Энерготехнологическая переработка метана как способ снижения выбросов парниковых газов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

2. Утилизация метана производится также на шахтной дегазационной установке путем отсоса метановыделений через дегазационный газопровод, проходящий по всей длине лавы и располагающийся в нишах под перекрытиями секций крепи. Отсос метановыделений производится из верхней, средней и нижней щелей, прорезаемых врубовыми агрегатами через рукава, вставляемые в эти щели на участках каждой секции крепи вслед за проходом врубового агрегата

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

Кариман С.А. - профессор, доктор технических наук, НПП "Уголь"

А__________

------------------------------ © К.С. Коликов, М.А. Мутушев,

М.В. Шмидт, 2007

УДК 622.41

К.С. Коликов, М.А. Мутушев, М.В. Шмидт

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА МЕТАНА КАК СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ

~П последние годы значительно усилился интерес к экологи-X-# ческой составляющей проблемы шахтного ме-тана. Это определяется резким усилением внимания к проблеме сохранения озонового слоя и глобальному потеплению климата. Основой для решения этой проблемы является эффективное использование метана, доля которого в угольной отрасли России не превышает 10 %. Основное количество метана, извлекаемого при разработке угольных пластов, в

странах СНГ в настоящее время выбрасывается в атмосферу. Невос-требованность новых технологий переработки метана угольными шахтами обусловлена рядом объективных причин, к которым можно отнести:

- отсутствие экономической заинтересованности шахт во внедрении технологий переработки шахтного метана;

- укоренившееся представление о дегазации, как о вспомогательном процессе горного производства;

- недостаточный уровень и не проработанность технических решений по утилизации метана;

- отсутствие взаимоувязки новых технологий переработки метана с реальными параметрами и объемами его извлечения дегазационными сетями шахт.

Экологический эффект в основном определяется снижением выбросов метана в атмосферу. При энерготехнологической переработке часть метана сгорает, а часть разлагается на углерод и водород. При соотношении потоков метана, направляемых на сгорание и на разложение 1 : 1, одна половина метана сгорает по классической схеме и 0,5 кМоль СН4 выделяет 402,5 МДж тепла, другая половина метана (0,5 кМоль) разлагается по схеме:

СН4 ^ С + 2Н2 - 71,1 МДж/кМоль, (1)

на что затрачивается 35,55 МДж тепла. При сгорании 1 кМоля водорода выделяется 252,15 МДж тепла. Суммарное выделение тепловой энергии из 1 кМоля метана по этой схеме составит 619,1 МДж, т.е. оно на 23 % меньше, чем при сжигании метана по классической схеме (805 МДж/кМоль). По мере разогрева установки соотношение потоков можно изменять с увеличением доли метана, направляемого на разложение. В общем виде уравнение реакции при этом имеет вид

СН4+(2-а)О2 = аС+(1-а)С02+2Н20+(805-371,8а) МДж/кМоль, (2)

где а - доля метана, разложившегося на углерод и водород.

В зависимости от величины коэффициента а, изменяющегося в диапазоне от 0,10 до 0,95, для разложения метана на углерод и водород необходимо затратить 9-14 % тепловой энергии, выделяющейся при сгорании смеси. Это количество тепловой энергии может быть передано за счет радиационного теплообмена факела сжигаемого газа.

При энерготехнологической переработке метана значительно снижается выброс углекислого газа. Необходимо отметить экологичность предлагаемой технологии утилизации шахтного метана, так как

ее применение позволит на 40-60 % снизить выброс в атмосферу двуокиси углерода за счет использования энергии получаемого водорода, который при его сжигании окисляется до водяного пара. Обогащение продуктов сгорания водяным паром позволяет так же существенно увеличить эффективность теплоотбора остаточного тепла продуктов сгорания.

При пересчете на единицу вырабатываемой энергии выброс углекислого газа при соотношении потоков метана, направляемых на сжигание и на разложение 1 : 1, снижается на 35 %. Теоретически, изменяя соотношение метана в потоках, направляемых на сжигание и на термообработку, можно снизить выброс углекислого газа на 35-50 % и на 20-25 % снизить потребление кислорода на выработку единицы полезной энергии. Такого экологического эффекта не может обеспечить ни одна из известных технологий промышленной энергетики на углеводородном сырье. Снижение на 23-25 % количества полезной тепловой энергии, получаемой из перерабатываемого метана, компенсируется коммерческой стоимостью технического углерода, потребность в котором постоянно растет.

В практике могут быть реализованы две основные схемы реакторов для получения сажи, отличающиеся подачей метана и окислителя: с однокамерным и двухкамерным реактором.

В схеме с однокамерным реактором процессы частичного сгорания метана; разогрева стенок реактора до требуемой температуры; частичного разложения метана на сажу и водород; стабилизации сажевой смеси происходят в одной камере. Такая схема позволяет использовать шахтные метановоздушные смеси в широком диапазоне концентрации метана. В процессе неполного сгорания в однокамерном реакторе может быть использована метановоздушная смесь с концентрацией метана свыше 20-25 %. Недостатком этой схемы является сложность выделения водорода из продуктов реакции, который может быть использован как самостоятельный продукт, так и для дополнительного разогрева стенок реактора путем его сжигания.

