CC BY
42
УДК 504.064.4
ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УТИЛИЗАЦИИ МЕТАНО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ
В.В. Соловей, профессор, д.т.н., Н.В. Внукова, доцент, к.геогр.н., С.А. Коверсун, преподаватель, ХНАДУ
Аннотация. Показана необходимость утилизации метано-воздушных смесей и дальнейшее их использование.
Ключевые слова: метано-воздушная смесь, сверхбедные смеси, вентвыбросы, эндо-эргические реакции.
Введение
До недавнего времени шахтный метан рассматривался как неизбежное зло при добыче угля и извлекался лишь с целью предварительной дегазации пластов, а также с вентиляционным воздухом в процессе добычи угля. В последние годы отношение к шахтному метану изменилось, и он начал извлекаться как самостоятельный вид топлива. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в США, где в течение последних 15 лет добыча шахтного метана увеличилась более чем в 12 раз и достигла 12,5 млрд. м3/год. В табл.1 приведены данные о запасах метана угольных пластов в основных угледобывающих странах [1].
Таблица! Запасы метана в угледобывающих странах
№ пп Страна Запасы шахтного метена, трлн., м3
1 Россия 113
2 Китай 35
3 Канада 17,6
4 Австралия 14,2
5 США 11,3
6 Г ермания 2,8
7 Польша 2,8
8 Украина 1,7
9 Казахстан 1,1
10 Индия 0,9
Из приведенных данных следует, что Украина, занимая 8-9 место в мире, располагает существенными запасами метана угольных пластов.
Анализ публикаций
Ежегодно в Украине извлекается до 500 млн.м3 метана, а используется менее 5 % в основном в качестве топлива в шахтных котельных. Лишь метано-воздушная смесь с концентрацией метана более 20 %, находит практическое применение. Остальной метан, а также метан вентиляционных
выбросов шахт попадает в атмосферу. Объем выбросов метана в атмосферу оценивается в 2,5 млрд.м3 в год. В этом случае парниковый эффект, эквивалентен эффекту от выбросов продуктов сгорания почти всего объема природного газа, потребляемого в Украине.
Экологический ущерб от выбросов 1000 м3 метана в атмосферу оценивается в 0.78 грн. Аналогичный показатель для продуктов сгорания такого же количества метана не превышает 0,06 грн. Из приведенных данных следует, что экологический ущерб существенно снижается при окислении метана, следовательно, проблема создания эффективных средств для проведения реакции окисления является актуальной.
Бедные и сверхбедные метановоздушные смеси являются, с одной стороны, загрязнителями окружающей среды, а с другой - их следует рассматривать как потенциальный энергоноситель.
Данные экспериментов свидетельствуют о том, что воздух с содержанием 0,75 % метана (что соответствует верхнему регламентированному по технике безопасности концентрационному пределу содержания метана в шахтных вентвыбросах) может быть нагрет до 300 °С за счет химической энергии, содержащейся в указанном количестве метана и высвобождающейся при окислении кислородом воздуха при соответствующем инициировании процесса.
Цель и постановка задачи
Цель исследования: предложить технологию плазмохимического инициирования процесса окисления бедных метановоздушных смесей, осуществляемая, за счет генерации термодинамически неравновесной плазмы с помощью высокочастотного барьерного разряда, которая позволит не только полностью компенсировать затраты энергии (5-10 Вт/м3), необходимые для инициирования и стабилизации процесса горения, но и получить дополнительное
количество теплоты, пригодное, по-своему температурному потенциалу, для отопления и удовлетворения коммунально-бытовых нужд.
Обоснование предложенной технологии
Интерес к неравновесным плазмохимическим процессам, стимулированным колебательным возбуждением основного электронного состояния реагентов, связан с возможностью достижения в них наиболее высокой энергетической эффективности (КПД) эндоэргических реакций [2]. Высокие КПД неравновесных процессов является следствием селективности, т.е. локализации энергии, вкладываемой в разряд, лишь на одном выделенном канале реакций. В разрядах умеренного давления при температурах электронов 1 - 3 эВ большая часть мощности разряда расходуется на возбуждение колебательных уровней молекул. Колебательно-возбужденные молекулы (КВМ) достаточно медленно дезактивируются при столкновениях и в тоже время быстро вступают в химические реакции, что позволяет направлять большую часть энерговклада в нужные химические превращения.
Теория элементарных процессов позволяет найти кк(Е) лишь в отдельных, простейших случаях [3]. Экспериментальные результаты исследования реакционной способности колебательно-возбужденной молекулы обычно представляются в терминах так называемых коэффициентов использования колебательной энергии - а. Энергия активации, благодаря колебательному возбуждению, понижается на величину аЕ, т.е.
кл (Е) = к0 ехр
Еа - аЕ Т
Т п
©(Еа -аЕ)
(2)
где ©(х) - функция Хевисайда.
Если аппроксимировать термы экспоненциальными функциями Т с параметрами убывания Т12, то нетрудно получить для кя(Е) выражение
а= Еа / (Еа +(У 2 -У1 ) Еа) ) ,
(3)
где Еа, Еа) - потенциальные барьеры для прямой и обратной реакции (их разность равна энергетическому эффекту реакции Q).
