением объемов добычи угля имеют тенденцию к дальнейшему росту.
По уровню образования и выбросов вредных веществ в атмосферу угольная промышленность является одной из наиболее загрязняющих воздушный бассейн отраслей.
На основании того, что метан - это один из шести основных газов, создающих парниковый эффект (причем он в 21 раз больше по сравнению с СО2 в расчете на 100-летний период), утилизация его становиться необходима исходя из объемов выбрасываемых в атмосферу [8].
Таким образом, с точки зрения экологической безопасности и парникового эффекта, переработка шахтного метана является весьма актуальной.
Важно отметить, что метан в определенных концентрациях образует с кислородом воздуха взрывоопасную смесь и его наличие является главным фактором и основной причиной взрывов в угольных шахтах с тяжелыми последствиями. Для борьбы с метаном на угольных шахтах предпринимаются специальные профилактические меры, наиболее эффективная из которых – дегазация. В настоящее время, из всего объема, выделяемого шахтами, системами дегазации извлекается лишь 15% метана, из него утилизируется лишь 7% [4].
Поэтому разработка механизма оценки и выбора вариантов использования шахтного метана несет экономический, экологический и социальный эффекты.
2. Цели и задачи исследования.
Цель работы – усовершенствование технологии извлечения метана, разработка и обоснование комплекса мероприятий по использованию каптируемого метана в условиях шахты им. М.И. Калинина.
Задачи, решаемые в работе:
1. Провести анализ исследований способов извлечения метана в условиях шахты имени М.И. Калинина
2. Осуществить анализ всех существующих способов дегазации и технологий извлечения метана
3. Выбрать вариант технологии извлечения и использования шахтного метана в условиях шахты
4.Разработать технологическую схему отвода метана из выработанного пространства
5. Выполнить обоснование направлений и критериев рационального использования метана как источника сырья для предприятия
6. Экономически обосновать технологические решения по извлечению и использованию метана в условиях шахты
Объект исследования – вентиляционное и дегазационное хозяйство шахты имени М.И. Калинина, технология извлечения и использования шахтного метана.
Предмет исследований – технологические процессы извлечения и использования метана.
Методы исследования – систематизации, аналитический, технико-экономических расчетов, моделирования, решение ситуационных задач, прогнозирование, статистической обработки данных.
3.Научная значимость работы. Практическая ценность результатов работы.
Научная новизна – разработка технологической схемы отвода метана из выработанного пространства с целью повышения безопасности ведения горных работ; выбор более рационального способа по извлечению шахтного метана с целью использования его в когенерационных установках в условиях шахты имени М.И. Калинина.
Научная новизна раскрывается в следующих результатах достижения:
• обоснование технологических схем извлечения метана в условиях предприятия;
• осуществление выбора и проведение обоснования направлений рационального использования шахтного метана в условиях исследуемого предприятия;
• выполнение технико-экономического обоснования использования извлекаемого из шахты метана как сырьевого ресурса и возможностей его использования.
Практическая ценность – практические предложения использования шахтного метана; разработка технологических схем утилизации, которые могут быть использованы с целью получения экономического, экологического и социального эффектов в условиях шахты имени М.И. Калинина.
4. Обзор существующих исследований и разработок по теме.
На проведение исследований для реализации метановых проектов у большинства украинских шахт попросту нет денег, и здесь ключевой стала роль иностранных инвесторов. Одними из тех, кто первым проявил заинтересованность в освоении этого рынка, были французские компании, в частности, BETEN, которая в кооперации с фирмами Эко-карбон и СдФ Инженери обеспечивает проведение на шахтах исследований по утилизации метана, затем содействует поиску инвестора, установке оборудования и, собственно, утилизации метана. При этом проведение первых двух этапов проекта - предварительное и развёрнутое шахтное исследование финансирует французское правительство.
В 2007 г. между Украиной и Францией подписан двухсторонний договор о продвижении карбоновых проектов в рамках Киотского протокола. В 2008 г. правительство Франции выделило первый транш на реализацию BETEN первого проекта утилизации метана в Украине - в Луганской области. Было получено разрешение на реализацию проекта. В январе 2010 г. все проектные работы по Луганскому проекту завершены. В ближайшее время проект должен быть утверждён европейской проверяющей организацией, а во втором квартале 2010 г. - введен в эксплуатацию.
