Экологические технологии утилизации некондиционных энергетических ресурсов, содержащихся в выбросах угольных шахт, для получения тепловой и электрической энергии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--© Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова,

2012

УДК 622.411.33

Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ НЕКОНДИЦИОННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ВЫБРОСАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ, ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Предложено решение проблемы утилизации некондиционных метановоздшых потоков, выбрасываемых в атмосферу дегазационными и вентиляционными системами шахт. Даны направления по созданию малых энергетических и химических производств, использующих метановоздушные смеси с концентрацией метана от 3,5 до 30%. Предложена система управления безопасностью использования метановоздушных смесей с концентрацией метана от 3,5% и выше.

Ключевые слова: метан, некондиция, использование, энергия, химия.

Сформулированная проблема в определенной степени может быть решена в системе вузов РФ, которые пока еще обладают достаточными интеллектуальными ресурсами и имеют опыт реализации крупных комплексных проектов и научно-технических программ. Реализация проблемы позволит ученым вузов внести научный и практический вклад в решение приоритетных задач российской экономики и хоть в какой-то степени сохранить и стимулировать развитие научно-педаго-гических школ.

Оценка энергетических ресурсов не кондиционных по метану метано-воздушных смесей (МВС) содержащихся в вентиляционных и дегазационных потоках и возможный объем их извлечения и утилизации для создания и развития комплекса предприятий малой энергетики и химии в угольной промышленности свидетельствует об актуальности данной проблемы.

Проблема утилизации метана некондиционных дегазационных и вентиляционных метановоздушных потоков шахт носит экологический, экономический, технический и социальный аспекты. В настоящее время рассматриваются различные пути утилизации, но технически и экономически не все предлагаемые технологии осуществимы.

В данной работе, рассматривается ряд технологических решений по организации технологических процессов направленных на выпуск химической и теплоэнергетической продукции, получаемой из метановоздушных смесей дегазационных и вентиляционных систем шахт с более низкими концентрациями метана, чем традиционно принято считать безопасными. Разработки доведены до типовых проектов и базируются в основном на серийно выпускаемом оборудовании заводами отечественного машиностроения, в частности АО «Пензахиммаш» и АО «Уралхиммаш», Коломенский машзавод и др.

На сегодня ежегодно добывается дегазационными системами шахт порядка 420-470 млн м3 метана и 4,5-5 млрд м3 выносится вентиляционными системами. Используется порядка 12-15 % метана, извлекаемого только дегазационными системами, что касается вентиляционных потоков, то они выбрасываются полностью в атмосферу.

В настоящее время известны, научные проработки по созданию технологий и средств использования метановоздушных смесей в «малой» энергетике и химии для получения тепла, электрической энергии, метанола, октамикса, ацетилена, технической сажи, формальдегидов и моторного топлива.

Экономический аспект научных проработок - получение ряда новых продуктов из утилизируемого метана, имеющих рыночный спрос и самостоятельную потребительскую цену, обеспечивающую окупаемость затрат.

Экологический аспект - исключение выбросов в атмосферу, снижение парникового эффекта, улучшение экологии.

Социальный аспект - создание новых рабочих мест, что важно при реструктуризации угольной промышленности, повышение безопасности работ.

Технический аспект - технологии базируются на серийно выпускаемом оборудовании отечественными заводами.

Рыночный аспект - товарная продукция (электрическая энергия, теплота, метанол, метан, октамикс, формальдегиды, ацетилен, техническая сажа, моторное топливо) пользуются высоким спросом на внутреннем и внешнем рынке.

Прямое использование метановоздушных смесей (МВС) дегазационных систем шахт для химических производств обуславливает узкую область его применения. В случае же получения из МВС

чистого метана с последующим его использованием в различных сферах химического производства значительно расширяет круг его использования. Для получения чистого метана разработан процесс, основанный на конверсии метана методом выжигании кислорода из МВС с последующей подготовкой газовой смеси для низкотемпературного блока разделения. Для этого процесса проведена работа в объеме проекта, выполнена конструктивная проработка основного технологического оборудования получения жидкого метана.

