Энергетический потенциал угольного метана Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Л.А. Пучков, Н.Н. Красюк, Д.И. Жмуровский, 2006

УДК 622.831.023(075.8)

Л.А. Пучков, Н.Н. Красюк, Д.И. Жмуровский

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ УГОЛЬНОГО МЕТАНА

Угольные пласты и вмещающие породы являются коллекторами различных газов. В зависимости от степени метаморфизма и ряда других факторов содержание углеводородных газов в угольных пластах достигает на действующих горизонтах шахт 35-40 м3 /т, а во вмещающих породах - до 5 м3/т. Основной горючий компонент этих газов - метан (свыше 90 %), содержание других газов следующее: водород - до 0,15 %; этан - до 4,3 %; бутан - до 1,6 %; остальные углеводороды - до 0,06 %.

Многие годы проблемы угольного метана подвергались научным исследованиям и разработкой соответствующих технических, технологических и организационных решений, но в основном с позиций обеспечения безопасных и эффективных условий для горного производства. Однако, в последнее время, эти проблемы все больше связывают с необходимостью использования газа метана как сопровождающего добычу угля энергоносителя, а также как экологическую вредность, отрицательно влияющую на озоновый слой Земли в части потепления ее атмосферы.

Ресурсы угольного метана в месторождениях России до глубины 1800 м оцениваются в 100 трл. м3, в частности по Кузнецкому угольному бассейну в 13,0 трл. м3 . Опыт дегазационных работ на шахтах показывает, что практический интерес представляют запасы газа в

пределах действующих горизонтов шахт.

Извлекаемый системами дегазации газ представляет собою метановоздушную смесь с содержанием метана в оценочных пределах 5-75 %. В этом газе отсутствуют агрессивные и механические примеси, что позволяет его использовать без предварительной очистки. В то же время специфика дегазационных работ приводит к получению угольного метана повышенной влажности и нестабильного состава.

Основополагающей характеристикой угольного газа является теплота его сгорания (калорийность), которая зависит от объемной концентрации в нем метана. Теплота сгорания метана в чистом виде равна 35,6 МДж/м3 и его концентрация в шахтном газе определяет теплоту сгорания газа, что количественно отражено в таблице:

Концентрация метана, (%) 30 50 70 100

Теплота сгорания, (МДж/м3) 10,5 17,8 24,7 35,6

Мировой опыт утилизации сопутствующего добыче угля метана, показывает имеющиеся значительные перспективы использования угольного метана как энергоносителя и сырья химической промышленности. В то же время фактические показатели извлечения газа при подземной разработке угольных месторождений накладывают существенные

ограничения на эффективность и экономическую целесообразность способов использования метана.

Исходя из изложенного, нами систематизированы известные решения метановой проблемы при подземной разработке угольных месторождений по фактору эффективности извлечения и утилизации угольного метана.

Прежде всего следует отметить отрицательную составляющую эффекта, обусловленную воспламенениями,

взрывами и внезапными выбросами угольного метана, приводящими к крупным авариям в шахтах.

При извлечении и утилизации уголь-ого метана положительный эффект формируется за счет:

• повышения безопасности горных работ и соответствующего роста показателей добычи угля;

• снижения эмиссии парниковых газов во внешнюю атмосферу;

• использования энергетического потенциала газа метана.

Формализованная модель формирования эффекта от извлечения и утилизации метана (Эм) при разработке газоносных угольных месторождений может быть представлена в виде:

Эм = Эб + Эж +/- Ээн (1)

где Эб, Ээк и Ээн - соответственно составляющие безопасности, экологии и энергетики.

Извлечение метана системами дегазации снижает газообильность в зонах горных работ и в любом случае обеспечивает положительное значение первой составляющей в выражении (1).

Применение даже простого сжигания газа из систем дегазации обеспечивает положительное значение второй составляющей в выражении (1).

Более сложной является интерпретация третьей составляющей. Нами был выполнен анализ статистического материала по соотношению затраченной и полученной энергии при использовании энергетического потенциала угольного метана по зависимости:

Н = ^ - Эзат^~ Эпол. ^ _ 100% (2)

где Эзат и Эпол - соответственно затраченная на извлечения газа и его утилизацию энергия и полученная энергия в результате использования метана.

Графическая интерпретация зависимости данного коэффициента от качества угольного метана для различных способов утилизации газа представлена на рис. 1. Из графиков видно, что наиболее эффективным по энергетическому критерию является использование угольного метана в качестве топлива мобильных электростанций, устанавливаемых непосредственно у источника газа (возле скважины). Но даже при этом способе эффективность использования энергетического потенциала метана достигает лишь 60-70 %, то есть является отрицательной.

