CC BY
42
Оригинальная статья
УДК 622.013.3:622.684 © В.В. Агафонов, Е.В. Горн, 2021
Использование стирлинг-технологий для сжижения шахтного метана и перевода автосамосвального транспорта угледобывающих компаний на газомоторное топливо
■ Р0!: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-12-12-16 -
АГАФОНОВ В.В.
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Геотехнологии освоения недр» Горного института НИТУ«МИСиС», 119049, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
ГОРН Е.В.
Главный специалист отдела стратегического и текущего планирования АО «СУЭК»,
115054, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Рассмотрена процедура использования стирлинг-технологий для получения сжиженного метана с целью перевода карьерного автотранспорта на газомоторное топливо. Отражены основные положительные особенности использования сжиженного газа в качестве газомоторного топлива. Представлены серийные отечественные и зарубежные модификации установок с циклами Стирлинга. Описаны основные ограничения при выборе криогенного цикла и технологии сжижения.
Ключевые слова: стирлинг-технологии, шахтный метан, сжиженный природный газ, газомоторное топливо, криогенератор, автосамосвальный транспорт. Для цитирования: Агафонов В.В., Горн Е.В. Использование стирлинг-технологий для сжижения шахтного метана и перевода автосамосвального транспорта угледобывающих компаний на газомоторное топливо // Уголь. 2020. № 12. С. 12-16. 00!: 10.18796/0041-5790-2020-12-12-16.
ВВЕДЕНИЕ
Функционирование угольной отрасли на современном этапе недропользования неразрывно и в сильной степени связано с проблемой диверсификации производственно-хозяйственной деятельности угледобывающих предприятий. Данный аспект обуславливает необходимость поиска нетрадиционных путей повышения их технико-экономической эффективности на базе технологий углубленной переработки угля, улавливания, каптирования и утилизации шахтного метана и отходов углеобогащения непосредственно в местах их добычи.
И здесь, с учетом вышеизложенного, главенствующее положение занимают технологии получения сжиженного метана для перевода карьерного автотранспорта на газомоторное топливо и высокоэффективные когенерацион-ные теплоэнергетические технологии. Их использование в качестве конечной цели предполагает изменение структуры цен на конечный реализуемый продукт, где эксплуатационные издержки производства (себестоимость добычи угля) уже не рассматриваются в качестве решающего фактора, а заявляются как одна из составляющих [1, 2, 3, 4, 5].
Следует отметить, что реал изация данного напра вления осуществима, в первую очередь, на предприятиях, которые имеют на георесурсном балансе значительные промышленные запасы угля и шахтного газа метана, то есть классифицируются как газоугольные. Актуальность такого заявленного подхода обуславливается значительным потреблением дизельного топлива и электро- и тепло-энергии самими угледобывающими предприятиями, которые постоянно вынуждены адаптироваться к их непрерывному росту и лимитированию потребления в условиях монополизации, что в конечном итоге негативно влияет на уровень операционной рентабельности предприятий.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТИРЛИНГ-ТЕХНОЛОГИЙ
Получение промышленных объемов сжиженного природного газа связано с технологией его ожижения, основанного на процедуре охлаждения исходных компонентов природного газа до конечной точки конденсации. Данный
процесс происходит в специальных промышленных холодильных установках со специальным хладагентом. В основе технологического процесса ожижения шахтного метана заложены следующие основные параметры: криогенная температура (-162°С) и сверхнизкое давление (0,1 МПа). Исходя из этих параметров, становится очевидно, почему до настоящего времени отсутствует сравнительно дешевая технология получения сжиженного шахтного метана.
В промышленных целях природный газ поставляется в сжатом (компримированном) виде с аббревиатурой КПГ, и сжиженном (криогенном) виде с аббревиатурой СПГ. Основной положительной особенностью использования сжиженного газа в качестве газомоторного топлива является снижение степени выброса комплекса токсичных веществ (г/км) в окружающую среду (оксид углерода - 5-10 раз, окислы азота - 1,5-2,5 раза, полиароматические углеводороды - 10 раз, углеводороды - 3 раза, дымность - 8-10 раз).
