CC BY
139
S. Забурдяев В.С. Эколого-экономические последствия выбросов шахтного метана в атмосферу земли. МГГУ. Горный информационноаналитический бюллетень. 2004. №S. С. 211 - 214.
9. Забурдяев В.С. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования. «Горный вестник». ИГД им. А.А. Скочинского, 1994, №1, с. 34 - 39.
10. Саламатин А.Г., Забурдяев В.С. Проблемы дегазации угольных пластов. «Безопасность труда в промышленности». М., 1996, №4, с. 41 - 46.
11. Зайденварг В.Е., Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Захаров В.Н. Прогноз объемов извлечения метана на полях шахт Томь-Усинского и Марасского районов Кузбасса. «Уголь», 2001, №10, с. 15 - 1S.
12. Забурдяев В.С., Забурдяев Г.С. Способы интенсификации газоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях. «Современные проблемы шахтного метана». МГГУ, 1999, с. 106 - 117.
13. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах. ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, Люберцы-Макеевка, 2000, с. 117.
14. Рубан А.Д., Забурдяев В.С. Опыт извлечения и использования шахтного метана в России и ФРГ. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. №9. С. 153 - 15S.
15. Рубан А.Д., Шатиров С.В., Гранин И.В. Газоугольная стратегия в то-пливообеспечении России (на период 2001 - 2003 гг.). - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. 2000. - 100 с.
16. Руководство по дегазации угольных шахт России (первая редакция). Люберцы, 2002, 216 с.
17. Забурдяев В.С. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования// Горный вестник. - 1994. - №1. с. 34 - 39.
1S. Забурдяев В.С., Рубан А.Д., Забурдяев Г.С. и др. Методические основы проектирования дегазации на действующих и ликвидируемых шахтах. - М.: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 316 с.
19. Забурдяев В.С., Рубан АД, Сергеев И.В. и др. Методические положения по выбору и применению новых технологий дегазации и управления метановыделением на угольных шахтах. - Люберцы-Макеевка, 2000. -117 с.
20. Кириллов Д. Газ из угля. Журнал «Газпром», 2005, №7 - S, с. 1S - 21.
і— Коротко об авторах----------------------------------------
Сухоченков А.С. - Московский государственный горный университет.
------------------------------------------ © А.С. Сухоченков, 2006
УДК 622.S6
А.С. Сухоченков
АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ГКо ориентировочным подсчетам, в угольных шахтах
II всего мира при добыче угля ежегодно выделяется 25 - 28 млрд м3 метана. Использование шахтного метана наиболее развито в США, Великобритании, Германии, Японии, Франции, Польше, Чехии. Большая часть метана разжижается воздухом, поступающим в шахту для проветривания, до концентрации менее 1 % и выбрасывается в атмосферу. Около 10 - 12 % всего метана каптируется и выводится на поверхность по трубам; содержание метана в каптируемом газе обычно не превышает 40-50 %, а на ряде шахт составляет 70-90 %. Из общего количества каптируемого метана (2,8-3 млрд. м3) свыше 50 % утилизируется тем или иным способом, что существенно повышает эффективность комплексного использования сырья и позволяет попутно получать высококалорийное топливо. На шахтах отдельных стран утилизируется свыше 80 % каптированного метана (табл. 1) [1].
Теплота сгорания угольного метана и природного газа практически одинакова. Эти газы взаимно заменяемы в качестве, как химического сырья, так и источников энергии. С учетом того, что уголь - естественный сорбент, как следствие, угольный метан имеет более высокое качество (например, отсутствует сера).
Таблица 1
Уровень утилизации шахтного метана, извлекаемого системами дегазации.
Показатель Страна
Польша Чехия Германия Великобритания Россия
Дегазировано метана, млн м3/год 241 210 650 500 480
Процент утилизации 85 95 70 50 8,5
Одной из важных основных характеристик газа является его теплота сгорания. У шахтного газа изменяется в очень широких пределах и определяется практически только содержанием метана.
