Эмиссия метана и перспективы его использования Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 10

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.С. Забурдяев, И.И. Беломойцева, 20Q1

УДК 622.411.33

В.С. Забурдяев, И.И. Беломойцева

ЭМИССИЯ МЕТАНА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Н

аучная общественность, экологи и «зеленые» бьют тревогу по поводу возможного глобального потепления, которое может привести к существенному изменению климата на нашей планете.

Природа Земли устроена так, что океаны, моря, болота, реки и озера, а также растительность земного покрова ежегодно выделяют в атмосферу и абсорбируют из нее свыше 200 млрд т углеродистых соединений. Если заложенный природой цикл атмосферных процессов сбалансирован, то уровень углекислого газа (диоксид углерода) в атмосфере остается относительно стабильным.

Однако активная деятельность человека на планете приводит к дополнительным вредным выбросам в атмосферу Земли ежегодно около 7 млрд т углерода, из которых по мнению специа-листов-экологов только 3-4 % нейтрализуется естественным путем. Такого дополнительного количества вредных выбросов углерода в атмосферу достаточно, чтобы нарушить природой созданный баланс, поскольку естественным путем не удается изъять из атмосферы избытки углекислого газа.

Другие ученые считают, что водоемы различных уровней и земная растительность могут переработать в лучшем случае только половину такой избыточной эмиссии, а вторая половина вредных парниковых газов может находиться в атмосфере Земли до 100 и более лет.

В атмосферу Земли в больших количествах выбрасываются природные газы и газообразные продукты горной и перерабатывающей промышленности, производственной и сельскохозяйственной деятельности человека. К их числу отно-

сятся прежде всего метан, диоксид углерода, оксид азота, сероводород и другие газы. С их участием в атмосфере протекают различные окислительные реакции и с ними связаны весьма важные геохимические процессы на планете, а глобальное потепление является наиболее ярким следствием этих процессов.

С начала индустриального бума, имевшего место преимущественно в западных странах, за 140 последних лет содержание СО2, СН4 и ^О в атмосфере Земли повысилось на 30, 145 и 15 % соответственно.

Многолетняя наземная регистрация температуры, а с 1979 г. с помощью системы спутников и в верхних слоях атмосферы, показывает, что за последнее столетие глобальная температура на нашей планете повысилась на 1 ^ (0,56 0С), причем в последнем тысячелетии 20-е столетие было наиболее теплым, 10 последних лет (1989-1998 гг.) - еще теплее, а 1998 год - самым теплым годом из прошедших. По мнению ученых, если ничего не предпринимать, то к 2100 году следует ожидать повышение глобальной температуры на планете Земля на 2-6 ^, причем при резком (катастрофическом) потеплении уровень мирового океана может подняться на 16-20 футов (5-6 м).

Влияние углеродосодержащих диоксида углерода (СО2) и метана (СН4) от антропогенных источников на загрязнение атмосферы Земли наиболее значимо. Их вклад составляет 84 % антропогенного загрязнения, в том числе углекислым газом -63,5 %, метаном - 20,5 %.

Относительный вклад парниковых газов в изменение климата обычно оценивается термином «Глобальный потенциал потепления» (ГПП), который указывает насколько эти газы увеличивают парниковую реакцию, а также указывает на продолжительность их присутствия в атмосфере. При этом вредное влияние метана на состояние атмосферы подтверждается тем, что при условно принятом ГПП углекислого газа, равном 1, ГПП метана составляет 21, период его полураспада достигает 11 лет, а продолжительность нахождения в атмосфере Земли превышает 100 лет. Из этого следует, что метан как парниковый газ не менее опасен, чем углекислый газ. Поэтому ниже ему уде-

лено особое внимание.

Глобальные эмиссии метана в атмосферу Земли оцениваются в 535 млн т в год, из которых 375 млн т вызваны деятельностью человека, причем 27 % глобальной эмиссии метана обусловлено производством, переработкой и потреблением ископаемого топлива (табл. 1).