При использовании схемы с однокамерным реактором, получаемую на выходе ректора смесь, после выделения сажи, целесообразно дожигать для получения тепловой энергии и предотвращения вредных выбросов горючих газов в атмосферу.

При получении технического углерода из природного газа обычно добавочный воздух подают в количестве 50 % от необходимого для полного сгорания этого газа.

При использовании двухкамерного реактора, часть метана, подаваемая в камеру разложения, будет окисляться кислородом воздуха. Поэтому эта схема наиболее эффективна при высоких концентрациях используемых метановоздушных смесей (80-98 %). При этой схеме на одну объемную часть газа, подаваемого в камеру сгорания необходимо подавать до 10 объемных частей воздуха.

Предварительные испытания были проведены были проведены с использованием двухкамерного реактора, в дальнейшем совершенствование технологии осуществлялось на базе однокамерного реактора.

Испытания демонстрационного конвертора шахтного метана в технический углерод проведены на скважине ГРП-29 шахты «Казахстанская» УД АО «Миттал Стил Темиртау». По результатам испытаний установлено, что остаточное содержание метана в его потоке, направляемом на разложение, снижается с 96 до 10-15 %. Выход сажи -110 кг на 1000 м3 утилизированного метана. Данный способ может быть использован для утилизации метана, извлекаемого системами дегазации угольных шахт.

В результате проведенных работ:

Таблица 1

Параметры работы конвертора метана при испытаниях

№ п/п Наименование параметра Ед. изм. Значение

1. Расход метана м3/мин 0,16+0,1

2. Расход воздуха м3/мин 0,4-0,6

3. Выход сажи из 1000 м3 метана кг 110

4. Процент улавливания сажи стабили- % 70

затором и циклоном

5. Фактический выход полученной са- кг/сут 17,8

жи кг/час 0,7

1. Определена экологическая и экономическая целесообразность промышленной переработки шахтного метана в технический углерод.

2. Разработан способ переработки шахтного метана и на экспериментальной установке проведены исследования процесса разложения метана на углерод и водород.

Изготовление, монтаж и подключение конвертора к скважине выполнено в соответствии с разработанной и утвержденной конструкторской и технологической документацией. После монтажа конверто-

ра был произведен розжиг горелки метана, и в течение 6 суток осуществлялась сушка и обжиг обмуровки конвертора огнеупорным кирпичом. Воздух при этом подавался в режиме естественной тяги.

На момент испытаний конвертора фактический дебит метана по газовому тракту из скважины ГРП №29 составлял 0,16+0,1 м3/мин. При испытаниях конвертора дополнительная принудительная подача воздуха осуществлялась с помощью воздуходувки типа ББ-3 (Китай). При этом фактический расход воздуха, подаваемого в конвертор, регулировался с помощью шибера и составлял 0,4-0,6 м3/мин. Отбор сажи осуществлялся в брезентовые мешки, устанавливаемые на нижней части патрубков отвода сажи из стабилизатора и циклона. При испытаниях работа конвертора осуществлялась в круглосуточном режиме.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

Характеристика и параметры полученной сажи приведены в табл.

2. В табл. 2 также приведены значения параметров для технического углерода марок Т 900, К 354 и П 701, регламентированные ГОСТ 7885-86, «Углерод технический для производства резины. Технические условия».

Таблица 2

Параметры технического углерода (полученного на экспериментальной установке и известных марок)

№ п/п Наименование параметра Ед. изм. Значения

Получен- ный Т 900 К 354 П 701

1. Удельная поверхность м2/г 25 12-16 0-100 33-39

2. Массовая доля потерь при 105 оС, не более % 0,4 0,4 1,5 0,35

3. Зольность, не более % Менее 0,1 0,15 0,45 0,48

4. Массовая доля общей серы, не более % Менее 0,01 - - 1,1

5. Плотность, не менее кг/м3 400 (насыпная) - 420* -

*- в гранулированном состоянии

По своим свойствам полученный на демонстрационном конверторе технический углерод близок к маркам Т 900 (технический углерод малоактивный, получаемый термическим разложением природного газа, с низким показателем дисперсности и низким показателем структурности) и К 354 (канальный, активный, получаемый в диффу-

зионном пламени при термоокислительном разложении природного или попутного газа, с высоким показателем дисперсности и низким показателем структурности).

В перспективе данная технология может быть распространена на метановоздушные смеси, извлекаемые при дегазации угольных пластов.

— Коротко об авторах

Коликов К.С., Мутушев М.А. - Московский государственный горный университет,

Шмидт М.В. - УД АО «Миттал Стил Темиртау».

© Б.В. Бокий, 2007

УДК 622.411.33.622.33 Б.В. Бокий

ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА

^рассмотрены основы промышленной технологии извлече-

-МГ ния и использования газа, которыми должна пользоваться угольная шахта при ее отработке.

Приведены фактические данные относительно извлечения метана на базе комплексной дегазации, применяемой на шахте им. А.Ф. Засядько. Разработаны эффективные технологии использования газовоздушной смеси различной концентрации и снижения выбросов в атмосферу газа метана.

Добыча угля на Украине связана с высоким уровнем сложности и низким уровнем безопасности, по сравнению с добычей других видов энергоресурсов, что обусловлено сложными горно-