CC BY
55
УДК 622.817.47:662.765 © Ю.Ф. Васючков, 2018
Добыча угольного метана для получения газового топлива
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-12-77-79
ВАСЮЧКОВ Юрий Федорович
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Геотехнологии освоения недр» Горного института НИТУ «МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, тел.: +7 (916) 676-50-81, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются вопросы промышленного использования угольного метана. Важным элементом технологии выработки высококалорийного газового топлива на угольных месторождениях является его добыча. Угольные пласты являются особым коллектором метана, извлечение которого для промышленных нужд ограничено низкой проницаемостью и неравномерностью его распределения в угольных пластах. Показано, что методы интенсификации мета-ноотдачи угля позволяют обеспечить утилизацию метана в углегазоэлектрических комплексах. Ключевые слова:угольный пласт, газовое топливо, обогащение сингаза метаном, методы интенсификации ме-таноотдачи угля, локальные углегазоэлектрические комплексы.
ВВЕДЕНИЕ
Россия обладает огромными ресурсами метана, сосредоточенного в угольных месторождениях. По разным оценкам, их насчитывается 60-70 трлн м3 [1]. В метановых зонах месторождений чистого угольного метана содержится 94-96%, что является экономически привлекательным. Однако сфера его промышленного освоения ограничена различием в газовой зональности угольных месторождений и низкой природной метаноотдачей угольных пластов. В промышленных запасах угольных месторождений России содержится 260 млрд м3 метана [2].
Но, несмотря на такие ограничения, проблема промышленного использования угольного метана и сейчас весьма актуальна для комплексного освоения газоносных угольных месторождений и повышения энергоэффективности углеэнергетического комплекса. Например, в США годовая добыча угольного метана в период с 1989 по 2019 г. возросла более чем в 20 раз (до 54 млрд м3), в Канаде за период с 2003 по 2010 г. - более чем в 15 раз (до 7,5 млрд м3), в Австралии с середины девяностых до 2010 г. - в 10 раз (до 5,5 млрд м3) и в КНР за этот же период - в 10 раз (до 5,8 млрд м3). В России угольный метан используется как местное топливо в котельных, калориферных установках и в установках поршневого типа.
В угольных пластах угольный метан находится в двух фазах - свободной и связанной с микропористой структурой
угля физико-химическими силами. Если свободная фаза метана (примерно 10-15% от природной метаноносности угля) достаточно легко поддается извлечению, то остальная часть связанного метана выходит из угля крайне медленно, в основном в диффузионном режиме.
Связанная фаза метана удерживается в ископаемом угле силами различной природы [3]: за счет адсорбции, твердого раствора метана в угле (абсорбции) и внутрикристал-лических связей в полимерных цепях органического материала углей.
Предложено использовать Локальные углегазоэлектрические комплексы (ЛУГЭК), вырабатывающие газовое топливо с теплотой сгорания 24 МДж/м3 из очищенного от негорючих компонентов и СО2 генераторного газа с его последующим обогащением добываемым метаном до высшей теплоты сгорания природного газа (34 МДж/м3) для использования в генерирующих газотурбинных установках комбинированного цикла (ГТУКЦ) с высшей энергетической эффективностью (КПД 50% и более) [4]. Выработка на газоносном угольном месторождении очищенного и обогащенного синтетического газа (сингаза) является технологией подготовки газового топлива для дальнейшей тепло- и электрогенерации.
Перевод традиционной углеэнергетической цепочки на выработку из метаноносных угольных пластов сингаза открывает путь к практически неограниченным углеводородным ресурсам на многие столетия вперед. Областью применения технологии ЛУГЭК являются трудноиз-влекаемые запасы угля, нерабочие угольные пласты и нарушенные участки шахтных полей.
РАСЧЕТ ПОТРЕБНОСТИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
ДЛЯ ОБОГАЩЕНИЯ ОЧИЩЕННОГО
ГАЗОВОГО ТОПЛИВА
Теплота сгорания сингаза обеспечивает проектную тепловую мощность ТЭС. В случае с обогащением сингаза угольным метаном исходной расчетной формулой мощности ТЭС служит формула:
NT = N .г + NM = Чо г • Qo г + Чм ■ QM
(1)
где: ЫТ- тепловая мощность угольной электростанции, МВт; Ыог- долевая мощность очищенного генераторного сингаза, МВт; Ым - долевая мощность угольного метана, МВт; цог- расход очищенного сингаза, м3/с; <2ог - теплота сгорания очищенного сингаза, МДж/м3; дм - расход угольного метана, м3/с; <2м - теплота сгорания угольного метана, МДж/м3. Преобразуя (1), получаем исходное уравнение численного моделирования связи расхода очищенного сингаза с расходом метана, позволяющее достаточно точно определиться с соотношением указанных двух газовых потоков:
ДЕКАБРЬ, 2018, "УГОЛЬ"
77
qM =
N - 24 • qoj 34
Потребный объем обогащения сингаза (СГ) угольным метаном (МТ)
Эти данные необходимы для проектирования технологии и оборудования наземного и подземного комплексов ЛУГЭК, а в принципе - и любой газодобывающей системы на угольном газовом месторождении.