Второй положительной особенностью является тот факт, что в процессе реализации процедуры сжижения метана его объем уменьшается в 600 раз, что безусловно приводит к снижению материалоемкости и капиталоемкости технического оснащения автомобильных средств в 2-3 раза.
Сжиженный природный газ характеризуется очень высокими значениями октанового числа (достигает до 120), в связи с чем ему присущ высокий антидетонационный уровень. Вышеприведенные параметры формируют довольно благоприятные условия в области использования сжиженного природного газа как альтернативы обычным видам бензинового и дизельного топлив. В результате применения газомоторного топлива происходит повышение степени сжатия, при этом резко увеличиваются интервалы межремонтного пробега, технического обслуживания и капитального ремонта с одновременным снижением расходов горюче-смазочных расходных материалов и масла.
На основе проведенных исследований выявлено, что наиболее перспективной и экономически эффективной технологией получения сжиженного шахтного метана является в современных условиях развития научно-технического прогресса стирлинг-технология [6, 7, 8]. В основу данной технологии заложен цикл Стирлинга в криогенных газовых устройствах. В техническом плане они представляют криогенераторы с контурами внешнего охлаждения тепловых процессов. Установки с циклами Стирлинга, как правило, работают с газами с максимальной температурой конденсации -200°С, и поэтому их использование наиболее подходяще для ожижения шахтного метана (температура ожижения -162°С) [9].
Представленная технология с использованием циклов Стирлинга характеризуется наличием одного немаловажного преимущества: процесс ожижения шахтного метана осуществляется без ступени предварительного сжа -тия (в качестве рабочего используется атмосферное давление), что позволяет резко удешевить технологические процессы, обеспечить соответствующую компактность и простоту эксплуатации и технического обслуживания промышленной установки. Принципиально важная отличительная особенность технологии Стирлинга заключается в достижении стопроцентного порога сжижения подавае-
мого объема газа при низком давлении, что обуславливает полное отсутствие сбросовых продукционных трубопроводов (несжижившаяся часть), чем отличаются промышленные установки с наличием в технологическом процессе высокого давления (установки дроссельно-детандерного типа и вихревые трубы).
В качестве серийных модификаций установок с циклами Стирлинга в настоящее время в сегменте российских производителей можно отметить воздухораспределительные установки АжКж-0.05 и ЗИФ-700, 1002, 2002, которые характеризуются интервалом производительности от 15 до 75 л/ч.
В сегменте зарубежных модификаций можно отметить криогенераторы SGL-1,4 компании Stirling Cryogenics & Refrigeratio с интервалом производительности 20-85 л/ч. Самыми высокопроизводительными серийно выпускаемыми являются криогенераторы Werkspoor и Philips с производительностью до 700 л/ч.
Таким образом, можно отметить довольно широкий диапазон производительности выпускаемых КГМ Стирлинга. Исходя из этого, на основе стирлинг-технологий могут быть спроектированы:
• сеть индивидуальных мобильных заправочных пунктов с производительностью до 40 л/ч сжиженного газа;
• сеть гаражных стационарных заправочных станций с производительностью до 700 л/ч сжиженного газа;
• стационарные заправочные комплексы с производительностью свыше 1 т/ч сжиженного газа, что вполне подходит для удовлетворения нужд угледобывающих предприятий.
Следует отметить, что создание установки (криогене-ратора) с заявленной производительностью 1 т/ч связано с технологическими особенностями использования так называемых традиционных способов (цикл дроссельно-детандерного типа и цикл вихревой трубки Ранка), и новых, инновационных способов, которые основаны на комбинаторике тепловых процессов в контурах внешнего и внутреннего охлаждения. Внутреннее охлаждение основано на изобарном расширении метана (частичное ожижение), внешнее - за счет использования конденсатора, который является составной частью КГМ Стирлинга.
