Биотехнология утилизации шахтного метана Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВ АНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ*

/Й’:л:Г-: МОСКВА, мггу

29.0Ь96- 2.02.96 г

I I I V

» * V *•*

*• * •.

: . у.

ДРЫН ДИН В. А., МИХИНА Т.В., СУСЛЕНКОВ Б. Д. Росси йский ун иве рейте т

дружбы народов

Биотехнология утилизации шахтного метана

Современное производство базируется на применении технологий, в основе которых лежит мировоззрение, эксплуатирующее идеи об опасности окружающей среды для жизнедеятельность человечества и необходимости борьбы человечества с природой как условии выживания. Идейная база существенным образом повлияла на форму и сущность современного производства. Функционирование его привело к глобальному экологическому кризису на данном этапе эволюции биосферы, постав-ло под угрозу стагнации и исчезновения жизни на Земле. Современная экология при рассмотрении динамики взаимодействия производства, техносферы и окружающей природной среды учитывает соотношение между интенсивностью и темпами процесса восстановления параметров окружающей среды. Условие выживаемости природы можно выразить следующим образом:

Я = ? У = 5

где

У

Т т

я'-ьд

УК А

т т =

А

7 > т

^ і

Е - соответственно опе-

раторы воздействия техносфер-ры на окружающую среду (ОС), восстановления ОС и единичный оператор;

5 и £ - соответственно до и после воздействия.

Важным обстоятельством эволющии техносферы Земли является то, что она, по-видимому, всегда включает в себя как а биотехно л ошческую так и биотехнологическую ветви (рис.1). В самом общем

смысле биотехнология означает использование живого вещества в технологических процессах. Причем это условие является независимым в ряду других факторов, определяющих сущность технологи^ формирующим основные компоненты Т.

В.И.Вернадский указал на геологическую мощь активности человечества, на необходимость интеллектуального управления этой "геологический силой”. Целенаправленное использование свойств живого вещества для решения технологических проблем является наиболее эффективным и экологизированным способом управления, основанного на идее о необходимости гармоничного сочетания производства и окружающей среды.

Современное горное производство выделяется в ряду других подсистем техносферы особо высокой интенсивностью воздействия на природу, изменяющего лик Земли. Применение биотехнологии в нем имеет исторические корни, качественно различные фазы и неуклонно возрастает. Традиционным было использование животных (птицы, лошади и пр.) для определения шахтных опасностей, в качестве источника механической энергии и т.п.

В современном горном производстве биотехнология применяется, например, для рекультивации нарушенных земель, бактериального обессеривания угля, де-су льфоризации угля, бактериального выщелачивания пирита и металлов, борьбы с метано и его утилизации. В современном горном производстве биотехнология применяется, например, для рекультивации нарушенных земель, бактериального обессеривания угля, десульфоризации угля,

Рис.1. Структура техносферы земли

(пунктирной линией обозначены границы абиотехнологической и биотехнологической ветвей, ї - время)

бактериального выщелачивания пирита и металлов, борьбы с метаном и его утилизации. Разработки способов борьбы с метаном с метаном в угольных шахтах на основе применения микроорганизмов - мета-нотрофов, которые в виде бактериальной суспензии наносятся на поверхность выработок или закачиваются в горный массив впервые проведенв в Московском горном институте и связаны с именами А.И.Ксено-фонтовой, Ф.С.Бурчакова, Н,В.Ножкина, Э.М.Москаленко.

Утилизация шахтного метана является вожной задачей горного дела в связи с особой ролью метана - наиболее распространенного на Земле органического газа - в технологии горного производства, в формировании современной атмосферы. Метан в шахтных выработках является источником опасности (взрывоопасность, дискомфорт, патологическое влияние на горнорабочих). Повышенная концентрация метана в приземном слое атмосферы угледобывающих регионов - отрицательный фактор жизнедеятельности. Метан в атмосфере Земли является источником осложнения глобальной экологической обстановки, так как является одни из газов,

ответственных за парниковый эффект и рост средней температуры на Земле. Количество шахтного метана, выделяющегося при ведении горных работ, сравнительно велкио. В табл. 1 представлены сравнительные данные о метане угольных месторождений среди основных источников атмосферного метана.

Таблица I

Основные источники атмосферного метана, %

Уголь 6.5 |

Природный газ 8,3

Океан 1,9 I

Пресноводные водоемы 0.9

Болота 21,3

Рисовники 20,4 |

Жвачные животные 14,8 I

Термиты 7.4

Сжигание биомассы 10.2

Свалки 7.4

Газогидратные залежи ,. °-9 Л

Особенность шахтного метана состоит в том, что в отличие от метана большинства источников (табл. 1) его можно собрать без

усложнения горных пред-льку шахтный метан явля-осложнения экологиче-лохального, регионально -ого масштабов устранение его - ивобходимое условие экологичного производства, имеющее со-жачжмость. Утилизация шахт-является одним из наиболее способов устранения этого В техническом плане современней систем утилизации на-ва создание эффективных спосо-тхи метана в легко транспор-юоы топлива (метанол) и в вы-угждодор оды, являющиеся сырьем яишческой промышленности. Разра-также системы непосредствен-■сполъзования шахтного метана для ш коммунально-бытовых вопросов, я обычно сжигается. Биоутилизация >го метана, в результате которой об-вещества с пониженной химиче-ахтивностью, являющимися сырьем следующего звена химического и био-[еского преобразования, с экологией точки зрения более безопасна и -номически выгодна, нежели другие [ы понижения его концентрации в выработках.