Компании не удалось получить разрешение на реализацию аналогичного проекта в Донецкой области. Однако французы очень заинтересованы в украинском рынке, и новую попытку закрепиться на нем предприняли в феврале, презентовав свой "Проект отведения и использования шахтного газа (метана) на шахтах Донецкой области" на проведенном в Донецке отраслевом совещании.
В настоящее время в реализации метановых проектов в Донецкой области уже участвуют американские, европейские и азиатские компании. Например, в реализации проекта на шахте имени Засядько участвуют японская компания Marubeni Corporation, швейцарская VEMA SA и датская Global Carbon.
В США разработана и внедрена технология извлечения из угольных пластов до 80% содержащегося в них метана. Такая степень извлечения достигается пневмо- и гидродинамическим (с помощью воды, пульпы или специальных растворов) воздействием на пласты, стимулирующим повышенную газоотдачу углей. Масштабная добыча метана ведется в США, где создана и действует целая отрасль промышленности по добыче газа из угольных пластов. За последние 10 лет добыча угольного метана из специальных скважин возросла до 60 млрд м³/год. В этой отрасли работает около 200 американских фирм.
В последние годы начаты интенсивные работы по извлечению метана в Австралии, Китае, Канаде, Польше, Германии и Великобритании. В Австралии технологии извлечения газа на шахтах и вне горных предприятий разрабатывались параллельно с США, и некоторые компании успешно ведут разработку метана уже с середины 1990-х гг. Добыча метана ведется горизонтальными скважинами, пробуренными по пласту на расстояние до 1500 м; газ поступает на очистительную фабрику, где в соответствии с техническими требованиями обезвоживается, фильтруется, сжимается и далее по газопроводу высокого давления поступает в ряд населенных пунктов.
В Китае ресурсы метана угольных пластов составляют до 35 трлн м³. Интерес к извлечению метана из угольных пластов стал здесь проявляться в начале 1990-х гг. За прошедшие 10 лет китайскими и иностранными специалистами пробурено более 100 опытных скважин на территории угольных бассейнов в восточной части страны. В настоящее время объем добычи метана в Китае составляет около 5 млрд м³.
В Канаде начались экспериментальные работы по извлечению метана на участке Паллисер в провинции Альберта. Канадский газовый комитет прогнозирует, что метан угольных пластов, ресурсы которого составляют около 8 трлн м³ (тогда как ресурсы традиционного газа в стране — 5 трлн м³), в будущем станет основным видом добываемого газа в ряде районов Канады.
В Великобритании известная компания Coalgas Ltd ведет добычу метана из двух заброшенных шахт — «Макхрам», расположенной недалеко от г. Мансфилд, и «Ститлей». Компания разработала альтернативный метод извлечения метана посредством его откачки через вентиляционные стволы шахт, куда он поступает из неотработанных угольных пластов. На рисунке 1 показана структура глобальных выбросов метана по странам мира [10].
Анимированный рисунок 1 - Структура глобальных выбросов метана по странам (количество кадров - 3, количеств циклов повторения - 7, размер – 20,2 kb, сделано в Gif animator).
Таким образом, необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной добычи метана из угольных пластов подтверждаются опытом ряда стран. По мнению американских экспертов, это направление будет неуклонно развиваться, и к 2020 г. мировая добыча метана из угольных пластов достигнет 100–150 млрд м³/год, а в перспективе промышленная добыча шахтного метана в мире может достигнуть до 470–600 млрд м³/год, что составит 15–20% мировой добычи природного газа [3].
Наиболее перспективным в отношении добычи и использования метана в промышленных целях в России является Кузнецкий угольный бассейн. В октябре 2000 г. ОАО «Газпром» и администрация Кемеровской области заключили договор по реализации совместного проекта по добыче метана из угольных пластов Кузнецкого бассейна [9].
В настоящее время в рамках первого этапа экспериментального проекта в Кузбассе на Талдинской площади уже создан и функционирует научный полигон в составе четырех скважин и, необходимой инженерной инфраструктуры.
