CC BY
119
| Е.М. Могилева // Ye.M. Mogileva kolikovks@mail.ru
начальник отдела охраны окружающей среды АО «СУЭК-Кузбасс», Россия, 650051, г. Кемерово, пр-кт Кузнецкий, 127/3
candidate of technical sciences, director of the Center for Pharmaceutical Synthesis and Biotechnology CKP (NOC) RUDN, 127/3, Kuznetskiy Avenue, Kemerovo, 650051, Russia
| K.C. Коликов // K.S. Kolikov kolikovks@maiLru
д-р техн. наук, заведующий кафедрой Безопасности и экологии горного производства Национальный исследовательский технологический университет «МИ-СиС» (НИТУ "МИСиС"), Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-кт, 4 doctor of technical sciences, head of the department of security and ecology of Mining Production National Research Technological University "MISiS" (NITU "MISiS"), 4, Leninskiy Avenue, Moscow, 119991, Russia
УДК 622.411.33
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА
PROBLEMS AND PROSPECTS OF COAL MINE METHANE
Использование шахтного метана обеспечивает реализацию принципа комплексного освоения месторождения. Актуальность проблемы использования шахтного метана определяется тем, что Указ Президента Российской Федерации от 30 сентября 2013 г. № 752 "О сокращении выбросов парниковых газов" предусматривает обеспечить к 2020 году снижение объема выбросов. В статье обоснована необходимость кардинального роста объемов утилизации шахтного метана, а также усиления роли способов дегазации. Отмечены основные причины низкого уровня утилизации в РФ. Рассмотрены основные направления использования шахтного метана в настоящее время, среди которых отмечены: выработка тепла (топливо в котельных и др. генераторах тепла); выработка электроэнергии (топливо для дизельных двигателей генераторов переменного тока); топливо для автомашин; сырье для химической промышленности. Представлен анализ основных способов утилизации метановоздушныхсмесей. Выделены три перспективныетехнологииутилизации метана вентиляционных потоков угольных шахт в атмосферу: термический реактор с реверсируемыми потоками «VOCSIDIZER», разработанный компанией «MEGTEC Systems»; термический реактор с реверсируемыми потоками «VAMOX», разработанный компанией «Biothermica Technologies Inc.»; каталитический реверсивный реактор, разработанный компанией «Canadian Mineral and Energy Technologies». Международная практика показывает, что реализация проектов по утилизации шахтного метана требует, как правило, экономического стимулирования таких работ. В статье приведены основные стимулы и выделены основные направления для решения проблемы утилизации шахтного метана.
The use of coal mine methane ensures the implementation of the principle of integrated development of the deposit. The urgency of the problem of coal mine methane is determined by the fact that the Presidential Decree of September 30, 2013 № 752 "On the reduction of greenhouse gas emissions" is to bring to the 2020 decrease in emissions. The article substantiates the necessity of cardinal growth of the volumes of utilization of mine methane, as well as the strengthening of the role of degassing methods. The main reasons for the low level of utilization in the Russian Federation are noted. The main directions of using coal mine methane at present are considered, among which are: heat generation (fuel in boilers and other heat generators); generation of electricity (fuel for diesel engines of alternators); fuel for motor vehicles; raw materials for the chemical industry. The analysis of the main methods of utilization of methane-air mixtures is presented. Three perspective technologies for recycling methane from the ventilation streams of coal mines to the atmosphere are singled out: a thermal reactor with reversible flows "VOCSIDIZER", developed by MEGTEC Systems; a thermal reactor with reversible flows "VAMOX", developed by the company "Biothermica Technologies Inc."; a catalytic reversible reactor developed by Canadian Mineral and Energy Technologies. International practice shows that the implementation of projects for the utilization of coal mine methane, as a rule, requires the economic stimulation of such works. The article gives the main incentives and identifies the main directions for solving the problem of coal mine methane utilization.
Ключевые слова: МЕТАН, МЕТАНОБЕЗОПАСНОСТЬ, ЭКОЛОГИЯ, ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ, МЕСТОРОЖДЕНИЯ УГОЛЬНЫЕ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Key words: METHANE, METHANE SAFETY, ECOLOGY, GREENHOUSE GASES, COAL FIELD, USE, EFFICIENCY
научно-технический журнал № 3-2017
ВЕСТНИК
Метан, выделяющийся при подземной разработке угольных месторождений, является не только одной из главных опасностей, но и представляет значительный интерес как сырьевой ресурс.
