CC BY
59
© Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова, 2006
УДК 662.69
Е.А. Ельчанинов, Е.А.Ельчанинова
НАПРАВЛЕНИЯ И СОЗДАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Семинар № 10
асштабы неблагоприятных изменений в атмосфере угледобывающих регионов в настоящее время намного превосходят возможности их устранения, последствия деградации среды сказываются на всем социально-экономическом развитии угледобывающих регионов.
Осознавая отрицательные экологические последствия выбросов метана в атмосферу целесообразно максимально его утилизировать. При этом в рамках рыночного механизма, и с учетом решений «Киотского протокола» необходимо ориентироваться на экономические стимулы от использования извлекаемого метана угольных пластов на всех стадиях разработки высоко газоносных угольных месторождений,
Накопленный отечественный и зарубежный опыт утилизации метана однозначно свидетельствует о широкой перспективе и высокой экономической эффективности его использования в теплоэнергетических и химических установках.
Однако, не стабильность качества извлекаемого метана угольных пластов, а также отсутствие безопасных методов транспортирования и использования некондиционной концентрации, не позволяет повсеместно утилизировать этот природный ресурс. Использование метана с содержанием в диапазоне 0,5-25 % запрещено ПБ в угольных шахтах,
ввиду взрывоопасности смеси при этой концентрации.
Каптируемый метан угольных пластов может быть использован в качестве топлива при содержании от 25 % и более. При концентрации 25 % метана смесь имеет низкую теплоту сгорания -2500 ккал/кг, при 40 %- 3400, при 60 % -5100 ккал/кал, при 100 % - 8400 ккал/кал.
Для более полного и эффективного использования извлекаемого метана угольных пластов в промышленных установках, для получения тепловой, электрической и химической продукции, необходимо решить две технических задачи: первую - увеличить отдачу метана пластами угля и породным массивом, обеспечив его концентрацию соответствующую технологическим требованиям утилизации, вторая- повысить содержание в извлеченных метановоздушных смесях до заданной концентрации методом обогащения. Преимущество каждого направления определяется техникоэкономическим сравнением для конкретных условий.
Что же касается повышения концентрации методом обогащения, то оно может быть осуществлено следующими способами:
- добавлением метана из магистральных газопроводов Газпрома, там где они есть;
Тип аппарата Коэффициент Рабочее Коэффициент метана, % Степень из-влечеия метана, %
Мембранный аппарат с цилиндрическим модулем 10 0,2-0,3 1,2 10
Мембранный аппарат со спиральным модулем 20 0,2-0,3 1,8 30
Газоразделительные сепараторы: центробежный центробежно-мембранный вихревой 10 0,02-0,2 1,3 20
5 5 0,02-0,1 0,02-0,1 4,0 7,2 80 80
- механическим разделением метановоздушных потоков в установках
- адсорбцией и абсорбцией с использованием жидких углеводородных сорбентов;
- извлечением метана из смеси с низким содержанием выделением его в виде газогидратов;
- выделением метана твердыми сорбентами.
Для повышения концентрации метана в извлекаемых смесях созданы технологии и средства механического разделения метановоздушных потоков использующих сепарационный, мембранный, сепарационно-мембранный и вихревой методы выделения метана, позволяющих обогащать потоки до более высокого содержания метана. Все типы установок прошли экспериментальную проверку обогащения смесей с различными концентрациями в них метана. В процессе испытаний получены положительные количественные и качественные результаты. При весьма низких концентрациях метана во входящих в обогатительную установку потоках (0,2-0,5 %) были достигнуты на выходе значения обогащенной смеси до 2,5-
3,5 % метана, при входе 4-25 % - на выходе получены концентрации метана 30-42 %, при входе 25-50 % - достигнуты значения 45-60 % и более.
Обогащение добавлением метана высокой концентрации из государственных газопроводов может быть осуществлено только при наличии магистральных государственных газопроводов. Угледобывающие регионы пока не имеют подвода газа из государственных газопроводов, поэтому данный способ может найти применение в будущем.
Получение газогидратов технически решается, но экономически пока не выгодно. С изменением цен на энергоносители возможно этот способ обогащения и утилизации метана в МВС найдет свою область применения.
Существующие мембранные установки не достаточно эффективны для выделения метана. То же самое можно сказать и об абсорбционных и адсорбционных методах разделения метана и азота. Эти установки могут дать надежный эффект лишь в случае формирования основного процесса обогащения дополнительными тех-нологическими мероприятиями, нап-ример, низкотемпературное разделение смеси.
Характеристика механических метанообогатительных аппаратов приведена в таблице.
Учитывая малые концентрации метана в матановоздушных смесях их ком-премировать опасно, т.к. они взрывоопасны. С этой целью предусмотрено использовать струйные аппараты, обес-
печивающие повышение давления до 2,5-3 атм., которые были изготовлены на Московском заводе "Калибр" и прошли испытания в Воркуте на шахте "Комсомольская".
Струйные аппараты безопасны, т.к не имеют искрящих вращающихся и трущихся частей, электрических узлов, а давление создают с помощью водяной струи. В процессе создания необходимого давления происходит осаждение из метановоздушной смеси твердых частиц, т.е. очистка от механических примесей.