В ходе решения задачи (2) приняты в качестве констант: теплота сгорания добываемого из скважин угольного метана 34 МДж/м3 и очищенного генераторного газа 24 МДж/м3. Численное моделирование проведено для трех значений тепловых мощностей комплекса NT = 10, 50 и 100 МВт. Результаты расчетов по формуле (2) приведены в таблице.
Сравнение трех моделей показывает, что предлагаемую технологию выработки сингаза целесообразно ориентировать на ЛУГЭК мощностью до 100 МВт, который обеспечивает локальный район или некрупную городскую электросеть.
ОЦЕНКА ДОБЫВАЕМОСТИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
Дебиты угольного метана оценивают как для дегазационных скважин угольных шахт, так и для добычи метана с целью его утилизации. Значительные исследования скорости метаноотдачи угольных пластов в процессе предварительной дегазации проведены ИГД им. А.А. Ско-чинского, МакНИИ, ВостНИИ и МГИ-МГГУ. Основной вывод таких исследований заключался в установлении закономерностей очень медленного выделения метана из угля в процессе его дегазации, низкой метанодобывае-мости вертикальных скважин с поверхности и низкой эффективности извлечения метана пластовыми скважинами предварительной дегазации под вакуумом. Типичная эффективность дегазации угольных пластов пластовыми параллельными скважинами под вакуумом не превышала 15-20%. Так, в работе [2] на основе наблюдений в шахтах Кузнецкого и Печорского бассейнов показано, что удельный дебит метана в вертикальную скважину составляет 0,18-0,5 м3/м2-сут.
Низкая природная метаноотдача угольных пластов привела к созданию методов ее интенсификации - гидрорасчленению (ГРП), гидроразрыву (ГР), физико-химической обработке ФХО (РФ), пневмокавитации (ПК) с закреплением трещин пропантами (США). Первые три метода в угольной промышленности России являются нормативными. Их эффективность по извлечению метана и снижению метано-носности пласта составляет соответственно: ГРП 35-40%, ГР 25-45%, ГРП+ФХО 60-65%.
Работы по извлечению угольного метана ведутся в США в 15 штатах [5], в том числе в Сан-Хуане, Рио-Аррибе и Коллакс-Уэстэсе, где он является важным источником экономики. Эти методы являются основой поставки угольного метана в газораспределительную сеть. Рыночная стоимость CBM 0,18 дол. США за 1 м3. Нью-Мексико в настоящее время занимает первое место в производстве и запасах угольного метана в США. Этот опыт следует внедрять, в частности, в технологии ЛУГЭК.
Работы по интенсификации метаноотдачи угольных пластов путем их под- или надработки проведены в КНР на шахте Luling угольного месторождения Sunan провинции Anhui, где осуществили добычу метана из подработан-
NT, Тип МВт газа
Расход газа, м3/с
10 СГ 0,01 0,1 0,2 0,3 0,4 При qrr < 0,4
МТ 0,29 0,22 0,15 0,08 0,01
50 СГ 0,1 0,5 1 1,5 2 При qrr < 2
МТ 1,47 1,12 0,76 0,41 0,06
100 СГ 0,1 1 2 3 4 При qrr < 4,2
МТ 2,87 2,23 1,53 0,82 0,12
Примечание: q - расход генераторного сингаза, м3/с.
ной угольной свиты пластов № 8 и № 9 общей мощностью 15,3 м с газопроницаемостью 0,0007 мД, газоемкостью 37,6 м3/т, газовым давлением 5 МПа на глубине 800 м через нижележащий пласт № 10 мощностью 1,92 м [6]. Ежемесячные дебиты скважины соста вляли 100-450 тыс. м3, т.е. ма к-симальный дебит метанодобывающей скважины при этом был равен 0,174 м3/с, соответствующий мощности ЛУГЭK 10 МВт (см. таблицу). Замеренный радиус зоны дренирования угольного пласта колебался в интервале 200-300 м.
Мировой опыт извлечения угольного метана в промышленных целях подтверждает принципиальную возможность использования во многих газоносных бассейнах России технологии ЛУГЭK и местной утилизации угольного метана
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обоснованная технология добычи угольного метана для производства высококачественного сингаза может быть рекомендована для строительства углеэнергетических комплексов ЛУГЭK в ^збассе, Печорском угольном бассейне, на газоносных месторождениях Дальнего Востока.
Список литературы
1. Малышев Ю.Н., Трубецкой ^Н., Айруни А.Т. Фундаментально-прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Издательство АГН, 2000. 519 с.