Повышенный интерес к нему во многом связан не только с решением проблемы метано-безопасности, но и с развитием технологий добычи метана из неразгруженных угольных пластов, положивших начало сланцевой революции, а также ростом внимания к вопросу сокращения выбросов парниковых газов. При этом вопросы безопасности при реализации проектов добычи метана из угольных пластов часто используются в рекламных целях.
Использование шахтного метана обеспечивает реализацию принципа комплексного освоения месторождения. Следует отметить, что в этом случае осуществляется интенсивное развитие производства, в то время как при добыче метана из угольных пластов без последующей добычи угля имеет место экстенсивное развитие.
Актуальность проблемы использования шахтного метана определяется тем, что Указ Президента Российской Федерации от 30 сентября 2013 г. № 752 "О сокращении выбросов парниковых газов" предусматривает обеспечить к 2020 году снижение объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75 процентов объема указанных выбросов в 1990 году. Для предприятий угольной отрасли с учетом перспектив повышения интенсивности добычи в соответствии с долгосрочной программой её развития и метанообильности это означает необходимость кардинального расширения не только применения дегазации, но и объемов использования шахтного метана.
Утилизация метана в нашей стране остается на недопустимо низком уровне. Так, в 2012 г. объем использованного метана составил менее 118,5 млн. м3, в то время как общий объем метана, извлеченного посредством вентиляции, дегазации и газоотсоса, составил более 1728млн. м3, т.е. утилизировано менее 7 % извлеченного метана. Системами дегазации было извлечено около 23,5 % метана, на газоотсос приходилось чуть более 13 %, т.е. основная часть метана (более 63 %) удаляется вентиляцией.
Если принять необходимость снижения выбросов метана на 25 % для всей отрасли, то при сохранении структуры извлечения метана без учета увеличения его объема утилизация, даже всего метана, извлекаемого средствами
дегазации, не решает данной проблемы. Это приводит и к необходимости изменения существующего баланса между вентиляционным и дегазационным способами управления газовыделением в сторону последнего.
Все это требует расширения способов утилизации шахтного метана.
Основные причины низкого уровня утилизации в нашей стране:
- нестабильность параметров метановоз-душных смесей (МВС);
- рассредоточенность и мобильность источников газа (вакуум-насосных станций);
- недостаточная заинтересованность угледобывающих предприятий в решении данной проблемы.
В развитых угледобывающих странах современное состояние техники и технологии позволяет тем или иным способом утилизировать до 50 % метана, извлекаемого средствами дегазации. В отдельных бассейнах доля используемого метана достигает 80 и более процентов от каптируемого.
Основными направлениями использования шахтного метана в настоящее время являются:
- выработка тепла (топливо в котельных и др. генераторах тепла);
- выработка электроэнергии (топливо для дизельных двигателей генераторов переменного тока);
- топливо для автомашин;
- сырье для химической промышленности;
В основном шахтный метан применяют
в качестве топлива в шахтных котельных или аналогичных установках. Большой опыт использования метановоздушных смесей накоплен на шахтах Воркутинского месторождения.
Метановоздушнная смесь может использоваться либо как основное топливо, либо при низких концентрациях в качестве дутья. Отработана технология совместного сжигания шахтного метана и угля, что обеспечивает наряду с экономическим эффектом и экологические преимущества. Однако нестабильность потребления горячей воды в течение года является дополнительным фактором, сдерживающим широкое внедрение технологии. Поэтому технология сжигания метановоздушных смесей в шахтных котельных не может кардинально решить проблему промышленного, широкомасштабного использования шахтного метана.
Второе направление - выработка электроэнергии - обеспечивает повышение энерговооруженности шахты. Следует отметить, что при
научно-технический журнал № 3-2017
ВЕСТНИК
сравнении различных установок по коэффициенту полезного действия (отношение получаемой кинетической энергии, которая может быть использована для вращения генератора, к теплоте сгорания топлива) максимальным обладает ракетный двигатель, однако его прямое использование для получения электроэнергии не известно.