Технология сжижения СПГ предусматривает несколько модификаций циклов. Практика показала, что наибольшее распространение получили циклы сжижения, основанные на использовании внешней криогенной установки, хладагентом в которой являются углеводородные газы или азот со степенью сжижения около 97%. Очень широко используется технология, основанная на циклах со смесями хладагентов [10, 11].
Основными ограничениями при выборе криогенного цикла и технологии сжижения являются следующие составляющие: производительность, качественные характеристики исходного сырья, температура сжижения, давление, качество конечного продукта.
Среди всех показателей, характеризующих термодинамическую составляющую цикла ожижения, наиболее важным является удельное энергопотребление. Этот показатель определяет суммарную мощность компрессорной станции, массу и пространственные габариты теплооб-
менных компонентов, а в конечном итоге, первоначальные капиталовложения и эксплуатационные издержки при работе установки.
В настоящее время можно выделить следующие циклы:
- модификации криогенных циклов, основанные на дросселировании;
- криогенные циклы детандерного типа;
- криогенные циклы каскадного типа с использованием чистого хладагента классического типа;
- криогенные однопоточные циклы каскадного типа с использованием многокомпонентного хладагента (углеводороды и азот);
- комбинаторные криогенные циклы (комбинации элементов перечисленных криогенных циклов).
Следует отметить, что переоснащение автотранспорта сложными криогенными топливными системами наиболее эффективно в случае использования их на транспорт-
Потенциальный рынок п
ных средствах большой мощности и грузоподъемности. Вопрос заправки таких автомобилей не стоит, так как существующие центробежные насосы формируют давление и скорость, аналогичные бензиновым.
Эквивалент энергетической эффективности 1 л СПГ выглядит следующим образом: 0,67л бензина и 0,59 л дизельного топлива.
Оценка прогнозного потребления сжиженного природного газа в Кузбассе угледобывающими компаниями показала, что потенциальный рынок представлен следующими потребителями (табл. 1).
На рисунке представлена динамика потребления СПГ при переходе самосвалов на газомоторное топливо.
В табл. 2,3 представлено потребление дизельного топлива по категориям транспорта, потенциально возможного к переводу на газодизельный режим работы или замене газовыми версиями.
Таблица 1
ребления СПГ в Кузбассе
Модели Грузоподъемность Количество Обновление парка в год Примерный объем потребления СПГ, тыс. т
Komatsu HD785-5/7, 90 179 21 33 595
Caterpillar 777D,
БелАЗ-75306
БелАЗ-75131-7517, 130-150 668 77 250 740
Caterpillar 785C/D
БелАЗ-75306 220-240 479 60 302 920
Всего - 1 326 158 587 255
Таблица 2
Объемы потребления ДТ по категориям транспортных средств
Транспортные средства Кол-во, ед. Мощность, л.с. Средний расход ДТ, л/100 км Средний суточный пробег, км Средний годовой расход ДТ, кг Суммарное потребление ДТ, кг
Всего по АО «СУЭК» 32430418
Карьерные самосвалы, 54 25164000
в том числе:
- БелАЗ-7513 33 1600 737 208 368000 12144000
- БелАЗ-7530 21 2300 1160 222 620000 13020000
Малотоннажный транспорт, 182 7266418
в том числе:
Категория самосвалы: 103 - 74,8 328,0 32189 3790354
- VOLVO FM-TRUCK 6х4 60 400 58,3 326,1 12351 741081
- VOLVO FMX 14 500 82,5 331,2 71654 1001892
- VOLVO FM-TRUCK 8х4 14 400 81,5 296,0 58348 816871
- SCANIA P440CB8 15 410 83,8 366,1 82034 1230510
Категория тягачи: 32 889906
- VOLVO FM-TRUCK 4х2 6 420 49,3 482,0 29559 177353
- VOLVO FM-TRUCK 6х4 21 460 49,7 563,6 21532 495241
- VOLVO FH 6х4 2 600 78,4 393,9 83060 166121