Техническое решение биоутилизации дтного метана с применением бактериальной суспензии в виде аэрозоля выполнено для двух случаев:

1) с применением элементов технологической схемы на участке горной выработки;

2) с формированием автономного биологического фильтра.

На рис.2 представлена схема биоутилизации СИ4 в горной выработке. В емкости 1 приготовляется бактериальная суспензия, например, 10%-ный раствор солей фосфорнокислого калия, натрия и микроэлементов и 10 кг/м пасты метаноокисляющих бактерий. При помощи насоса 2 по гибкому трубопроводу 3 бактериальная суспензия подается в систему распылительных форсунок 4, создающих завесу распылительной суспензии, через которую проходит метановоздупшый поток. Бактерии потребляют метан из метановоздушной смеси в результате своей жизнедеятельности, в результате чего концентрация метана в потоке снижается, уменьшается концинтрация солей в суспензии и увеличивается содержание бактерий. Высокая эффективность окисления метана бактериями достигается за счет большой площади взаимодействия бактериальной суспензии с метановоздупгаым потоком. После первичной реакции суспензия выпадает на поверхность выработки и стекает в устойство сбора 5. После очистки от примесей в механическом фильтре 6 бактериальная сус-пенизя посредством перекачного насоса 7 подается в емкость 1 для ее восстановления и повторного использования.

Очищенный

SoxkjA

~ :Н<?>

*4

СИц +5ojfyx

TTb.J

Рис.2 Схема биоутилизации СН4 в горной выработке

Рис.3 Схема автономного биологического фильтра

Автономный биологический фильтр можно использовать с приенением специальной камеры, в которой происходит распыление бактериальной суспензии и принудительного нагнетания в нее метановоздушной смеси из выработки с помощью специальных устройств, например вентилятора, и выпуск очищенного воздуха в горные выработки. Автономный биологический фильтр может быть установлен как в горизонтальных, так и в наклонных и вертикальных выработках.

Автономный биологический фильтр может быть использован для борьбы с суф-лярными выделениями метана (рис.З) путем отвода выделяющегося метана из зоны 8 суфлярного выделения в камеру 9 этого фильтра.

Эффективность г} применения биоутилизации метана с бактериальной суспензией в виде аэрозоля по сравнению со способами, в которых суспензия распределяется по поверхностям, может быть оценена как

г) « 1^эфф

1 Я

где Яуфф - эффективней радиус шаровой

поверхности с площадью, равной суммарной площади поверхностей с распределенной на них бактериальной суспензией; средний радиус капель жидкого аэрозоля.

к-

Радиус капель не может быть слишком малым, так как при перенасыщении пара Бп, превышающим значение 5, рассчитанное по уравнению Кельвина:

1п5 =

Рп

Р(Т)

оо

26М ЯТрг

где 5 - перенасыщение пара, соответствующее равновесному давлению пере насыщенного пара над каплей;

Рп - давление насыщенного пара над каплей;

Р(Т) - давление насыщенного пара

00

над плоской поверхностью;

б - поверхностное натяжение;

М - масса моля жидкости;

К - универсальная газовая постоянная; Т - температура; р - плотность жидкости; г - радиус капли капли будут увеличиваться в размере.

Перспективу увеличения эффективности биоутилизации открывает электризация аэрозоля, так как заряжение капле приводит к изменению вида зависимости перенасыщения пара:

М

ЯТр

26 ц2 Нлг2

в

где q - заряд капли аэрозоля, что позволяет обеспечить стабильность существования аэрозоля в насыщенном (Я - 1) и даже в перенасыщенном паре (5 < 1).

Ш'ШИШС необходимо отметить, к подход, описанный выпри разработке рекомен-^оутилизации СН4 в угольных В настоящее время результаты используются на шахте Лейко-

ма Украины АО ” Павл ода руголь" (СНГ) и в Индии при разработке угольных месторождений провинции Джхария.

Список литературы

■ Дшяьпй В.И., Петух А.Г1. и др. Шахтные экспериментальные исследования микробиологическо-ыетана в выработанном пространстве / Сб. Техника безопасности, охрана труда и горноспа-- ЦНИЭУголь, 1979, № 12. - С.8.

X СССР № 407059, кл.Е21 Р7/00,1973.

X Ал СССР №1368446. Способ борьбы с метаном при ведении подземных горных работ / Дрындин йсмаялов А.С., Михина Т.В., Сусленков Б.Д,

Ж. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. - М.: Химия, 1972. с.

© В.АДрындин, Т.В.Михина, Ь.Д.Сусленков

В Московском государственном горном университете работает депозитарий неопубликованных материалов

Депонированная рукопись приравнивается к открытой публикации.

На депонирование принимаются работы по широкому спектру проблем горного дела, включая гуманитарные аспекты. Ограничений по объему рукописей нет.

Библиографические описания депонированных работ публикуются в Горном информационно-аналитическом бюллетене в течение 1,5 месяцев. Справки о депонировании высылаются (выдаются) не позднее чем через 4 дня со дня получения рукописи.

Требования к депонированным рукописям:

• Титульный (первый) лист не нумеруется и содержит фамилию, имя, отчество (полностью) авторов и название работы.

• Текст работы начинается со второй страницы.

• Присылайте только первый экземпляр, напечатанный через 1,5 или 2

интервала на пишущей машинке (компьютере) и хорошо различимым текстом (лента средней жирности).

• Но последней странице авторы ставят свои подписи.

• К работе прикладывается справка об авторах (ф.и.о., место работы, должность, ученая степень, почтовый адрес для переписки).

• Все материалы присылаются в редакцию горного информационноаналитического бюллетеня по адресу:

/17935, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6.