Жидкий метан при атмосферном давлении имеет температуру кипения около минус 162 оС. Его объем при этом в 600 раз меньше объема газа при нормальных условиях. Это позволяет транспортировать его на значительные расстояния и использовать в качестве топлива для транспортных средств.

Мощность производства метано-моторного топлива из МВС при продолжительности работы установок 317 дней в году составляет 5187 тдж.

Отработанные катализаторы конверсии МВС и метанирования отправляются на переработку на комбинат «Южуралникель».

Низкотемпературное разделение МВС с получением метана в газообразном виде с давлением 0,4 МПа и дальнейшим дожатием его на АГНКС до 25 МПа обеспечивает заправку автомобилей.

Основные направления использования некондиционного шахтного метана:

- энергетическое использование: газомоторные силовые установки, газотурбинные установки, газовые турбины, топливные элементы, котельные;

- использование в качестве сырья для производства химических продуктов: метанола и синтетического моторного топлива, ацетилена, октамикса, формальдигидов, технической сажи.

Газомоторные силовые установки

Современная инженерная практика пришла к выводу, что наиболее эффективны для использования шахтного каптированного метана блочные газомоторные автоматические силовые установки [1]. Силовые газомоторные установки могут быть снабжены теплообменниками-утилизаторами тепла, что делает их малыми ТЭЦ.

Такие малые ТЭЦ имеют высокий электрический и общий КПД, большой ресурс и работают без постоянного присутствия че-

ловека. Они являются потребителями метана, спрос которых не зависит от сезонов.

В последние десятилетия разработкой и поставкой таких газомоторных электростанций и занимаются ведущие моторостроительные фирмы мира: «Дойц» (Германия), «Енбахер» (Австрия), «Катерпиллар» (США).

Как следует из сказанного выше, что наиболее рационально в техническом и экономическом смысле использовать шахтный каптированный метан для совместного генерирования электроэнергии и тепла с применением блочных газомоторных установок - малых ТЭЦ, комплектуемых числом агрегатов, зависящим от количества каптируемого метана, работающих параллельно с энергосистемой района и тепловой системой шахты.

Достоинства газомоторных силовых установок в форме малых ТЭЦ следующие:

- высокий КПД, не уступающий КПД крупных паросиловых установок, работающих на высоких параметрах пара, - 0,35-0,4 по электроэнергии и общим КПД, включающим теплоту, 0,85-0,9;

- низкая цена одного киловатта установленной мощности;

- высокий общий ресурс (200 000 часов);

- полная автоматизация работы;

- простая организация серийного производства на базе серийных судовых и транспортных дизелей;

- возможность блочно-контейнерного исполнения и перебазировка, простотой монтажа на шахте, не требующий значительных строительных работ;

- экологическая чистота по выбросам в атмосферу и шумности;

- возможность работы на шахтном каптированном метане -смеси метана с воздухом при концентрации от 5 % и выше.

Приводные газовые двигатели силовых установок снабжаются автоматическими газовыми питающими устройствами, которые корректируют изменения концентрации и давления метана в каптируемой газовоздушной смеси, поступающей из системы дегазации действующей шахты или газоотсасывающей скважины закрытых шахт. Это обеспечивает устойчивую работу, несмотря на возможные изменения содержания метана в топливном газе в пределах 3,5-30 % и колебания давления от 0,01 до 0,5 бар.

При концентрациях от 5 % и выше метановоздушная смесь энергетически полноценна вне зависимости от концентрации.

Установленное правилами безопасности ограничение нижнего предела концентрации - 25 %, обусловлено невозможностью сжигания метановоздушной смеси при взрывоопасных концентрациях от 5 до 16 % в топках котлов и газовых турбинах, требующих высокого давления подаваемого газа. Это ограничение носит физический характер и не может быть обойдено. Оно обусловлено непрерывной связью зоны горения с питающим трубопроводом и, следовательно, с шахтой. Это делает предпочтительным применение силовых установок с четырехтактными газовым двигателями внутреннего сгорания, которые могут работать на каптированном метане с концентрацией от 5 до 30

о/ %.

В силовых установках с газовыми двигателями в принципе могут использоваться каптированные метановоздушные смеси с концентрацией выше 5 %. Порционное сжигание метановоздушной смеси исключает возможность передачи взрыва из цилиндра двигателя в трубопровод, заполненный взрывоопасной смесью и по нему в шахту.