Нами был выполнен анализ энергетической составляющей выражения (1) с целью превращения его в положительную величину.

Энергетическую составляющую эффекта от извлечения и утилизации угольного метана можно представить в виде:

Э = Э + Э (3)

^эн ^эн.пр ' ^ эн. кос \у)

где Ээн.пр - эффект от производства различных видов энергии; Ээн.кос - эффект от повышения технического

н, %

2 - в шахтных котельных;

3 - в газовых турбинвх;

4 - в качестве моторного топлива;

5 - в мотор-генераторных электростанциях с газосборным коллектором;

6 - в м отор-ге н ерато р н ы х электростанциях, установленных на скважине.

Рис. 1. Зависимость коэффициента эффективности утилизации шахтного газа от содержания в нем метана (для различных способов утилизации)

Энерговооруженность оборудования, квт.

Рис. 2. Влияние энерговооруженности горно-шахтного оборудования на надежность производственных процессов на выемочном участке

1---Техническая производительность, т/сут

2— Эксплуатационная производительность, т/сут

Прирост энерговооруженности, %

1---Прирост технической производительности, %

о _

*---Прирост эксплуатационной производительности, %

Рис. 3. Влияние энерговооруженности горно-шахтного оборудования на интенсивность горных работ

уровня производственных процессов за

счет увеличения их энерговооруженности.

= Х Ээ|

(4)

где г = 1 - рост показателей добычи угля; г = 2 - увеличение ресурса горношахтного оборудования; г = 3 - повышение надежности (снижение затрат на обслуживание

Рис. 3. Влияние энерговооруженности горно-шахтного оборудования на производительность труда

и ремонт) оборудования технологических процессов.

Эзн.кос.,- = К , -ДЭВ, (5)

где Кз - коэффициент эффективности прироста энерговооруженности; ДЭВ -прирост энерговооруженности технологического процесса.

По предложенной методике нами выполнены исследования влияния прироста энерговооруженности технологических процессов на изменение показателей технического уровня производственных про-

цессов в шахте. Исследования выполнены на высокопроизводительных выемочных участках, оснащенных современным горношахтным оборудованием, табл. 1 и 2.

Результаты исследований приведены на графиках, рис. 2-5.

Коэффициент эффективности прироста энерговооруженности технологических процессов оценивался по критериям увеличения надежности процесса, интенсивности горных работ, производительности труда, ресурса горношахтного оборудования. Значения этого ко-

эффициента, определенные для условий, приведенных в табл. 1 и 2, представлены в табл. 3.

Таблица 1

Сравнительная таблица энерговооруженности и ресурса очистных механизированных комплексов

Тип оборудования Кол-во Пл. двигателей на машине Общая мощность Пл. двигателей на машине, кВт Техническая производи- тельность, т/час % от максимальной производительности Общая энерговоору- женность комплекса % от общей энерговооруженности Ресурс до кап. ремонта, тыс. т

«Джой» SL-300 AFC 2х112 2х275 2х35 1х75 2х300 224 627,5 600 1000 1000 100 100 2206,5 10,2 28,4 27,2 3500 4500

SBL 1х150 1х150 300 1000 100 - 13,6 4500

«Гварек-1200» 2х200 1х55 455 1000 100 - 20,6 -

М-144 2х90 2х3 186 - - 1151 16,1 -

1КШЭ-У 2х200 2х27 454 540 75 - 39,4 600

«Анжера-26» ПТК-1 3х110 1х55 330 555 720 360 100 50 - 28,6 4,7 1500 500

«Гварек-100» 2х55 1х16 126 650 90,2 - 10,9 -

М-142 2х90 2х3 186 - - 1572 11,8 -

КГС-445 2х250 1х60 560 1000 100 - 35,6 1200

«Рыбник-255» «Грот» 2х250 1х200 500 200 1000 1000 100 100 - 31,8 12,7 2500 2500

«Гварек-100» 2х55 1х16 126 650 65 - 8 -

М-138 2ГШ-68 «Анжера-26» ПСП-26 2х55 2х160 3х110 2х110 110 320 330 220 300 720 720 41,6 100 100 1200 9,1 26,6 27,5 18,3 500 1500 1500

Таблица 2

Сравнительная таблица затрат на техническое обслуживание и ремонт очистных механизированных комплексов различной энерговооруженности

Тип комплекса Стоимость в млн.руб. Энерговооруженн ость, кВт Средние эксплуатационные затраты в год на срок службы, млн руб % от стоимости комплекса