Возможности разработанного способа динамической стабилизации характеристик электрического разряда обеспечивает дополнительные преимущества по сравнению с известными методами получения плазмы с необходимыми характеристиками. Предлагаемый способ дает возможность регулировать мощность от уровней, характерных для тлеющего разряда до дуговых. Это открывает новые возможности в реализации систем, обладающих долговечностью, широким диапазоном рабочих температур, способностью работать в разнообразных средах.
В области реализуемых удельных мощностей в предлагаемой технологии, степень неравновесно-сти достигает больших значений (от 2-х и более порядков), что позволяет использовать преимущество плазмохимического способа инициирования химических реакций за счет колебательного возбуждения реагентов.
Используя выражения для микроскопической константы скорости (2) и функции распределения из диффузионной теории [2], можно получить из (1) коэффициент скорости бимолекулярной реакции в условиях колебательно-поступательной неравновесности.
кЯ (ТУТ0) =
= к0 ехр
и2
хеЕа
аТ,,
Рс ~Ру буу + ^vt
1п(1 + 4(Еа /а))
х[((аТу / Т) -1 + 2х£^ + (р^ -1) ^/ а) )-1 +
1 + «Еа / а
+(1 - 2хеТу Еа
+ (РТу-10
Еа / а ч-1
1 + «Еа / а)
г1] +
1 -а ^
Т0
ехР(-Еа / Т0).
(4)
Рассматривая влияние колебательного возбуждения на реакционную способность молекул, следует отметить, что коэффициент скорости реакции является функцией следующих параметров:
кп =
|кл (Е)/(0)(Е)dE,
(1)
где кК (Е) - микроскопический (т.е. не усредненный по колебательному распределению) коэффициент скорости. Следовательно, для оценки скорости бимолекулярных реакций необходимо знать микро-сокпический коэффициент скорости кКЕ .
Методика расчета позволяет получить как кинетические кривые, так и изменение со временем всех фигурирующих в задаче температур и дает возможность определить зависимость энергозатрат газового состава и исходных параметров.
Исследования показывают, что при анализе физико-химической кинетики исследуемых реакций с целью выбора оптимальных, с точки зрения КПД параметров разряда, можно не учитывать кинетику ионов и электронно-возбужденных молекул, так как их вклад в скорость химических превращений мал по сравнению с влиянием на ход реакции колебательно-возбужденных молекул.
Е
а
+
X
2
к
+
о
Поскольку в плазмохимической реакции в случае неравновесной плазмы, энергия расходуется преимущественно на колебательное возбуждение реагентов, то она, собственно, и является движущей силой процесса взаимодействия СН4 с кислородом.
В вентиляционных выбросах, кроме метана, содержится значительное количество твердых частиц (до 20 г/м3) преимущественно в виде мелкодисперсной фракции угля и породы. Эта твердая компонента также может быть утилизирована в качестве энергоносителя. Применение предложенной технологии обеспечит конверсию компонентов потока (угольной пыли и влаги воздуха) с выделением горючих газов - водорода и оксида углерода. Сжигание продуктов конверсии в 1,5 -2 раза повышает энергетический потенциал вентиляционных выбросов.
Предлагаемое техническое решение по утилизации метана в вентиляционных выбросах отличается от известных (в частности, - каталитических) [4], прежде всего тем, что она нечувствительная к механическим примесям в обрабатываемом потоке и характеризуется малым гидравлическим сопротивлением. Кроме этого, плазмохимическое инициирование процесса горения не имеет нижнего концентрационного предела по метану и не требует при этом дополнительных источников теплоты. Проведенные исследования показали реальную возможность практически полной очистки вентиляционных выбросов от содержащегося в них метана и пылеугольных частиц при одновременной рекуперации около 90 % выделившегося тепла.
Выводы
Предлагаемую энерготехнологию целесообразно использовать на угледобывающих предприятиях, характеризующихся газообильностью угольных пластов порядка 5^25 м3/т и более. По предвари-
тельным оценкам это позволяет обеспечить автономное теплоснабжение угледобывающих предприятий, а в ряде случаев осуществить коммерческую реализацию тепловой или электрической энергии. С учетом приведенных выше данных о количестве метана, выбрасываемого в атмосферу с вентиляционными газами, речь может идти о дополнительном вовлечении в сферу промышленного освоения 1,5 млн. т условного топлива.
Из сказанного следует, что применение предлагаемой технологии позволит существенно повысить экологический рейтинг угледобывающих регионов и обеспечит расширение их топливно-энергетической базы за счет вовлечения в сферу промышленного использования воздушных потоков с малым содержанием метана, препятствующим его использованию традиционными способами.
Литература
1. Карп И.Н., Боксерман Ю.А., Сапрыкин В.Л.
Метан угольных пластов в Украине: факты и перспективы // Экотехнология и ресурсосбережение. - К. - 1994. - № 1. - С. 3-10.
2. Русанов В.Д. Неравновесная термохимическая
кинетика и ее применение // Успехи физических наук. - М. - 1981. - Т. 134. - № 2. -С. 185-190.
3. Никитин Е.Е., Уманский С.Я. Химия плазмы. -
М.: Атомиздат, 1974.
4. Карп И.Н. и др. Обезвреживание и утилизация
низкоконцентрированных метано-воздуш-ных шахтных вентиляционных выбросов // Экотехнология и ресурсосбережение. - К. 1995. - № 5. - С. 18- 21.
Рецензент: Э.Б. Хоботова, профессор, д.х.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 сентября 2006 г.
