CC BY
31
© М.В. Шмидт, О.С. Шилкова, 2009
УДК 622.831
М.В. Шмидт, О.С. Шилкова
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАНА
Приведено описание технологической схемы использования метана, извлекаемого из скважин гидрорасчленения, для получения технического углерода; рассмотрен принцип работы конвертора метана и возможности изменения технических параметров процесса использования метана. Также в статье произведен расчет основных технических характеристик процесса, на основании которых определены граничные условия использования рассмотренной установки и необходимое соотношение доли метана и воздуха в газовой смеси на входе в реактор для нормального протекания реакции. Было установлено, что демонстрационный конвертор метана может быть установлен на скважине гидрорасчленения, имеющей стабильный дебит метана на уровне 0,2-0,3 м3/мин с концентрацией 96-98%.
Ключевые слова: снижение выбросов парниковых газов, ковертор метана, разложение метана, технический углерод, дебит метана, скважины гидрорасчленения.
щ я роблема глобального потепления в последние годы ста--Ж.Л. новится все более острой. Один из показательных фактов — льды Арктики в последние годы исчезали с гораздо большей скоростью, чем было предсказано в последнем сводном отчёте МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата). Поэтому проблема снижения выбросов парниковых газов весьма актуальна.
При выбросе в атмосферу 512 м3 СН4, эквивалентны 7,16 т СО2 . Даже при обычном сжигании метана в факеле обеспечивается значительное снижение выбросов парниковых газов (ПГ), поскольку при его при сжигании образуется всего одна тонна СО2. Следовательно, сжигание 1000 м3 метана эквивалентно снижению выбросов парниковых газов (в перерасчете на СО2) на 12 т.
Исходя из анализа известных технологий получения сажи из природного газа, УД АО «АрселорМиттал Темиртау» совместно с МГГУ разработана инновационная технологическая схема переработки шахтного метана.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема: 1 - станок-качалка; 2- скважина гидрорасчленения; 3 - диафрагма; 4 - конвертор метана; 5 - циклон сажи
Принципиальная технологическая схема использования метана, извлекаемого из скважин гидрорасчленения, для получения технического углерода приведена на рис. 1.
Для обеспечения эффективного разложения метана внутри термостойкой поверхности, которая в экспериментальной установке была выполнена из нержавеющей стали, необходимо ее нагреть до температуры свыше 1100 оС.
Соотношение потоков метана, направляемых на сгорание и на разложение составляет 1:1. 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 = а С + (1-а)СО2 + 2 Н2О +
+(805-371,8а) МДж/кМоль, (1)
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 во-
дород необходимо затратить 9-14 % тепловой энергии, выделяющейся при сгорании смеси. Это количество тепловой энергии может быть передано за счет радиационного теплообмена факела сжигаемого газа. Известно, что адиабатная температура (теоретическая температура газо-воздушной стехиометрической сгорающей смеси), соответственно для метана и для водорода составляет 2030 и 2230 оС. Реальная температура стехиометрических смесей будет на 25-30% меньше за счет излучения факела. Таким образом, реален прогрев поверхности разложения до требуемой температуры.
Конвертор метана представляет собой цилиндрический металлический корпус, собираемый снизу вверх поочередно из 4 сборочных едениц. Корпус изнутри футеруется асболистом, толщиной 5 мм, и огнеупорным кирпичом, укладываемом на огнеупорную глину. Сверху зафутерованный корпус закрывается асболистом и металлической крышкой. В крышке конвертора устанавливается предохранительный клапан из асболиста. При этом требуемая по расчету площадь этого клапана должна быть не менее (исходя из условия 0,025 м2 на 1 м3 объема камеры сгорания) 0,025х0,17=0,004 м2.
В процессе освоения рабочая жидкость из скважины гидрорасчленения по насосно-компрессорной трубе извлекается погружным плунжерным насосом с приводом от станка-качалки 1 (рис. 1). Метан с концентрацией 94-96% из дегазируемого угольного пласта поступает по затрубному пространству скважины 2. Исследованиями установлено, что избыточное давление на устье скважины в 0,1-0,2 МПа практически не оказывает влияния на дебит газа [1], который контролируется с использованием диафрагмы 3. От скважины по трубной обвязке метан подается в конвертор. При этом потоки метана, подаваемого на сгорание и на разложение регулируются вентилями (В1 и В2). Необходимый для сгорания воздух может подаваться как принудительно - с помощью воздуходувки, так и в режиме его естественной тяги за счет высокой разницы температуры продуктов сгорания и разложения в корпусе конвертора и окружающей среды.