Зап. части Техническое обслуживание Капитальный ремонт Всего

«Джой» Лава 25-85 270,95 2032,5 1,83 4,32 - 6,15 2,3

КМ-144 лава 809 81,14 1055 11,8 8,3 18,4 38,5 47,6

КМ-142 лава 13-59 93,0 1436 14,3 8,3 18,0 40,6 43,7

КМ-138 лава 1733 55,55 850 8,2 6,2 6,40 20,8 37,9

Глиник лава 20-73 140,0 1600,0 6,2 5,0 - 11,2 2,55

МКЮ411/32 лава 29-31 120,0 1400,0 14,2 9,9 18,8 42,9 35,8

2УКП5 лава 10-5-2-7 99,5 1095,0 12,3 12,4 22,3 47,0 47,5

ДБТ Лава 68-12 196,0 1860,0 2,7 5,9 - 8,6 4,4

LONGWALL лава 5а-10-14 202,0 1900,0 3,2 5,9 - 9,1 4,5

1ОКП-70 лава 912 65,0 720,0 9,2 7,0 19,5 35,7 55,0

2ОКП-70 лава 813 72,0 950,0 11,2 7,0 21,4 40,2 55,9

Таблица 3

Значения коэффициента эффективности прироста энерговооруженности технологических процессов

№пп Критерий оценки Значение коэффициента

1 Нагрузка на очистной забой 1,0 - 1,2

2 Производительность труда рабочего по добыче 3,0 - 5,5

3 Ресурс оборудования 4,5 - 6,0

4 Надежность технологического процесса 2,1

Следовательно, по всем рассмотренным критериям эффективность прироста энерговооруженности технологических процессов является величиной положительной и, в основном, существенно превышает 100 % (находится в пределах 100— 600 %).

Приведенные данные свидетельствуют

о том, что использование энергетического

потенциала сопутствующего добыче угля метана в чистом товарном виде дает отрицательный эффект.

Использование этого потенциала в технологическом цикле шахты для повышения энерговооруженности технологических процессов по добыче угля дает значительный положительный эффект.

Следовательно, при таком подходе к использованию энергетического потенциала угольного метана, составляющая Ээн в выражении (1) становится положительной.

Эффективная практическая реализация предложенной концепции использования энергетического потенциала угольного метана предполагает создание комплексных технологий извлечения и утилизации шахтного газа. При этом ос-

Стоимость оборудования, млн.руб. Рис. 5. Влияние стоимости оборудования на его энерговооруженность

новная проблема состоит в согласовании параметров источников газа и его потребителей. Для условий шахт Центрального района Кузбасса нами выполнен анализ источников угольного метана в указанной постановке, рис. 6.

В качестве параметров источников газа приняты расход газа из единичного источника и содержание метана в извлекаемом газе.

Распределение суммарной мощности источников газа по содержанию метана

Распределение количества извлекаемого метана по мощности источников

180

1 2 3 4 5 6 7

концентрация метана, %

1 - концентрация метана свыше 10% - топливо для

двигателя внутреннего сгорания;

2 — свыше 30% - открытое сжигание.

Рис 6. Характеристики источников угольного метана для промышленной утилизации газа

Годовой расход электроэнергии 1057 млн. кВт. час— 100%

м \ г

По шахтам 80% По прочи“ в предприятиям 19,3%

і

г г

Стационарные установки 58,3%

Забойное оборудование и внутришахтн. транспорт __________22,5%__________

Рис. 7. Структура электропотребления угольной компании с учетом использования энергетического потенциала угольного метана

Параметры потребителей угольного метана определяются соответственно минимальным расходом газа и допустимой минимальной концентрацией метана.

Исследованиями установлено, что при использовании апробированных нами технологий утилизации угольного метана до 90 % суммарной мощности источников можно отнести к энергетическому потенциалу газа. Этот объем газа с учетом параметров шахтных потребителей производимой энергии позволяет увеличить энерговооруженность шахт в среднем на 20 %, рис. 7.

-----СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пучков Л.А., Красюк Н.Н. Угольный метан в малой энергетике.- М.: Горный журнал, Специальный выпуск №1, 2004.

2. Пучков Л.А., Красюк Н.Н., Золотых С.С. Опыт и перспективы использования

угольного метана. - М.: Издательство МГГУ. 2004. - 48 с.

3. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Федунец

Б.И. Перспективы добычи метана в Печерском угольном бассейне. - М.: Издательство МГГУ. 2004.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------

Пучков Лев Александрович - член-корреспондент РАН, ректор Московского государственного горного университета,

Красюк Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой Московского государственного горного университета,

Жмуровский Дмитрий Иванович - объединение «Ленинскуголь».