На основе многолетнего изучения геологоразведочными и научно-исследовательскими организациями метаноносности угольных пластов ресурсы метана здесь оценены в 13 трлн м³ до глубины 1800 м и в 5–6 трлн м³ — до 1200 м; наиболее значительные из них находятся в Ерунаковском, Томь-Усинском, Терсинском и Ленинском районах.
При благоприятной ситуации в сфере налогообложения и высоких ценах на газ к 2020 г. Кузбасс способен выйти на добычу 20 млрд м³ угольного метана. Этот объем можно будет реализовать в Кемеровской, Новосибирской и Омской областях, а также в Алтайском крае. При оживлении промышленного производства и развитии энергетики потребление природного газа в Кемеровской области может составить около 32 млрд м³/год, весь объем которого предполагается покрыть за счет шахтного метана.
По запасам сопутствующего углю метана Украина занимает четвертое место в мире – 12-25 трлн. м³, из которых от 11 до 13 трлн. м³ залегает на шахтах Донбасса. Здесь можно извлекать до 4 млрд. куб. м метана в год (эквивалентно 3 млн. т бензина). Наиболее газоносным является направление Красноармейск – Доброполье. Сейчас завершается ТЭО на разработку месторождений шахтного метана в Донецкой области, этот проект финансируется правительством США (в этой стране ежегодно добывается более 50 млрд. м³ метана).
В мире метан добывают из нетронутых угольных пластов, выталкивая его на поверхность с помощью технологии гидроразрыва. В Украине же предварительное поверхностное бурение не проводилось, а извлекать метан из действующих шахт, глубины которых достигают 1,5 км, намного сложнее, здесь применяются методы дегазации.
Шахта им. Засядько не только реализовала пока самый большой в мире проект по утилизации шахтного метана, но также и выступила пионером в Украине по продаже квот на выбросы парникового газа. С 2006 г. предприятие передало 1,46 млн. т условных выбросов японской Marubeni, которая инвестировала средства в утилизацию угольного метана, а также продало фондам из Австрии и Японии квоты на выбросы парникового газа на 2,5 млн. евро. До 2012 года Шахта им. Засядько планирует сократить выбросы метана на 3,8 млн. т в экв. СО2, что позволит поэтапно получить за счет продажи квот EUR60 млн. Запасы метана на шахте составляют около 20 млрд. м³.
В Украине для обеспечения собственным теплом и электроэнергией метан уже используется на «Макеевугле», на шахтах им. Баракова, «Суходольская-Восточная», «Самсоновская-Западная», шахтоуправлении «Донбасс».
В начале 2009 г. компания ДТЭК объявила тендер по продаже квоты на выбросы в рамках Киотского протокола. За реализацию 720 тыс. т можно выручить около 7 млн. евро. Снизить объемы выбросов позволит запуск на шахте «Комсомолец Донбасса» двух когенерационных установок с общей мощностью около 3 МВт. Вместе с реконструкцией двух имеющихся котельных это позволит в будущем выйти на утилизацию до 100% всего объема шахтного метана.
Общее сокращение выбросов парниковых газов до 2012 г. в рамках проекта компании составит около 300 тыс. т СО2 (экв.).
Проект по утилизации метана реализует и шахтоуправление «Покровское» (ранее – шахта «Красноармейская-Западная №1»). В августе 2008 г. подписан контракт с американской GE Energy (один из крупнейших в мире поставщиков технологий производства и доставки энергии) на поставку когенерационных установок Jenbacher для использования метана суммарной мощностью 129 МВт. Предполагается, что это позволит шахте повысить безопасность и сократить выбросы на более чем 2 млн. т СО2 ежегодно, что позволит ей выйти на рынок торговли карбоновыми квотами и сократить потребление природного газа на 122 млн. м³ в год [5].
5. Собственные результаты.
"Шахта им. М.И. Калинина" в результате проведения дегазации угольных пластов ежегодно получает около 4,5 млн. м³ шахтного метана, приведенного к 100 % концентрации. Частичное использование указанного объема метана возможно при сжигании его в котельной. Однако сезонное использование метана в котельной не позволяет эффективно его утилизировать.
С целью исключения выброса метана в атмосферу и повышения эффективности его использования предлагается установить на территории шахты две когенерационных установки (модульного исполнения) с газо-поршневыми двигателями и генераторами мощностью 1053 кВт каждая напряжением 6,3 кВ. Расчетами установлено, что указанная установка позволит вырабатывать электрическую энергию в объеме порядка 16 млн. кВт•ч в год и частично обеспечит потребителей шахты горячей водой.