В основном шахтный метан применяют в качестве топлива в шахтных котельных. Так, в ФРГ ежегодно сжигается около 150 млн. м3 метана, что составляет 45 % всего используемого или 26% каптируемого газа, в ЮАР - более 50 % [2].
Из действующих шахт земли Северный Рейн-Вестфалия (СРВ), где запасы угля оценены в 20 млрд т, при годовом ме-тановыделении из шахт, равном 810 млн м3, дегазационными системами извлечено 415 млн м3 метана, из них утилизировано 261 млн м3 [3]. Коэффициент извлечения и утилизации шахтного метана составили 0,51 и 0,32 соответственно, а коэффициент использования каптированного метана - 0,63 [4].
В Китае из 430 млн м3 каптируемого метана утилизируется около 70 %. В Польше на ТЭЦ шахты «Зофировка» совместно сжигаются уголь и метан, который покрывает 10 % потребности ТЭЦ в топливе и обходится в 5 раз дешевле природного газа. В Чешской республике ежегодно более 50 млн м3 дегазационного метана используется в котельных и на установках сушки угля [5]. Опыт дегазации и утилизации метана в Австралии (шахта «Вест-Клифф») подтверждает возможность не только обеспечить шахту на 100 % собственной электроэнергией, но и продавать ее на сторону [6].
В Великобритании метан сжигают совместно с угольной пылью.
В Словакии каптируемый газ сжигается в централизованных шахтных котельных с добавлением природного газа.
В меньших объемах в ФРГ, Франции, Великобритании, Бельгии и Японии каптируемый метан используется для нагрева доменных, мартеновских, стекольных печей, коксовых батарей и пр.
Сравнительно широко метан применяется в качестве добавок в городские газовые сети. Однако в целях безопасности метан предварительно перерабатывают в основном каталитическим крекингом водяным паром или автотермическим крекингом.
Еще одно направление - использование метана в качестве топлива для газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания (Великобритания, ФРГ, Франция, Бельгия и др.).
В Великобритании и в ФРГ каптированный газ используется как топливо для дизельных двигателей генераторов переменного тока. Стоимость кВт*ч при этом в 3-4 раза выше, чем на крупных тепловых станциях.
В качестве топлива для автомашин применяется редко из-за сложности поддержания высокого и стабильного содержания метана. Так, на Украине на шахтах ПО «Донецк-уголь» внедрена технология наполнения кондиционным метаном газовых баллонов, используемых в автохозяйствах в качестве моторного топлива с целью экономии бензина [7]. Уже в течение более чем шести лет успешно работает станция заправки автомобилей метаном [6].
В Японии и Франции незначительное количество каптируемого метана используется как сырье для химической промышленности (производство сажи, минеральных удобрений, пластмасс и т.п.) [2].
В Польше выбросы метана, связанные с добычей и использованием угля, составляют 0,6 млн т/год. В работе [8] проанализированы три технических направления использования шах-тного метана, в том числе адсорбционное обогащение метаном дренажного газа для направления его в сеть природного газа; каталитическое удаление метана из вентиляционного газа в наклон с реверсивным потоком и одновременным производством нагретого пара; использование вентиляционного воздуха их шахт в действующих котельных.
В России каптированный газ впервые начали использовать в Донбассе на шахте «Красная Звезда». В основном он используется в качестве топлива в шахтных котельных. Кондиционная смесь при недостаточном дебите сжигается совместно с твердым топливом (надслоевое топливо) [2].
В настоящее время шахтный метан используется в Печорском угольном бассейне (до 50 %), в Донецком (до 40 %) и Карагандинском (до 30 %), в остальных бассейнах (в том числе и в Кузбассе) практически не используется. В то же время за рубежом использование шахтного метана составляет 80-90 % [9, 1].
В АО «Воркутауголь» ежегодно каптируется 200 млн м3 метана [5]. С учетом сезонности в 2001 году в Воркуте было утилизировано 38,7 млн м3 метана, а в 2002 году - 40,2 млн м3 [4].