Нефтегазовый сектор промышленности мира ежегодно выбрасывает в атмосферу Земли 47 млн т метана, из которых 55% приходится на долю республик б. СССР.

Эмиссия метана в воздушное пространство Земли от производства угля оценивается в 22 млн т в год, из них пятая часть выбрасывается на территории России, Украины и Казахстана, доля которых в добыче угля не превышает 9 % мирового объема угледобычи. Метановый потенциал угольных месторождений этих трех стран СНГ самый высокий в мире и составляет в среднем 8,3 кг метана на 1 т угля при средней в мире величине 4,9 кг СН4/т угля (Великобритания - 7,4, КНР - 6,7, США - 5,0, Германия - 3,6). К 2010 году ожидается подъем метановой эмиссии от мирового угля до 28 млн т метана в год.

Под метановым потенциалом в данном случае понимается средняя величина метановыделения непосредственно из угля отрабатываемого пласта, хотя при подземной разработке угольных пластов имеются и другие источники метана.

Поэтому в реальных условиях шахт необходимо к метановому потенциалу приплюсовывать величину удельного метановыделения из нерабочих угольных пластов и выработанных пространств, из которых метан поступает в действующие выработки шахт. Эта прибавка зачастую значительно превосходит исходную величину метановыделения из отрабатываемо-

го пласта. Так, объемы удельного метановыде-ления на современных глубинах подземной добычи угля в России, на Украине и в Казахстане составляют в среднем соответственно 18,6, 24,5 и 26,4 м3/т или 13,3, 17,6 и 18,9 кг СН/т добытого угля, т.е. в 1,6—2,3 раза больше метанового потенциала разрабатываемого пласта.

Г орногеологические условия ведения горных работ в шахтах наряду с метанонос-ностью угольных пластов и объемами угледобычи предопределяют объемы выделения метана как в отдельных шахтах, так и в угольных регионах. Об этом, например, свидетельствуют данные об эмиссии метана в основных угледобывающих странах СНГ, приведенные в табл. 2. Падение в 2,3 раза уровня подземной добычи угля в 1998 г. по сравнению с 1990 г. привело к пропорциональному снижению объемов выделяющегося в шахтах метана. Эмиссия метана на угольных разрезах обычно не превышает 3—5 % суммарного удельного метановыделения от подземного и открытого способа добычи угля.

Нынешние объемы вредных выбросов метана в атмосферу Земли угольными предприятиями России, Украины и Казахстана значительно ниже уровня 1990 г. Поэтому согласно Киотскому протоколу эти страны имеют возможность заработать деньги на продаже квот на вредные выбросы парниковых газов.

При низком уровне искусственного из-

Таблица 1

АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ МЕТАНОВОЙ ЭМИССИИ

Антропогенные источники эмиссии метана Доля источника, %

Энтеритная ферментация 23,7

Рисовые поля 15

Природный газ 10,5

Уголь 7,7

Нефть 4,7

Другие виды ископаемого топлива 4,2

Сбросы твердых отходов 11,6

Другие отходы 12,6

Сгорание биомассы 10

Таблица 2

ВЫДЕЛЕНИЕ МЕТАНА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ И РАЗРЕЗАХ СНГ

Страна Добыча угля, млн.т/год Выделение метана, млн.т/год Каптаж метана на шахтах, млн т/год Исполь-зование мета на, млн т/год

шахты разрезы шахты разрезы

Россия 175,9*)/81 219,5/144,4 1,58/0,90 0,08/0,06 0,34/0,21 0,03/0,02

Украина 155,6/70,3 9,2/н.д 2,43/0,96 0,01/н.д 0,35/0,19 0,12/0,06

Казахстан 39,7/12,9 78,9/63,7 0,80/0,29 0,06/0,05 0,13/0,03 0,01/0,01

Итого: 371,2/164,2 3G7,6/2G8,1 4,81/2,15 G,15/G,11 G,82/G,43 G,16/G,G9

*) Числитель - 1990 г., знаменатель - 1998 г.