Основные сведения о когенерационной станции.
Когенерационная станция (КС) представляет энергетическую установку, состоящую из 2-х модулей, в состав которых входят:
• газопоршневой 4-х тактный 20-ти цилиндровый двигатель типа J320 GS, изготовитель GE Jenbacher (Австрия);
• электрический генератор типа DIG 120 g/4 номинальной мощностью 1053 кВт, изготовитель AVK;
• система утилизации тепла, поставляемая комплектно изготовителем двигателя;
• панели управления, система синхронизации, защиты и мониторинга для каждого модуля.
Когенерационная станция предназначена для полезного использования метана, дегазируемого ГОАО "Шахта им. М.И. Калинина", с целью выработки электрической и тепловой энергии для потребителей шахты. Электрическая нагрузка ГОАО "Шахта им. М.И. Калинина" в целом не превышает 6 МВт, а годовое потребление электроэнергии составляет порядка 53 млн. кВт•ч/год. Генерируемая электрическая мощность КС за вычетом собственных нужд составляет не более 2 МВт с планируемой выработкой электроэнергии до 16 млн. кВт•ч/год. Обеспечение надежности электроснабжения электроприемников шахты сохраняется от действующей энергосистемы. КС выполняет функции утилизации шахтного метана.
Присоединение когенерационной установки предлагается выполнить к РУ-6 кВ компрессорной станции и вентилятору ВЦ-5 с сохранением на них действующих вводов 6 кВ от РУ-6 кВ подстанции "Калинина-новая" [11].
Дегазация должна осуществляться в угольных шахтах, где средствами вентиляции невозможно обеспечить содержание метана в воздухе в пределах установленных норм, если не выполняются условия Iуч = 0,007Qуч* С. Дегазация должна также применяться во всех случаях, когда возможна утилизация извлекаемого метана. Существует три способа дегазации: дегазация разрабатываемого пласта, выработанного пространства и дегазация сближенных пластов (спутников). На шахте им. М.И. Калинина применяется третий способ дегазации. Скважины бурятся из горных выработок позади лавы. Первая панельная лава ЦПУ пл. h10 горизонта 1250 м отрабатывается прямым ходом при сплошной системе разработки. Лава оснащена механизированным комплексом 2КД-90 и комбайном РКУ-10. Дегазация угольного пласта осуществляется скважинами, пробуренными с группового вентиляционного ходка на сближенные угольные пласты (спутники) h11 и h11' на верхнюю и нижнюю части лавы.
Дегазация выработанного пространства действующего участка применяется наряду с дегазацией сближенных угольных пластов, вмещающих пород и разрабатываемого пласта, а также как самостоятельный метод снижения метанообильности участков при значительном метановыделении (более 3—4 м³/мин) из выработанного пространства, когда другими способами дегазации или средствами вентиляции невозможно обеспечить снижение содержания метана до допустимых пределов. Ведь метан образовывает с воздухом в шахтах горючие и взрывные смеси. На анимированном рисунке номерами указанны: 1 - взрывные смеси метана с воздухом; 2 - невыполнимые смеси в естественных условиях; 3 -невзрывчатые смеси, но они могут стать взрывными при увеличении притока свежего воздуха; 4 - невзрывчатые смеси.
Анимированный рисунок 2 - График к определению взрывчатости метановоздушных смесей (количество кадров - 3, количеств циклов повторения - 7, размер – 10,9 kb, сделано в Gif animator).
Дегазация выработанных пространств осуществляется вакуумными насосами с транспортированием извлекаемой смеси по дегазационным газопроводам на поверхность и газоотсасывающими установками с изолированным отводом метана в исходящую струю выемочного поля (крыла, шахты).