Высокая безопасность в эксплуатации позволяет применять их для перекачки метановоздушных смесей как на поверхности, так и в шахте. По сравнению с широко применяемыми водокольцевыми насосам струйный аппарат менее металлоемок, расходует меньше энергии для перекачки и в напорной части имеет избыточное давление метановоздушной смеси, позволяющее перекачивать газовые смеси на расстояния 3-
3,5 км.
С учетом совокупности имеющихся способов и средств повышения концентрации метана в используемой смеси предложена транспортная система и средства сбора, подготовки и подачи метана угольных пластов к потребителям, которая оснащается приборами и аппаратурой автоматического контроля и управления безопасным качеством метана угольных пластов для транспортирования и использования в промышленных установках.
Технологические решения использования идут по двум направлениям:
а) в теплоэнергетических установках для выработки электроэнергии и тепла;
б) в установках производства химических продуктов.
Для использования некондиционного метана угольных пластов, с содержани-
ем метана 0,5-3,5 %, разработаны технические решения его применения по следующим направлениям:
а) дутье при слоевом сжигании угля в топках паровых и водогрейных котлов;
б) основной вид топлива в установках сжигания для получения тепла;
в) совместное сжигание метана и отходов углеобогащения для получения тепла и сырья для стройиндустрии.
Дутье. Обогащенное метаном дутье позволяет сжечь уголь повышенной зольностью до 60 %, улучшает качество сгорания угля, существенно снижает потери от химической и механической неполноты сгорания, повышает паропро-изводительность котла. Обогащенное дутье до 3,5 % повышает к.п.д. котла с 36-41 % до 53-55%, за счет снижения потери тепла с химическим и механическим недожогом, повышает паропроиз-водительность котла на 25-40 % и высвобождает до 35-40 % угля. Горение в топке котла получается полным при более высокой температуре, а выбросы дымовых газов в атмосферу становятся экологически более чистыми.
Основное топливо для установки непосредственного сжигания (УНС). Техническое решение заключается в том, что при сжигании низкой концентрации метана в смеси ее необходимо подогреть до определенной температуры. При концентрации метана до 2,5 % смесь необходимо нагреть до 400 0С продуктами сгорания. В камере сгорания, состоящей из двух труб, происходит противоточный нагрев МВС до воспламенения, горение и подача продуктов сгорания в теплообменник, где отбирается около 40 % химической энергии метана. Остальные 60 % энергии с температурой 500-600 0С могут быть использованы для любых технологических нужд шахты в непосредственных теплообменных устройствах, либо в се-
рийно выпускаемых котлах-утилизаторах для получения пара или перегретой воды.
УНС компактна по габаритам, не требует больших капитальных затрат, может быть мобильной. УНС не металлоемкая и не энергоемкая. Недостатком является то, что камеру сгорания необходимо изготавливать из жаропрочной легированной стали.
Совместное сжигание с отходами углеобогащения. Отходы углеобогащения содержащие до 30 % органических веществ подаются сверху в специально сконструированное топочное устройство и сжигаются в низкотемпературном кипящем слое при дутье, обогащенном метаном.
Совместное сжигание разнофазных видов топлива (газ - твердое топливо, газ - жидкое топливо) в топках котлов через боковые щелевые форсунки.
Производится развод радиационного экрана, в области завершения тракта горения угля, через который в топку введены щелевые горелки. Через форсунки подается метановоздушная смесь, горение которой, в сечении исхода горения угля, отсекает в дымовой струе недожог угля. Из всех существую-щих технических решений совместного сжигания наиболее эффективным является последний, т.е. ввод смеси через боковые вертикально-щелевые форсунки.
Опытно-промышленная эксплуата-
ция технологии проведена на котле ДКВР-6,5/13 и показала положительный экономический и экологический эффект. Технология не имеет аналогов за рубежом.
Экологический эффект состоит в сжигании каптируемого метана и дожи-ге вредных выбросов продуктов сжигания угля, таких как оксид углерода до диокисида, дожиг частиц угля, оплавление летучей золы и сброс её со шлаком.
Таким образом, продукты сгорания угля переводятся в менее экологически вредные.
Экономический эффект от совместного сжигания угля и метана угольных пластов оценивается как суммарный показатель - снижение платы за выбросы вредных веществ, повышение производительности котла до 40 % от номинала, снижение потребления угля на 40 % и повышение КПД котла на 19 %.
Сжигание в котельных зависит от сезонного колебания спроса на тепло и поэтому не является самым рациональным способом использования метана угольных пластов.
Получение электроэнергии. Для использования с целью получения тепловой и электрической энергии выполнены работы по оценке технической возможности применения метана угольных пластов в газовых турбинах и газодизельных установках. Проведены изыскательские работы по созданию камер сгорания низкоконцентрированных метановоздушных смесей и получения вы-сокотемпера-турных рабочих тел для ГТУ.