2. Метан в шахтах и рудниках России. Прогноз, извлечение, использование / А.Д. Рубан, В.С. Забурдяев, Г.С. Забур-дяев, Н.Г. Матвиенко. М.: ИПЮН РАН, 2006. 14 С.
3. Васючков Ю.Ф. Формы связи метана с углем и эффективность дегазации угольных пластов // Горный журнал. 2016. № 10. С. 82-87.
4. Васючков Ю.Ф. Отработка угольных запасов бесшахтным способом с использованием подземного сжигания пласта и получением тепловой и/или электрической энергии непосредственно на горном предприятии / Сборник докладов конференции комплексное изучение и эксплуатация месторождений полезных ископаемых». Новочеркасск, 1995. С. 28-33.
5. Coalbed Methane Extraction: Detailed Study Report. 2010 / EPA-820-R-10-022. URL: http://large.stanford.edu/ courses/2013/ph240/iskhakov1/docs/epa-820-r-10-022.pdf (дата обращения 15.11.2018).
6. Technologies for Coalbed Methane recovery in deep and multiple seams / Wang Liang, Liu Shimin, Cheng Yuanping, Yin Guangzhi, Zhang Dongming, Guo Pinkun. IJMST. China, 2017. doi: /10.1016/j.ijmst.2017.01.026 (дата обращения 15.11.2018).
78
ДЕКАБРЬ, 2018, "УГОЛЬ"
RESOURCES
UDC 622.817.47:662.765 © Yu.F. Vasyuchkov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 12, pp. 77-79 Title
extraction coal methane mining for receiving gas fuel
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-12-77-79 Author
Vasyuchkov Yu.F.1
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
Authors' Information
Vasyuchkov Yu.F., Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of'Geotechnologies of mineral resources extraction" of Mining Institute, tel.: +7 (916) 676-50-81, e-mail: [email protected]
Abstract
The paper examines the industrial use of the coal methane. An important element of the technology for producing high-calorific gas fuel in the coal fields is its mining. Coal seams are a special collector of methane, the extraction of which for industrial needs is limited by low permeability and non-uniformity of its distribution in the coal seams. The paper shows that the methods of intensification of coal methane extraction allow the methane utilization in coal-gas-electric complexes.
Keywords
Coal seam, Gas fuel, Syngas benefication using methane, Methods for intensifying coal methane yield, Local coal-gas-electric complexes.
References
1. Malyshev Yu.N., Trubetskoy K.N. & Airuni A.T. Fundamental'no prikladnyye metodyresheniyaproblemymetanaugol'nykhplastov. [Fundamentally applied
methods for solving the problem of coal seam methane]. Moscow, Academy of Mining Science Publ., 2000, 519 p.
2. Ruban A.D., Zaburdyaev V.S., Zaburdyaev G.S. & Matvienko N.G. Metan v shakhtakh i rudnikakh Rossii. Prognoz, izvlecheniye, ispol'zovaniye [Methane in mines of Russia. Forecast, extraction, use]. Moscow, IPKON RAS Publ., 2006, 14 p.
3. Vasyuchkov Yu.F. Formy svyazi metana s uglem i effektivnost' degazatsii ugol'nykh plastov [Methane-coal realtion forms and coal seam degassing efficiency]. GornyiZhurnal - Mining Journal, 2016, No. 10, pp. 82-87.
4. Vasyuchkov Yu.F. Otrabotka ugol'nykh zapasov besshakhtnym sposobom s ispol'zovaniyem podzemnogo szhiganiya plasta i polucheniyem teplovoy i/ili elektricheskoy energii neposredstvenno na gornom predpriyatii [Coal mining reserves using the mine-free technique with underground seam firing and obtaining heat and/or electrical energy directly at a mining facility]. Collection of reports of the conference "Integrated study and exploitation of mineral deposits". Novocherkassk, 1995, pp. 28-33.
5. Coalbed Methane Extraction: Detailed Study Report. 2010 / EPA-820-R-10-022. Available at: http://large.stanford.edu/courses/2013/ph240/ iskhakov1/docs/epa-820-r-10-022.pdf (accessed 15.11.2018).
6. Wang Liang, Liu Shimin, Cheng Yuanping, Yin Guangzhi, Zhang Dongming, Guo Pinkun. Technologies for Coalbed Methane recovery in deep and multiple seams IJMST. China, 2017. doi: /10.1016/j.ijmst.2017.01.026
we process the future
«
s «
413.199.509
ТОНН СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА В ГОД
Система ВМТЕС - гениальное решение, которое в течение уже нескольких десятилетий является синонимом эффективного грохочения труднопросеиваемых сыпучих материалов в различных отраслях промышленности. Динамическое движение просеивающих полотен обеспечивает высокую точность просеивания даже при работе с влажным материалом, а долгий срок службы сит гарантирует существенную экономию времени и средств.
www.binder-co.com
binder+ca~