При сплошной системе разработки и возвратноточной схеме проветривания метан с помощью газоотсасывающей установки и отростков труб улавливается в просеке шириной 1,5 м, оставляемом в выработанном пространстве у бутовой полосы. Крепь должна предохранять просек от завала на протяжении 150 м от лавы. Для этого могут быть применены костры, выкладываемые по обе стороны просека. Для уменьшения подсосов воздуха в печах выкладываются 2 чураковые перемычки, пространство между ними заполняется глиняным раствором с добавкой 10% - ной поваренной соли, вдоль бутовой полосы со стороны вентиляционного штрека выкладывается чураковая стенка или производится герметизация его пенопластом или синтетической пленкой. Отростки трубопровода, закладываемые через каждые 50 м, включаются в работу на расстоянии 30 - 40 м от лавы и выключаются при отходе ее на 150 м. В работе постоянно находятся два-три отростка [6, 2].
Рисунок 3 - Схема изолированного отвода метана при сплошной системе разработки на шахте имени М.И. Калинина.
На рисунке 3 разработана схема изолированного отвода метана при сплошной системе разработки на шахте имени Калинина. Отвод метана осуществляется с помощью центробежных вентиляторов или пневматических эжекторов по трубам за пределы выемочных участков, где предварительно разбавленный до безопасной концентрации метан выпускается в общую исходящую вентиляционную струю [7].
Таким образом, предложенный способ извлечения шахтного метана позволит сократить аварийность и травматизм, и в то же время позволят увеличить добычу угля и снизить себестоимость продукции. Надежное удаление возникающего газа с помощью достаточной вентиляции и эффективного отсоса имеет, таким образом, жизненно важное значение.
В условиях больших глубин при существенно большем содержании метана в углях растет ограничение нагрузок на очистной забой по газовому фактору, что требует применения принудительной дегазации. Таким образом, установка когенерационных станций позволит повысить безопасность подготовительных и производительность очистных работ вследствие снятия ограничений по газовому фактору.
6. Заключение.
Промышленная разработка и утилизация метана угольных месторождений в условиях шахты имени М.И. Калинина обеспечит получение экономического, экологического, социального эффекта.
Наиболее перспективным направлением является использование когенерационных установок на основе газопоршневых двигателей. Реализация проекта по извлечению метана угольных месторождений позволит обеспечить:
• Экологическую эффективность метанобезопасной разработки углегазовых месторождений;
• Альтернативный источник топлива, что сделает Украину менее зависимой от импорта топлива;
• Улучшение экологической ситуации страны за счет сокращения выбросов парникового газа;
• Повышение безопасности ведения горных работ;
• Создание эффективных технических и технологических решений, обеспечивающих максимальное снижение выбросов метана при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений с энергетическим использованием извлекаемого метана;
• Экономический эффект, поскольку не будет выбросов метана, утилизация шахтного метана позволит снизить себестоимость добычи угля на шахтах в зависимости от конкретных условий на 3-4%;
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2010 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Использованные источники:
1.Утилизация шахтного метана на Яковлевской производственной площадке угольной шахты им. А.Ф. Засядько: [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.informkioto.org.ua/data/upload/catalog2/main/ua/25/z52.doc
2.Пучков Л. А. Динамика метана в выработанных пространствах/ Л. А. Пучков. - М.: МГГУ, 1995. – 313 с.
3.Касьянов В. В. Перспективы развития метановой отрасли в Украине/ В. В. Касьянов – К.: 2000 - 6-11 с.
4.Снижение эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений с энергетическим использованием метана: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lib.ua-ru.net/diss/cont/313878.html
5.Угольный метан: перспективы добычи и использования: [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=6483
6.Сергеев И.В. Руководство по дегазации угольных шахт/ И.В. Сергеев, В.С. Забурдяева, В.Г. Рыжков – М.: 1990. – 117-120 с.
7.Янко С.В. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт/ С.В. Янко, С.П. Ткачук, Л.Ф. Баженова – Киев: 1994. – 139-146 с.
8.Стукало В. А. Шахтная атмосфера/ В. А. Стукало – К.: УМК ВО, 1989. – 104 с.
9.Зберовський В. В. Розвиток геотехнологій видобутку метану вугільних родовищ. Вугілля України/ В. В. Зберовський – К.: 2004. - 16-18 с.
10.Дурнин М.К. Киотский протокол – источник финансирования обеспечения безопасности горных работ/ М.К. Дурнин - М.: – 2007. – 58-60 с.
11.Привлечение дополнительных инвестиций в энергоэффективные проекты в рамках Киотского протокола: [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://www.mishor.esco.co.ua/2008/