Продукты сгорания и разложения метана из верхней части конвертора 4 поступают в сажевый циклон 5. Основная часть полученной сажи осаждается в циклоне. На газовом выходе Расчет параметров циклона
Наименование | Конический циклон | Цилиндрический циклон
формула значение, мм формула значение, мм
Ширина входного патрубка 0,71 ^)1/2 37 0,76^)1/2 40
Высота входного патрубка 1,42(F)1/2 74 1,32^)1/2 70
Диаметр выхлопной трубы 2,15^)1/2 112 2,15^)1/2 112
Наружный диаметр кор- 3,55(F)1/2 186 3,65(F)1/2 190
пуса
Высота цилиндрической части 1,04(F)1/2 52 5,65(F)1/2 290
Глубина погружения выхлопной трубы 0,7(F)1/2 37 5,65(F)1/2 290
Диаметр патрубка выдачи сажи 0,45(F)1/2 24 0,45(F)1/2 24
Высота конуса 5,65^)1/2 290 4,0^)1/2 200
циклона установлена горелка для дожигания выбрасываемых в атмосферу продуктов реакций.
Циклон соединен с емкостью, из которой периодически удаляют полученный технический углерод.
При температуре газов на входе циклона порядка 600оС, расход продуктов реакции составит (0.08-0.10 м3/с.) х 600/1000 =0.05 - 0.06 м3/с.
Площадь сечения входного патрубка равна F= Qг. (Т) / V,
где Qг. (Т) - объем сажегазовой смеси, м/с; V - скорость сажегазовой смеси (V =15-25 м/с).
^)1/2=(0,055/20) 1/2 =0.052 м
Расчет параметров циклона представлен в таблице. Сопротивление циклона Р = к V2) /2§, мм вод ст.,
К - коэффициент =3,0-3,5; J - удельный вес газов, кг/ м3; g = 9.8 м/с2.
Р =3.5 х 202 х 1.29 (273/873)/(2 х 9.8)=28,8 мм вод ст.
Расчет параметров демонстрационного конвертора по потребляемому метану производился из условия обеспечения временного
интервала, требуемого для разложения и стабилизации сажегазовой смеси.
При диаметре Д=(0.426-0.012-0.16=0.254 м), пропускное сечение установки по летучим продуктам реакции составит 0.051 м2.
Время, необходимое для разложения метана и стабилизацию сажегазовой смеси составляет 1.5-2.0 секунды. При длине реактора установки 3.0 м, скорость движения в нем продуктов реакции равна 1.6-2.0 м/с.
При этом общий расход газов, нагретых до температуры 1000оС, составит 0.08-0.10 м3/с.
При нормальных условиях, расход газов (на входе установки) будет равен
Qг.н.у. = Qг. (Т) х 273/(Т+273) = 0.017 - 0.021 м3/с, или 1.0-1.3 м3/мин.
Исходя из условия неполного (50 %) сжигания (СН4+2О2= О2+2Н2О) метана, для реакции с 1 м3 газа необходим 1 м3 кислорода или около 5 м3 воздуха. Таким образом, смесь газов на входе реактора должна содержать на одну часть метана 5 частей воздуха.
Тогда производительность установки по метану составит Qм.н.у. = 0.17-0.22 м3/мин.
Конвертор метана может быть установлен на скважине гидрорасчленения, имеющей стабильный дебит метана на уровне 0,2-0,3 м3/мин с концентрацией 96-98%.
Исходя из производительности демонстрационного конвертора 0,2-0,3 м3 метана в минуту, и допустимой скорости движения газа в 10 м/с, диаметр подводящих газопроводов составит 18 мм.
Принимаем диаметр подводящих газопроводов и проход вентилей В1 и В2 равным Д = 25 мм.
Данный способ утилизации при незначительной доработке может быть использован и при извлечении метановоздушной смеси вакуум-насосными станциями. Необходимым условием в этом случае является контроль концентрации метана и возможность управления потоками газа. Развитие данного способа утилизации реализовано в работе[2].
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М., МГГУ, 2002, - 383 с.
2. Способ получения газовой сажи. Патент РФ № 2366147 от 10.06.2008/ Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Шмидт М.В., Коликов К.С. шна
Schmidt M. V., Shilkova O.S.
DEFINITION OF KEY PARAMETERS POWER TECHNOLOGICAL PROCESSING METHANE
The article describes the technological scheme of using methane extracted from wells hydrofracturing, to obtain carbon black; considered the principle of the converter, methane and the possibility of changing the technical parameters of the process of using methane. Also in the article calculated the main technical characteristics of the process under which defined the boundary conditions of the considered set and the required ratio of methane and air in the gas mixture at the reactor inlet for the normal reaction. It was found that the demonstration of methane converter can be installed on a well hy-drofracturing having a stable flow rate of methane at the level of 0,2-0,3 m 3 / min with a concentration of96-98%.
Key words: reducing greenhouse gases, methane kovertor, decomposition of methane, carbon black, methane flow rate, well hydrofracturing.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Шмидт М.В. - доктор технических наук, Управление «Спецшахтомон-таждегазация» УД АО «АрселорМиттал Темиртау»,
Шилкова О.С. - ассистент каф. ИЗОС, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