- КамАЗ 65116 3 300 39,6 191,1 17064 51192
Категория бульдозеры: 19 1337219
- LIEBHERR PR754 15 340 1311,4 21,2 51482 772234
- CATERPILLAR D8R 4 333 2332,3 20,7 141246 564984
Другие категории: 26 1248940
- Автогрейдер CATERPILLAR 24М 1 541 616,6 71,6 38295 38295
- КамАЗ-43118 с КМУ 5 300 93,1 41,9 5263 26313
- Погрузчик LIEBHERR L566 10 259 535/5 43/3 67189 671889
- Погрузчик SHANTUI SL 10 238 499/5 42/7 51244 512442
Таблица 3
Оценка максимальных объемов потребления газомоторного топлива
Объект Максимальное потребление ГМТ 30% Максимальное потребление ГМТ 50% Максимально возможное потребление ГМТ
СПГ на всех ТС - объемы потребления СПГ, т/ч
АО «СУЭК-Кузбасс», в том числе: 1,71 2,29 3,76
- Карьерные самосвалы 0,88 1,46 2,93
- Малотоннажный транспорт 0,83 0,83 0,83
Совместное использование СПГ и КПГ
СПГ на БелАЗах - объемы потребления КПГ, т/ч
Карьерные самосвалы 0,88 1,46 2,93
Доля СПГ в объеме ГМТ, % 51 64 78
КПГ на малотоннажном транспорте - объемы потребления КПГ, т/ч
Малотоннажный транспорт 0,83 0,83 0,83
Доля КПГ в объеме ГМТ, % 49 36 22
Из представленных данных видно, что объемы потребления СПГ находятся в диапазоне 0,4-4 т/ч при максимально возможном 5,5 т/ч.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы о состоянии индустрии в целом и возможностях применения и производства СПГ:
80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0
0,0
Прогноз объемов потребления СПГ в Кузбассе, т/ч
П
- СПГ является перспективным видом топлива с точки зрения как экологических, так и эксплуатационных характеристик;
- опыт применения СПГ в качестве топлива показывает реальное замещение до 50% дизельного топлива;
- применение СПГ-систем на малотоннажной технике (SCANIA, VOLVO) на основе предварительных данных не является рентабельным. Основная причина - высокая стоимость ежегодного технического обслуживания. Для экономической эффективности проекта требуется снижение стоимости обслуживания с 220 тыс. до 60 тыс. руб. Применение СПГ-систем на крупнотоннажной технике (130-тонных БелАЗах) является рентабельным проектом со сроком окупаемости три года;
- применение СПГ-систем на крупнотоннажной технике (220-тонных БелАЗах) является нерентабельным проектом при условии 50% замещения ввиду высокой стоимости переоборудования. Достижение 70% замещения дизельного топлива позволит получить окупаемость на уровне 6 лет. Стоимость переоборудования 220-тонных БелА-Зов составляет 16 млн руб., что в пять раз превышает затраты на переоборудование 130-тонных. Высокие расходы дизельного топлива предполагают сравнительно небольшие сроки окупаемости при стоимости переоборудования в пределах 5 млн руб. и стоимости годового обслуживания криогенного оборудования 200-300 тыс. руб.
Список литературы
1. О перспективных видах газомоторного топлива для обеспечения функционирования инфраструктуры МО РФ / П.А. Путилин, В.А. Вакуненков, С.А. Артюхов и др. // Актуальные проблемы военно-научных исследований.
2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 р Самосвалы 90 тонн и Самосвалы 130-150 тонн я Самосвалы 220-240 тонн
Динамика потребления СПГ при переходе самосвального парка Кузбасса на ГМТ Fig. Dynamics of LNG consumption at transition of Kuzbass dump truck fleet to natural gas motor fuel
2019. № 2. С. 147-154. URL: https://www.elibrary.ru/contents. asp?id=38510014 (дата обращения: 15.11.2020).
2. Некоторые проблемы и перспективы применения газомоторного топлива на транспорте / Т.В. Щербицкая, С.Г. Фролов, В.В. Иванов и др. // Наука и образование транспорту. 2019. № S1. С. 44-46. URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=42913557 (дата обращения: 15.11.2020).