влечения угольного метана средствами дегазации (17—20 %) и практически мизерных объемах его использования, которые по угледобывающим странам СНГ составляют в среднем 20 % каптированного и 3—4 % от выделяющегося в шахтах метана, неизбежно загрязнение атмосферы Земли как прямыми выбросами метана, так и выбросами продуктов сгорания угля, объемы использования которого можно было бы сократить при утилизации шахтного метана, являющегося весьма ценным и экологически чистым энергоносителем (1000 м3 метана по теплоте сгорания эквивалентна 1,3-1,5 т угля).

Прямые выбросы в атмосферу угольного метана по странам СНГ в 1990 г. составили 6,7 млрд м3, а в 1998 г. — 3,0 млрд м3. Использовано было только 230 млн м3 метана в 1990 г. и 130 млн м3 — в 1998 г., что преступно мало как с точки зрения охраны окружающей среды, так и потери экологически чистого энергоносителя.

Самые простые и технологически отработанные способы сдерживания эмиссии шахтного метана — это современные технологии извлечения как можно большего количества кондиционного метана средствами дегазации и использование его на прилегающих к шахтам предприятиях угольной или иной промышленности.

Практика отдельных шахт в странах СНГ, работающих с дегазацией источников метановыде-ления, свидетельствует о возможности извлечения 50—55 % выделяющихся объемов метана и использования 40—45 % каптированных. В мировой практике известны случаи более высоких показателей извлечения и использования шахтного метана, причем объемы утилизированного метана достигали 80—100 % каптированного.

Выносимый из шахт вентиляционными потоками метан с низкой концентрацией также

может быть использован в установках-реакторах с реверс-поточной подачей к ним метановоздушного потока. Реакторы могут работать на тепловом или каталитическом принципе. Так, на шахте «Appin» (Австралия) с целью выработки электроэнергии построена мини-электростанция, функционирующая на выносимых из шахты вентиляционными потоками низкокалорийных метаносодержащих газов (0,1-1,0 % об.).

Идея такого способа использования метана вентиляции была выдвинута и обоснована Институтом катализа СО РАН в 80-е годы, но не была поддержана б. Минуглепромом СССР.

Наибольшие результаты в разработке и практической реализации метана, выдаваемого из шахт вентиляционными потоками, достигнуты в Канаде (Natural Resources Canada).

Поскольку в 21 веке каменному углю отводится роль основного энергоносителя, а в России 70 % шахт являются метаноопасными, то извлечению и использованию угольного метана надо уделять особое внимание. Успешное решение этих вопросов позволит повысить безопасность и продуктивность горных работ в метанообильных шахтах, рационально использовать природой заложенный в угле метан и снизить антропогенную нагрузку на атмосферу Земли.

Положительный опыт эффективного извлечения шахтного метана и его промышленного использования накоплен на шахтах ОАО «Воркутауголь», где средствами дегазации извлекается 40 % выделяющегося в шахтах метана и 20 % каптируемого метана используется (метан 4 шахт из 6, работающих с дегазацией). Максимальные показатели были достигнуты на шахте «Северная»: коэффициент извлечения метана составил 0,56, а его использования - 0,33.

На 2 шахтах «Испат-Кармет» (Карагандинский угольный бассейн, Казахстан) 43 % каптируемого метана сжигается в котельных установках, а на Украине функционирует специализированное предприятие ГОАО «НІ III Донугледега-зация», которое предварительно сжимает метан на газонаполнительной компрессорной станции до давления 20—25 МПа и использует его в качестве моторного топлива на автотранспорте.