В аварийных условиях отказ впускного клапана газового двигателя может передать взрыв в питающий трубопровод только при отсутствии пламепреграждающего устройства - пламепреградите-ля. Ограничение по минимальной концентрации для газомоторных ТЭЦ носит временный характер, т. к. оно не связано с физикой работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и при надежном пламепреградителе должно быть снято.

Мощность ТЭЦ должна выбираться не потребляемой шахтой мощностью, а дебитом метана, которое необходимо отсасывать для обеспечения взрывобезопасности шахтной атмосферы, т.к. ТЭЦ включаются в энергосистему, имеющую практически неограниченную мощность.

Газотурбинные установки

Газотурбинные силовые установки существуют двух видов:

- без подогрева рабочей смеси, поступающей после сжатия компрессором в турбину;

- с подогревом рабочей смеси.

Газотурбинные установки без подогрева рабочей смеси могут быть автоматизированы, однако имеют низкий КПД (примерно 20 %), требуют предварительного сжатия газовой смеси до нескольких атмосфер, что связано со значительными затратами мощности при работе на смесях с низкой концентрацией метана.

Газотурбинные установки с подогревом рабочей смеси могут быть автоматизированы, имеют более высокий КПД (25-28 %), но также требуют предварительного сжатия рабочей смеси, что также связано с затратами мощности.

В современной технике известны примеры сооружения газотурбинных установок мощностью несколько тысяч киловатт, но они не получили распространения, т. к. для подачи в камеру сгорания турбины топлива в виде метановоздушеной смеси приходится предварительно сжимать её в больших объемах из-за воздушного балласта дожимным компрессором высокого давления, требующим электропривод большой мощности. Это делает такой путь невыгодным. Для предотвращения перегрева лопаток и статора турбины газ должен гарантированно подаваться с постоянной теплотворной способностью и приходится мириться с уменьшением мощности и КПД. Электрический КПД газотурбинной установки равен 30 % (для класса мощностей 2 МВт) что явно ниже, чем у газового двигателя [2].

В газотурбинной установке доля получаемой электроэнергии меньше чем тепловой, а так как тепло в основном используется в зимнее время, то шахтный метан не будет полностью использован.

Газотурбинные силовые установки могут быть использованы в случае появления источников каптированного метана с большими дебитами и в том случае, если промышленность сможет за умеренную цену создать установки, оборудованные дожимными компрессорами для повышения давления метановоздушных смесей до 2550 бар необходимых для газовых турбин, созданных на базе авиационных двигателей.

Следует отметить, что современная газовая турбина и особенно турбина с паротурбогенератором «в хвосте» - совершенная машина с высоким КПД и отказ от ее использования в шахтной практике обусловлен тем, что современные газовые турбины, состоящие из воздушного компрессора, камеры сгорания и собственно газовой турбины, хорошо подходят для работы на жидком топливе (соляре) и природном сетевом газе высокого и среднего давления, т. к. подача топлива в камеру сгорания осуществляется под давлением 20-25 кг/см2 и легко осуществляется при использовании жидкого топлива и сжатого природного газа, получаемого из газовой сети.

Для газовых турбин требуется создание специальных камер горения, которые в настоящее время проходят доработку и опроба-цию.

Топки котлов

Метан угольных пластов использующийся на электростанциях как дополнительное топливо, благоприятно влияет на процесс горения и снижает эмиссию вредных веществ [2].

В паротурбинных установках газ сжигается в топке парового котла, а первичным двигателем служит паровая турбина. Паротурбинные установки малой мощности имеют низкий КПД, громоздки, трудно поддаются полной автоматизации.

Котельные шахт являются поставщиками тепла. Их потребность в топливе зависит от сезонов, и это обстоятельство не даёт возможности использовать весь поток метана, обусловленный необходимостью обеспечить условия взрывобезопасности шахт.

Сжигание каптированного метана угольных шахт в котельных для получения только тепла нерационально, т.к. каптированный метан является превосходным экологически чистым топливом для силовых газомоторных и газотурбинных установок, генерирующих электроэнергию и тепло.