Использование в существующих газовых турбинах метана угольных пластов потребовало создания специальной камеры сгорания низкопроцентной его концентрации и разработки специального топливного насоса. Технология получения электрической энергии и тепла путем использования газовой турбины, работающей на угольном метане разрабатывалась совместно с Московским государственным техническим университетом им. Н.Э. Баумана и АООТ "Калужский двигатель" г. Калуга. В качестве базового двигателя принят серийно выпускаемый танковый двигатель ГТУ-1250, который является приводом для электрогенератора 850 кВт. Избыток тепловой энергии с Т = 400 °С предусмот-
рено подавать на теплообменники для решения задач теплоснабжения объектов шахты. Стоимость освоения технологии высока. Электроэнергия и тепло от газовой турбины быстро не окупают капитальные затраты. Однако преимущества такой малой электростанции очевидны: подвижность, модульность, легкий запуск в самые холодные периоды зимы, сравнительно высок ресурс двигателя, экологическая чистота выбросов, что ставит установку в первый ряд по сравнению со строительством ТЭЦ или котельной. Здание для электростанций, не нужно. Себестоимость электроэнергии и тепла низкая, а расход энергии на собственные нужды невелик.
Химическое производство. Для использования в химическом производстве проведена оценка экономической, технической и экологической возможностей и целесообразности производства из метана угольных пластов целого ряда химической продукции (метанола, ацетилена, альдегидов, моторного топлива, сажи), получены удовлетворительные показатели по рассмотренным направлениям, что явилось основанием создания технологий получения названной продукции. Технологии базируются на серийно выпускаемом отечественном оборудовании.
Технология получения жидкого метана для моторного топлива не имеет аналогов в мировой практике. Суть ее заключается в том, что вначале МВС подается в конвертор, где кислород смеси соединяется с метаном и парами воды. Происходит неполное окисление метана. Далее смесь уже без кислорода поступает в метанизатор. Продукты неполного окисления на катализаторе синтезируются обратно в метан. Получается на выходе из метанизатора бинарная смесь - азот и метан. Бинарная смесь охлаждается в блоке низкотемпера-
турного разделения и подается на ректификационную колонну, где жидкий метан идет потребителю, а азот в газообразном виде, отдав холод смеси, выбрасывается в атмосферу. Экономические расчеты показывают, что несмотря на высокую стоимость технологической линии получения жидкого метана, окупаемость капитальных затрат происходит менее чем за год, Жидкий метан может быть широко использован как для решения энергетических проблем шахты, поселка, города, так и в качестве исходного химического сырья, т.к.. концентрация СН4 практически стопроцентная. При регазификации 1 м3 жидкого метана получается около 360 м3 газообразного. Поэтому, транспорт и хранение рекомендуется в жидком виде в криогенных, установках. В настоящее время на ПО "Пензахиммаш" и НПО "Криогенмаш" технологическая линия по получению жидкого метана проработана. «Пензахиммаш» и «Уралхиммаш» могут поставлять оборудование.
Технология получения метанола. Для ее осуществления метановоздушную смесь подвергают процессу конверсии и получают продукты неполного окисления СН4 без кислорода сначала в шахтной печи первой ступени, затем в трубчатой печи второй ступени. После охлаждения конвертированного газа, последующего сжатия и нагрева его, газ подается в реактор синтеза метанола. Газометанольная смесь затем охлаждается и поступает в сепаратор, где метанол отделяется от воды. Газовая фракция продувается и возвращается к исходному сырью.
Технологическая линия получения метанола дорогая, но учитывая высокую стоимость метанола на мировом рынке, окупаемость капитальных затрат ожидается за 9-12 месяцев. Метанол, кроме широкого использования в газовой про-
мышленности, находит применение в качестве 15 % добавки к жидким топливам. Но самым главным его достоинством является то, что метанол ценнейшее химическое сырье для огромного перечня получаемых из него химических продуктов.
Технология получения ацетилена
из метана угольных пластов разработана совместно с Государственным институтом азотной промышленности и ПО "Синтез" г. Борислав Львовской области на Украине. Аналогов в мировой практике не просматривается. Научнопрактический материал этой технологии требует некоторой доработки. Особый интерес представляют экспериментальные работы по производству пиролизного газа без кислородного дутья и выделение ацетилена.
Трудность заключается в том, что существующие установки по производству ацетилена из природного газа разработаны на большую произ-
водительность, а масштабировать эти процессы в сторону уменьшения трудно из-за неадекватности проходящих физико-химических процессов в аналогичных установках разных величин.
Стоимость строительства технологической линии не высокая. Себестои-
т 3
мость получения I м ацетилена из метана угольных пластов значительно ниже (40-45 %) чем получаемого из природного газа или из карбида кальция. При разработке рабочей документации целесообразно ориентироваться на потребность в ацетилене всего района, примыкающего к шахте.
Принципиальную новизну технических решений составляет комплексный подход к проблеме извлечения, подготовки и использования метана угольных пластов, при одновременном обеспечении безопасных условий работы в шахте, снижение экологического пресса, на основе применения новых технологических решений и типов оборудования.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Ельчанинов Евгений Александрович — профессор, доктор технических наук,
Ельчанинова Е.А. -
кафедра «Инженерная защита окружающей среды», Московский государственный горный университет.