3. Грушевенко Е.В., Грушевенко Д.А. Газомоторное топливо: может ли России помочь мировой опыт? // Экологический вестник России. 2019. № 7. С. 16-20. URL: https://www.elibrary. ru/item.asp?id=41590464 (дата обращения: 15.11.2020).
4. Тенденции развития использования природного газа в качестве моторного топлива на примере истории развития транспортных средств на природном газе в Китае / Ли Вэй, Лю Цзюньчж, Жэнь Вэй и др. // Газовая промышленность. 2019. № 5. С. 48-56. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=41360815 (дата обращения: 15.11.2020).
5. Иванова К.С. Газификация регионов и развитие использования газомоторного топлива как ключевые драйверы роста российского газового рынка // Микроэкономика. 2019. № 3. С. 30-36. URL: https://www.elibrary.ru/contents. asp?id=39141480 (дата обращения: 15.11.2020).
6. Чернышева Е.А., Хисамутдинов А.М., Мухаметярова А.Р. Природный газ в качестве моторного топлива // Ав-тоГазоЗаправочный комплекс + Альтернативное топливо. 2016. № 7. С. 12-17. URL: http://www.elibrary.ru/item. asp?id=26420792 (дата обращения: 15.11.2020).
7. Hernán Jair Andrade-Castañeda, Cristhian Camilo Arteaga-Céspedes, Milena Andrea Segura-Madriga. Emission of greenhouse gases from the use of fossil fuels in Ibague, Tolima (Colombia) // Ciencia y Tecnología Agropecuaria. 2017. Vol. 18. Is. 1. P. 103-112.
8. Экологическая эффективность автотранспортного комплекса в регионах России при переводе на природный газ / А.Г. Ишков, К.В. Романов, Р.В. Тетеревлев и др. // Транспорт на альтернативном топливе. 2016. № 2. С. 15-25. URL: https://www.elibrary.ru/contents.asp?issueid=1582697 (дата обращения: 15.11.2020).
9. Experimental Investigations and Operational Performance Analysis on Compressed Natural Gas Home Refueling System
(CNG-HRS) / S. Kuczynski, K. Liszka, M. taciak et al. // Energies. Vol. 12. P. 45-55.
10. Мкртычан Я.С. Пути дальнейшего расширения использования природного газа в качестве моторного топлива // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 1. С. 34-39. URL: http://www.elibrary.ru/item.asp?id=15551027 (дата обращения: 15.11.2020).
11. Ткаченко И.Г. Транспорт на КПГ «Газпром трансгаз Ставрополь»: опыт использования КПГ // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 1. С. 27-29. URL: http:// www.elibrary.ru/item.asp?id=15551025 (дата обращения: 15.11.2020).
MINING EQUIPMENT
Original Paper
UDC 622.013.3:622.684 © V.V. Agafonov, E.V. Gorn, 2020
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, № 12, pp. 12-16 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-12-12-16
Title
USE OF STIRLING-CYCLE TECHNOLOGIES FOR COALMINE METHANE LIQUEFACTION AND CONVERSION OF COAL DUMP TRUCKS TO NATURAL GAS MOTOR FUEL
Authors
Agafonov V.V.', Gorn E.V.2
1 National University of Science and Technology "MISIS" (NUST "MISIS"), Moscow, 119049, Russian Federation
2 "SUEK" JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
Authors' Information
Agafonov V.V., Doctor of Engineering Sciences, Professor of "Geotechnolo-gies of mineral development" department of the Mining Institute, e-mail: [email protected]
Gorn E.V., Chief specialist of strategic and current planning department, e-mail: [email protected]
Abstract
The paper discusses the procedure of using the Stirling-cycle technologies to produce liquefied methane in order to convert mining vehicles to natural gas motor fuel. The key benefits of using liquefied gas as a natural gas motor fuel are described. Commercial domestic and foreign versions of units using the Stirling cycle are presented. The main limitations in selection of the cryogenic cycle and liquefaction technology are explained.