Использование метана, удаляемого из шахты вентиляцией, как источника энергии весьма соблазнительная задача хотя и связана с большими трудностями, преодоление которых дает значительный эффект [3].

Повышение концентрации метана в исходящей струе до 3,5 % и подача её в газовую турбину с предварительным подогревом в специальном теплообменнике, что требует создания специальной выносной камеры горения, которая фактически создана и подлежит испытаниям.

Установка на исходящей струе каталитического реактора или реактора с реверсированием потока, в котором осуществляется окисление метана вентиляционного воздуха и получение тепловой, а затем и электрической энергии, пока имеет расход МВС не более 300 м3/мин, а действующие шахты имеют вентиляционные установки производительностью от 300 до 1000 м3/с.

Попытка осуществить этот принцип делалась в России и США, но положительного результата достигнуть не удалось. Надежду на успех такой технологии даёт создание в США об-

разца реактора, испытание которого и технико-экономический расчёт рентабельности дали положительные результаты [3].

Производство метанола и синтетического моторного топлива

Использование шахтного метана для получения метанола СН4ОН и синтетического дизельного топлива до сих пор не велось в больших масштабах, т. к. для этого не имелось достаточного количества метана [4, 5].

Для организации конкурентоспособного производства необходимо большое количество шахтного метана, которое шахты не могут поставить.

Производство метанола [5]: качество СН4 > 90 %, расход газа -0,75 м3/мин, - минимальная потребность в газе для рентабельной работы установки 8300 м3/ч

Производство синтетического моторного топлива: качество газа - концентрация > 90 %, расход газа 1,5 м3/мин, минимальная потребность в газе для рентабельной работы установки 20 000 м3/ч.

Рыночные возможности в области метанола и синтетического моторного топлива в то же время имеются, т. к. эти топлива по своим эмиссионным показателям имеют преимущество по сравнению с обычным дизельным топливом [3, 5].

Получение химических продуктов

Из шахтного метана так же как и из природного газа могут быть получены ценные продукты: формальдегиды, ацетилен, октамикс, техническая сажа. сероуглерод, хлороформ, синильная кислота и т. д.

Химическая переработка метана осуществляется на специальных химических предприятиях, в изобилии обеспеченных природным газом, организация которых на шахтах не вписывается в технологию горного производства, но имеет определенные перспективы.

Шахтный метан с более низкой концентрацией может быть в принципе обогащён путём низкотемпературной ректификации и адсорбцией под давлением. Обычно эти технологии не эффективны в стоимостном отношении, однако производство LPG (Leitungspipe gas - газ газовых трубопроводов) реализовано и испытано в США. При этой технологии может быть получен ещё

и нужный продукт - СО2 . Но ни сведений об испытании, ни оценки возможности реализации на рынке нет [3].

Метан вентиляции может быть использован в качестве дутьевого воздуха топок, этот способ технически более прост и коммерчески опробован, но его эффект в снижении тепличного эффекта ограничен, поскольку его использование требует больших инвестиций в сооружения рядом с вентиляционным стволом шахты.

Использование вентиляционного воздуха шахт в качестве дутья в газотурбинных установках - будущий вариант использования метана угольных шахт. Здесь весь содержащийся в воздухе метан (концентрация ниже 1,0 %) будет использован [2].

Термическое разложение метана в реакторах с неподвижным катализатором с получением теплоты является интересным способом, уже применяемым в широких масштабах в других отраслях промышленности [4].

Между этими крайними технологиями находятся турбины «бедного газа», которые могут использовать газ низких концентраций [3].

Мембранно-центробежные концентраторы метана -средство повышения концентрации метана в вентиляционном воздухе должны сыграть свою роль в увеличении экономического потенциала использования метана вентиляционного воздуха в ряде технологий.

Самым энергоёмким объектом на шахте является калориферная установка, обеспечивающая подогрев подавае-мого для проветривания в шахту воздуха до температуры +2 оС и выше.

Для обеспечения безопасных условий утилизации не кондиционных метановоздушных смесей в промышленных установках создан специальный комплекс сбора, подготовки и распределения МВС по потребителям

Автоматизированный комплекс оперативно-диспетчерского управления безопасностью транспортной схемой и установками промышленной утилизации не кондиционного шахтного метана представлен на рисунке.