В Воркуте каптируемые дегазационными системами газовоздушные смеси используются путем их сжигания в топках котельных шахт и калориферов, в сушильных отделениях обогатительных фабрик [10]. Обогрев паровых котлов осуществляется в котельных 3 шахт (шахты «Воркутинская», «Заполярная» и «Комсомолец»), подогрев воздуха, подаваемого в шахтный ствол, - на шахте «Северная», сушка - на обогатительной фабрике шахты «Северная» [7]. Сжигание метана производят также в топочном устройстве термоаэроклассификатора (шахта «Воркутинская») и в газомоторной установке (ГМУ) «Катерпилар» для генерирования электрической энергии и тепла (шахта «Северная») [4].
На шахте «Комсомольская» реализуется технология по совместному сжиганию шахтного метана и угля. Данная технология имеет экологический эффект, в стоимостном выражении от уменьшения выброса вредных веществ в атмосферу превышающий в 2 раза экономический эффект, получаемый в результате экономии угля и использования метановоздушной смеси, которые выбрасывались в атмосферу.
Для шахты «Промышленная» разработан проект получения 100 %-ного метана для заправки грузовых карбюраторных автомобилей. При осуществлении технологии повышения концентрации метана до 100 % экологический эффект достигается за счет уменьшения выбросов в атмосферу метана и за счет исключения вредных выбросов при применении метана в качестве топлива для грузовых автомобилей [1].
В АО «Донецкуголь» ежедневно 170 автомобилей заправляются метаном, который извлекается из угольных пластов за 8 - 10 лет до начала ведения горных работ через вертикальные стволы [5].
В Кузнецком угольном бассейне газ дегазации в настоящее время используется в котельной шахты «Чертинская» ОАО «Беловоуголь», ведется подготовка к пуску газодизеля «Катерпилар» и газозаправочной станции для заправки грузовых автомобилей, разработан проект и проводятся работы
по реконструкции двух водогрейных котлов шахты «Абашев-ская» для совместного сжигания шахтного метана и угля [1, 4].
На базе результатов, полученных на шахтах «Чертинская» и «Комсомолец», учеными МГГУ и института «ВНИИ-Газ» при участии производственников (опытный завод «ВНИИГаз») разработаны технологии, конструкторская документация, изготовлено оборудование по заказам шахт, проведены испытания и сданы в эксплуатацию мобильные электростанции мощностью 100 кВт, работающие на шахтном метане на шахтах им. А.Ф. Засядько (г. Донецк) и «Стахановская» (г. Караганда), а также сдан в эксплуатацию автомобильный заправщик для заправки технологического автотранспорта угольным метаном в качестве топлива (шахта им. А.Ф. Засядько). Мобильные электростанции мощностью 200 и 100 кВт и автозаправщики изготовлены и поставлены для внедрения на шахты ОАО УК «Ленинскуголь» и «Беловоуголь» и АО «Ростовуголь» [11].
В России использование метана как энергетического или как химического продукта фактически рассматривалось и рассматривается с точки зрения проблемы комплексного использования угля. Метан разрабатываемых угольных пластов никогда не ставился на баланс предприятия и в принципе не вызывал большого интереса как добавочный энергетический продукт. По этой причине глубоких научных исследований по экономическому обоснованию способов и средств эффективного извлечения и использования шахтного метана в РФ не проводилось [12]. Часть метана, добываемого дегазационными скважинами с поверхности или подземными дегазационными системами, утилизировалась, однако с экономической точки зрения это далеко не всегда было выгодно, в особенности при наличии сети природного газа.
В целом по этим причинам больших успехов в этой области в СССР и в России не было достигнуто [13].
Анализ объемов извлечения и использования метана также показывает, что при достаточно высокой эффективности дегазации очистных участков концентрация метана составила менее 30 % [12], что затрудняет использование тако-
го некондиционного газа. В связи с этим утилизация его имела ограниченные объемы.