Достаточно успешно используются газотурбинные двигатели, отличающиеся высокой надежностью в работе, поскольку разработаны по требованиям авиационных технологий. Одновременно с высокими надежностью и ресурсом необходимо отметить их высокую цену, особенно зарубежных, что является фактором, сдерживающим широкое применение. Данный способ использования каптируемого метана в промышленном масштабе был испытан в Карагандинском бассейне [1].
К недостаткам этой технологии можно отнести:
- требуемые высокие значения концентрации метана в используемой смеси;
- сравнительно малый гарантированный ресурс работы авиадвигателя;
- необходимость предварительного ком-примирования смеси до давления 0,8-1,2 МПа, на что затрачивается до 10 % производимой комплексом электрической энергии;
- относительно невысокий общий к.п.д. технологии по электрической энергии, не превышающий 18-20 %.
В последнее время в нашей стране достаточно широко применяется энергетическая переработка метана в газовых дизелях, служащих приводом электрогенераторов и отбором остаточного тепла продуктов сгорания.
В основном используются зарубежные газомоторные установки. На шахте им. С.М. Кирова эксплуатируются контейнерные теплоэлектростанции Рго-2 (Германия) суммарной мощностью 4 МВтчас. Данное направление развивается и отечественными предприятиями, так НПО «Союзгазгеология» разработаны электростанции с двигателем ЭП-8 мощностью 8 кВт. На основе исследований ВНИИГАЗа создан ряд двигателей мощностью от 5,5 до 3500 кВт.
Следует отметить, что выработка электроэнергии, являясь наиболее распространенным способом утилизации, не является наиболее эффективным с экологической и экономической точек зрения. Стоимость электроэнергии при этом выше, чем на крупных тепловых электростанциях [2].
Кроме экологического эффекта, утили-
зация шахтного метана с выработкой электроэнергии позволяет решить вопрос снижения энергоемкости добычи угля, что предусмотрено долгосрочной программой развития угольной промышленности.
Утилизированный метан, как топливо для автомашин, применяется редко из-за сложности обеспечения высокого и стабильного содержания метана. Из известных способов дегазации требуемый компонентный состав обеспечивается только при заблаговременной дегазации угольных пластов, которая в нашей стране еще не нашла применения. Кроме того, при использовании метана в качестве моторного топлива для автотранспорта его влажность должна быть менее 9 мг/м3, механические примеси недопустимы.
Известны примеры применения шахтного метана как сырья для химической промышленности. Он служит сырьем для получения формальдегида, метанола, ацетилена, сероуглерода, аммиака, хлороформа, синильной кислоты, водорода и других ценных продуктов. Препятствием для использования шахтного метана как химического сырья является, во-первых, необходимость стабильной и высокой концентрации метана (более 80 %), во-вторых, отсутствие соответствующего оборудования, так как применяемое рассчитано на значительные дебиты метана стационарно и отличается высокой металло- и энергоемкостью [3]. Данные проблемы могут быть решены за счет совершенствования способов дегазации и развития способов утилизации для низкодебитных источников. Примером такой технологии является энерготехнологическая переработка метана с получением технического углерода (сажи), который является коммерческим продуктом. Данная технология переработки метана обеспечивает снижение выброса углекислого газа на 50 %. При пересчете на единицу вырабатываемой энергии выброс углекислого газа снижается на 35 %. Теоретически, изменяя соотношение метана в потоках, направляемых на сжигание и на термообработку, можно снизить выброс углекислого газа на 35-50 % и на 20-25 % снизить потребление кислорода на выработку единицы полезной энергии [4]. Такого экологического эффекта не может обеспечить ни одна из известных технологий промышленной энергетики на углеводородном сырье.
В связи с преобладанием низкоконцентрированных метановоздушных смесей особую роль приобретают технологии утилизации газов этой группы.
На сегодняшний день существуют следую-
ваучво-технвческнй журнал № 3-2017
ВЕСТНИК
щие перспективные технологии утилизации метана вентиляционных потоков угольных шахт в атмосферу [5]:
■ термический реактор с реверсируемыми потоками «VOCSIDIZER», разработанный компанией «MEGTEC Systems» (De Pere, Wisconsin, United States);
■ термический реактор с реверсируемыми потоками «VAMOX», разработанный компанией «Biothermica Technologies Inc.» ("Biothermica", Montreal, Canada);
■ каталитический реверсивный реактор, разработанный компанией «Canadian Mineral and Energy Technologies» (CANMET—Varennes, Quebec, Canada) специально для вентиляционных потоков угольных шахт.