Перспективным для шахт России, Украины и Казахстана является использование каптируемого метана для выработки электроэнергии и тепла, например, газомоторной установкой (ГМУ) на 1000 кВт и 1 Гкал/ч тепла производства фирмы «Катерпиллар» (США) или российского Коломенского завода. Такая ГМУ потребляет 6 м3/мин метана.

Опыт эксплуатации силовой газомоторной установки фирмы «Катерпиллар» на шахтах «Чертин-ская» (Кузбасс) и «Северная» (Воркута) свидетельствует об эффективности такой технологии использования метана дегазации для выработки электроэнергии.

Дегазационные системы российских шахт способны обеспечить кондиционным метаном от 2—3 до 10—15 энергетических установок мощностью 1000 кВт. Очистка каптируемого газа от азота, кислорода, влаги и диоксида углерода, которая может осуществляться с помощью установок (мини-заводов) фирмы ВССК (США), повысит процент содержания метана в подаваемом потребителю газе и расширит область его утилизации.

Совокупность новых технологий извлечения, очистки и обогащения метаном каптируемых в России метановоздушных смесей обеспечит рост объемов использования метана дегазации до 50—60 %. Но для этого необходимы деловые контакты и финансовые договоры между Угольными компаниями (шахтами), научно-исследовательским институтом и иностранными фирмами, производящими необходимое для использования метана оборудование, которого у нас пока нет.

Первоочередными объектами комплексного исследования вопросов извлечения и использования угольного метана на первом этапе могут стать: 6 шахт с дегазацией ОАО «Воркутауголь»; 4 шахты в Байдаевском геолого-промышленном

районе Кузбасса; 4 шахты в Томь-Усинском и Мрасском районах Кузбасса и 4 шахты в Оси-новском и Кондомском районах Кузбасса.

Реализация комплекса описанных выше мероприятий по дегазации шахт может обеспечить на первом этапе каптаж метана в Воркуте до 190—200 млн м3/год и довести объемы ежегодного его использования до 95—100 млн м3, а в Кузбассе соответственно до 150—160 млн м3 каптируемого метана и до 60—80 млн м3 используемого. Выбросы каптированного метана в атмосферу Земли могут быть сокращены в угольных регионах на 0,1—0,15, а в перспективе — до 0,25 млн т метана в год. Комплекс мероприятий по утилизации метана вентиляции и дегазации может привести к потенциальному снижению эмиссии угольного метана в России до 1,0 млн т/год. Это существенное снижение антропогенной нагрузки на атмосферу в пределах Воркуты и Кузбасса. Для стран СНГ этот показатель может быть доведен в ближайшей перспективе до 2,5 млн т метана в год.

Сокращение эмиссии метана нефтяной и газовой промышленности еще более актуально, поскольку по мнению экологов к 2025г. ожидается рост газовых выбросов от этой отрасли до 78 млн т/год. Основные причины роста в 1,7 раза вредных выбросов в атмосферу метана — это увеличение объемов добычи природного газа и его транспортировка на большие расстояния по трубопроводам.

Иностранные специалисты считают, что к 2010 г. возможно снижение существующей ныне эмиссии метана от нефтяной и газовой промышленности в мире на 80 % путем применения уже имеющихся технологий. Причем 45 % эмиссии метана от этого сектора промышленности можно избежать при малых или вообще без всяких затрат. Так, сжигание газов в факеле снижает эмиссию метана до 98 %, а нагнетание газов, выделяющихся при добыче нефти, в нефтяное поле сокращает эмиссию метана в атмосферу и способствует росту объемов нефтедобычи. Возможности снижения эмиссии метана в нефтяном секторе составляют 73 %.

Если эти технологии сокращения вредных выбросов метана применить в России, то ежегодное снижение выбросов метана в атмосферу может составить 11 млн т или 3 % глобальной антропогенной эмиссии метана.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

/--------------------7

Забурдяев Виктор Семенович - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.

Беломойцева Ирина Ивановна - горный инженер, научный сотрудник, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.

^/