В состав комплекса входят устройства осушения, очистки от пыли, обогащения, поддержания необходимого давления, а также измерения содержания метана, углекислого газа, температуры,

влажности, дебита и давления метановоздушной смеси (МВС) в газораспределительной системе.

Решаемые задачи комплексом:

- регулирование режима работы источников метановоздуш-ных смесей с целью поддержания необходимых параметров дебита и содержания метана подаваемого в технологические установки МВС;

- регулирование уровня обогащения МВС метаном поступающей в установки из транспортной сети;

- обеспечение эффективной и безаварийной эксплуатации технологических установок;

- управление электроприводами задвижек и клапанов транспортной сети и технологических установок;

- контроль режима работы источников поступления метано-воздушной смеси в транспортную сеть;

- контроль режимов работы потребляющих технологических установок;

- обработка и представление оператору информации о режимах работы источников метана и потребляющих установок, о работе механизмов;

- учет расходов МВС по источникам и потреблящим установкам в целом;

- составление отчетной документации о работе каждой установки;

- ведение журналов учета работы и простоев механизмов;

- ведение журнала аварий,

Технологическая схема системы сбора, подготовки, транспортировки и использования метана, извлекаемого из угольных пластов

- организация производственно-технологической диспетчерской связи. Применяемое оборудование в комплексе.

Рекомендуется следующий комплект изделий, входящих в комплекс:

- запорно-регулировочные задвижки типа ЗКЛПЭ;

- датчики параметров дегазации типа СРО-1;

- метанометры микропроцессорные типа ММ-2А;

- комплекс автоматизации типа КАСКАД-2;

- комплекс программно-технических средств типа ПТК КОНТАР;

- расходомеры типа ДМ;

- вакууметры в комплекте вакуум-насоса типа ВВН-2-50;

- манометры типа МТ-1218;

- устройства производственно-технологической связи с ис-кробезопасными каналами.

Для построения искробезопасной производственно-технологической диспетчерской связи предлагается применение проводной связи с использованием телефонных искрозащитных барьеров и искробезопасных шахтных телефонных аппаратов. Вид искрозащиты «Искробезопасная электрическая цепь, ia». Уровень взрывозащиты телефонных аппаратов РО Exial.

Степень защиты от воздействия окружающей среды:

- Мини АТС и искрозащитных барьеров - IP20, телефонных аппаратов - IP54.

Климатические условия эксплуатации:

Мини АТС и искрозащитных барьеров - +1 °С... +40 °С;

Телефонных аппаратов - минус 40 °С ... +40 °С.

Построение системы предлагается радиальным.

В качестве искрозащитных барьеров предлагаются барьеры с полной гальванической изоляцией (DC/DC преобразователи).

Комплекс полностью автономен и позволяет абоненту иметь связь не только с диспетчером но и с любым абонентом включенным в систему.

Расстояние от диспетчера до абонента не более 3 км.

Питание Мини АТС и барьеров - сеть переменного тока 220 В 50 Гц с автоматическим переключением на аккумуляторное питание при отключении напряжения в сети.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Новая энергия для Рурской области в Германии. Проспект Фраунгоферов-ского Института окружающей среды, безопасности, энергетики, 2000.

2. Бернд Вилленббрик. Совместное генерирование электроэнергии итепла с использованием газа из закрытых шахт Германии. Фраунхоферовский Институт окружающей среды, безопасности, энергетики. г. Оберхаузен, ФРГ 2000.

3. СеровВ.И., Бернштейн А.Е., ТужиковИ.Ф. Развитие нетрадиционных способов генерирования электроэнергии в Воркутинском угольном бассейне: Опыт и обзор. Уголь, № 4, 1994.

4. Вольфганг Рёнер. Утилизация рудничного газа в немецкой каменноугольной промышленности. Глюкауф, №1, 2003.

5. Бернд Вилленбринк. Обзор использования шахтного газа в странах мира. Публикация съезда «Шахтный газ 2000» в г. Оберхаузен, ФРГ, 2000. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ельчанинов Евгений Александрович - профессор, доктор технических наук, Ельчанинова Евгения Андреевна

Московский государственный горный университет, [email protected]