Все упомянутые реакторы используют принцип окисления метана, содержащегося в вентиляционных потоках угольных шахт.
Однако в настоящее время они еще не вышли из стадии опытно-промышленных испытаний.
Как показала международная практика, реализация проектов по утилизации шахтного метана требует, как правило, экономического стимулирования таких работ [6].
В качестве стимулов для решения данной
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
проблемы может быть использовано:
- введение налоговых льгот при условии снижения выбросов метана;
- долевое участие кредиторов в прибылях по проектам, обеспечивающим сокращение выбросов метана.
Таким образом, решение проблемы эффективного использования шахтного метана и снижения его выбросов в атмосферу возможно при решении следующих задач:
- разработка и использование способов извлечения кондиционного метана из угольных пластов с обеспечением необходимого коэффициента эффективности дегазации;
- разработка способов и технических средств подготовки извлекаемого газа в соответствии с требованиями промышленных потребителей;
- разработка новых технологий использования шахтного метана с высокой стоимостью полезной продукции;
- разработка технологий промышленного использования низкоконцентрированных мета-новоздушных смесей;
- совершенствование способов экономического стимулирования угольных предприятий по использованию ресурсов угольного метана.
1. Шмидт М.В. Снижение эмиссии парниковых газов при метанобезопасной разработке углегазовых месторождений с энергетическим использованием метана. Диссертация докт. техн. наук. М.: МГГУ. 2005. -363 с.
2. Равич М.Б. Газ и эффективность его использования в народном хозяйстве. -М.: Недра, 1987. -238с.
3. Мазаник Е.В., Могилева Е.М., Коликов К.С. К вопросу использования шахтного метана// Горная промышленность. 2014. № 1. С. 59-64.
4. Коликов К.С., Мутушев М.А., Шмидт М.В. Энерготехнологическая переработка метана как способ снижения выбросов парниковых газов// ГИАБ, Сб. науч. трудов "Метан", 2007, С. 355-360.
5. Ventilation Air Methane oxidation using a VAMOX™ system at an active coal mine in the USA. Nicolas Duplessis, Director of Development, Biothermica Technologies Inc.Montreal, Canada. International Coal Bed and Shale Gas Symposium, 2009 .
6. Guido Droste. Technical requirements regarding the equipment of reciprocating engines in mine gas utilisation -especially for gases with low contents of methane. // Gluckauf. - 142 (2006) Nr. 1/2. - P. 45-48.
REFERENCES
1. Shmidt, M. (2005). Snizheniye emissii parnikovykh gazov pri metanobezopasnoy razrabotke uglegazovykh mestorozhdeniy s energeticheskim ispol'zovaniyem metana. [Reduction of greenhouse gas emissions in methane-safe development of coal-gas deposits with energy use of methane], (Doctor of Technical Sciences). MGGU. [In Russian],
2. Ravich, M. (1987). Gaz i effektivnost' yego ispol'zovaniya v narodnom khozyaystve [Gas and the effectiveness of its use in the national economy], Moscow: Nedra. [In Russian],
3. Mazanik, Y., Mogileva, Y., & Kolikov, K. (2014). К voprosu ispol'zovaniya shakhtnogo metana [On the use of mine methane], Gornaya Promyshlennost' - Mining Industry, (1), 59-64. [In Russian],
4. Kolikov, K., Mutushev, M., & Shmidt, M. (2007). Energotekhnologicheskaya pererabotka metana kak sposob snizheniya vybrosov parnikovykh gazov [Energotechnological processing of methane as a way to reduce greenhouse gas emissions], GIAB, Metane, 355-360. [In Russian]
5. Duplessis, N. (2009). Ventilation Air Methane oxidation using a VAMOX™ system at an active coal mine in the USA. Canada. International Coal Bed and Shale Gas Symposium, 2009.[In English],
6. Droste, G. (2006). Technical requirements regarding the equipment of reciprocating engines in mine gas utilisation -especially for gases with low contents of methane. Gluckauf, 142 (1/2), 45-48. [In English].
научно-технический журнал № 3-2017
ВЕСТНИК