В работе [14] проведена оценка возможности утилизации шахтного метана на основе газогидратных процессов. Разработаны технологические схемы по утилизации шахтного метана из дегазационных метановоздушных смесей газогидрат-ным способом.
В работе [15] обобщены материалы исследований и практический опыт промышленного использования угольного метана при подземной разработке газоносных месторождений полезных ископаемых. Приведены технологические схемы и па
Таблица 2
Требования к шахтному метану и его параметрам
Направление использования Параметры
Содержание, % Дебит, м3/мин. Влажность, г./м3 Механические примеси
Котельные (надслоевое 30 13 _ _
сжигание) Метанол 85 10 _ отсутствуют
Моторное топливо для авто- 95 18 0,009 отсутствуют
транспорта Производство белковой мас- 4 600 м3
сы Газовые турби- 1,6 45 кг./с.
ны
раметры утилизации метановоздушных смесей в широком диапазоне качественных характеристик угольного метана. Осуществлена оценка эффективности технологий.
В зависимости от способа утилизации определяется перечень требований к шахтному метану и его параметрам [2], которые приведены в табл. 2.
----------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. - 383 с.
2. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Федунец Б.И. Перспективы добычи метана в Печорском угольном бассейне. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. - 557 с.
3. Ренер Вольфганг. Добыча и использование рудничного газа в земле Северный Рейн-Вестфалия// Материалы презентации земли Северный Рейн- Вестфалия в России/ Форум II. Энергия и защита климата. Москва, 11 июня 2003 года (резюме докладов).
4. Рубан А.Д., Забурдяев В.С. Опыт извлечения и использования шахтного метана в России и ФРГ. МГГУ. Горный информационноаналитический бюллетень. 2004. №9. С. 153 - 158.
5. Тайлаков О.В. Перспективы развития извлечения и использования шахтного метана в Кузбассе. Журнал «Уголь». Сентябрь, 1998.
6. Золотых С.С. Программа утилизации каптированного метана из действующих шахт компании «Беловоуголь». Журнал «Уголь». Сентябрь, 1998.
7. Конарев В.В. Опыт Донбасса по дегазации угольных месторождений. «Сокращение эмиссии метана», Новосибирск, 2000, с. 379 - 382.
8. Анализ техники для применения метана угольных пластов из каменноугольных шахт Польши. Analiza mozliwosci utylizacji metanu z kopaln wegla kaniennego w Polsce.: Докл. [Konferencja «Zagadnienia surowcow energetycznych i energii w gospodarce krajowej», Zakopane, 5 - 8 pazdz., 2003]. Warmuzinski Krzysztof, Gosiewski Krzysztof, Tanczyk Marek, Janchik Manfred. Polit. Energy. 2003. 6, zesz. spec. [cz. 2], с. 407 - 422.
9. Пучков Л.А., Сластунов С.В. Решение проблем угольного метана: метанобезопасность, промышленная добыча газа, экология. Журнал «Уголь». Февраль, 2005.
10. Рубан А.Д. Технологии извлечения и использования метана угольных шахт: опыт и перспективы// Труды II Межд. конф. «Сокращение эмиссии метана». - Новосибирск, 2000. - С. 563 - 567.
11. Красюк Н.Н., Золотых С.С., Жаров А.И., Жмуровский Д.И., Казаков В.Б. Угольный метан в региональной энергетике. Журнал «Уголь». Март, 1999.
12. Забурдяев В.С. Эколого-экономические последствия выбросов шахтного метана в атмосферу земли. МГГУ. Горный информационноаналитический бюллетень. 2004. №8. С. 211 - 214.
13. Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1996. - 23 с.
14. Королева В.Н. Извлечение и утилизация шахтного метана. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. -286 с.
15. Опыт и перспективы использования угольного метана. Пучков Л.А., Красюк Н.Н., Золотых С.С., Максименко Ю.М. Препр. М.: Изд-во МГГУ. 2004, 50 с.
і— Коротко об авторах----------------------------------------
Сухоченков А.С. - Московский государственный горный университет.