Keywords
Stirling-cycle technologies, Coalmine methane, Liquified natural gas, Natural gas motor fuel, Cryogenerator, Dump trucks.
References
1. Putilin P.A., Vakunenkov V.A., Artyukhov S.A. et al. On perspective types of natural gas motor fuel to support the RF Ministry of Defense infrastructure. Aktualnye problemy voenno-nauchnykh issledovaniy - Current problems of military scientific research, 2019, No. 2, pp. 147-154. Available at: https:// www.elibrary.ru/contents.asp?id=38510014 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
2. Shcherbitskaya T.V., Frolov S.G., Ivanov V.V. et al. Some problems and perspectives of natural gas motor fuel application in transportation. Nauka i obrazovanie transportu - Science and education of transportation, 2019, No. S1, pp. 44-46. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42913557 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
3. Grushevenko E.V. & Grushevenko D.A. Natural gas motor fuel: can the world experience help Russia? Ekologicheskiy vestnik Rossii - Ecological Bulletin of Russia, 2019, No. 7, pp. 16-20. Available at: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=41590464 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
4. Li Wei, Liu Junzh, Zhen Wei at al. Trends in the use of natural gas as a motor fuel based on the history of natural gas vehicles in China / // Gazovaya promy-shlennost' - Gas Industry Magazine, 2019, No. 5, pp. 48-56. Available at: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=41360815 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
5. Ivanova K.S. Gasification of regions and expansion of natural gas motor fuel utilization as key drivers of the Russian gas market growth. Mikroekonomika -
Microeconomics, 2019, No. 3, pp. 30-36. Available at: https://www.elibrary.ru/ contents.asp?id=39141480 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
6. Chernysheva E.A., Khisamutdinov A.M. & Mukhametyarova A.R. Natural gas as a motor fuel. AvtoGazoZapravochniy kompleks + Alternativnoe toplivo -AutoGasFueling Complex + Alternative fuel, 2016, No. 7, pp. 12-17. Available at: http://www.elibrary.ru/item.asp?id=26420792 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
7. Hernán Jair Andrade-Castañeda, Cristhian Camilo Arteaga-Céspedes & Milena Andrea Segura-Madriga. Emission of greenhouse gases from the use of fossil fuels in Ibague, Tolima (Colombia). Ciencia y Tecnología Agropecuaria, 2017, Vol. 18, Issue 1, pp. 103-112.
8. Ishkov A.G., Romanov K.V., Teterevlev R.V. et al. Ecological efficiency of the motor transport complex in the Russian regions when converted to natural gas. Transport na alternativnom toplive - Alternative Fuel Transport, 2016, No. 2, pp. 15-25. Available at: https://www.elibrary.ru/contents. asp?issueid=1582697 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
9. Kuczynski S., Liszka K., taciak M. et al. Experimental Investigations and Operational Performance Analysis on Compressed Natural Gas Home Refueling System (CNG-HRS). Energies, Vol. 12, pp. 45-55.
10. Mkrtychan Ya.S. Ways of further expansion of natural gas as a motor fuel. Transport na alternativnom toplive - Alternative Fuel Transport, 2011, No. 1, pp. 34-39. Available at: http://www.elibrary.ru/item.asp?id=15551027 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
11. Tkachenko I.G. Transportation using compressed natural gas by Gazprom Transgaz Stavropol: experience in using compressed natural gas. Transport na alternativnom toplive - Alternative Fuel Transport, 2011, No. 1, pp. 27-29. Available at: http://www.elibrary.ru/item.asp?id=15551025 (accessed 15.11.2020). (In Russ.).
For citation
Agafonov V.V. & Gorn E.V. Use of Stirling-cycle technologies for coalmine methane liquefaction and conversion of coal dump trucks to natural gas motor fuel. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 12, pp. 12-16. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-12-12-16.
Paper info
Received October 12,2020 Reviewed October 24,2020 Accepted November 11,2020
