Получение безопасной метаногазовой смеси из шахтных выработанных пространств при окислительновостановительных процессах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

© К.Н. Адилов, С.Т. Исагулов, М.И. Байкенов, 2003

УДК 622.847

К.Н. Адилов, С.Т. Исагулов, М.И. Байкенов

ПОЛУЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОЙ МЕТАНОГАЗОВОЙ СМЕСИ ИЗ ШАХТНЫХ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ ПРИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОСТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ

На стадии окислительно-восстановительных процессов неполного сгорания угля большую роль играет газообразный азот, находящийся в шахтной атмосфере. Г азообразный азот утилизирует оксид углерода, так как образующаяся в процессе горения окись азота служит промежуточным каталитическим веществом при наличии насыщенных паров воды. В то же время в процессе неполного и полного сгорания образуется в большом количестве СО и Н2.

Неполное сгорание - обычно более медленный процесс, чем полное сгорание, т.к. он протекает при более низких температурах. Причём, теплота образования СО2 существенно больше теплоты образования СО (оксида углерода). Избыток влажности с воздухом сдвигает реакцию в сторону большего образования СО2, скорость образования которого в свою очередь превышает скорость образования оксида углерода (СО).

Высокий процент содержания диоксида углерода и водорода в области более низких температур может быть обусловлен разложением кислородсодержащих функциональных групп:

R • СООН > Ш +СО2 и воды, содержащейся в угле:

С + 2Н2О > СО2 +2Н2 СО + Н2О > СО2 +Н2 СО2 + С = 2СО

Основные уравнения реакций газификации угля с указанием энтальпии и энергии Гиббса:

АН кДж/моль Ag Дж/моль

1. С+О2^СО2 - 395,5 - 394,9.

2. С+0,5О2^СО - 110,9 - 136,22.

3. С+СО2^2СО + 173,5 + 122,5.

4. СО+0,5О2^СО2 - 284,5 - 238,7.

5. Н2+0,502^Н20 - 242,3 - 228,4.

6. С+Н2О ^СО+Н2 + 131,3 + 92,2.

7. С+2Н2О ^СО2+2Н2 + 89,2 + 61,9

8. СО+ Н2О ^СО2+Н2 - 42,2 - 30,3.

Энтальпия (АН кДж/моль) реакции является функцией температуры и давления. Анализ вышеприведенных уравнений, адекватно отображающих физико-химические процессы, протекающие в выработанных пространствах бросо-

вых участков показывает, что температура повышается до 120-1500 С, а давление - до 0,5-1,0 МПа. N2+02=2^

2С0+2Н20^2С02+2Н2

2Ш+2Н2^^+2Н20

2С0+02^2С02

СН4+Н20^С0+3Н2

СН4+С02^2С0+2Н2.

Конверсия метана возможна также за счет кислорода окислов металлов. Окислы металлов ^е203, Fe0, К20, №20) при этом являются переносчиками кислорода воздуха в реакционную зону ТГК, где идет процесс газификации угля. Кроме того, протекает рабочая реакция разложения метана:

СН4 ^С+2Н2,

что способствует увеличению содержания СН4 и образованию СО2:

С+2Н2^СЩ С+0,5О2^СО (1)

СО +О2^СО2 (2)

или путем комбинации уравнений (1) и (2) общая реакция, которая описывает процесс газификации угля, может быть выражена

2С+2Н2О^СО2+СН4

При увеличении температуры до 150° С содержание водорода увеличивается.

При температуре 120-150 °С и давлении не выше 0,121,5 МПа в процессе газификации угля активную каталитическую роль оказывают окислы металлов (т.е. участие в процессе минеральной части угля), а также активированный кислород и азот воздуха. Эти условия способствуют резкому снижению СО с содержанием в коллекторе до следов.

Проведены экспериментальные исследования физикохимических процессов, а также шахтные испытания на техногенных месторождениях, что позволило обосновать параметры техногенных газовых коллекторов в выработанных пространствах шахтного поля пласта кю шахты "Саранская" (лава 62-кю-В). Эти исследования проводились при шахтных испытаниях за период со 02.05.01 по 06.08.01 г.

Физико-химические и экспериментальные исследования в условиях шахты «Саранская», за период с сентября 2000 года и по август 2001 года проведенные в выработанном пространстве по пласту кю, позволяют выявить зависимости термодинамических характеристик газовой смеси, образующейся в коллекторах и выработанных пространствах. Полученный состав этой смеси: С02 - 0,1-12,0 %; 02 - 1,020,0 %; СО - 0,0001-0,0017 %; Н2 - 0,0005-0,0033%; СН4 -1,5 - 86,75 %.

При процессах газификации углей протекают окислительные и восстановительные реакции. В результате этих реакций из органической массы углей образуются СО, СО2 и СН4. При тепломассообменных процессах десорбируется СН4 из газо-угольного массива.

По данным экспериментальных исследований и одновременно шахтных испытаний протекают следующие стадии окислительно-восстановительных процессов газифика-

СОСТАВ МЕТАНОГАЗОВОЙ СМЕСИ В ГОРНЫХВЫРАБОТКАХ ШАХТЫ САРАНСКАЯ

ции угля: выделение летучих веществ - горение летучего вещества в газовой фазе - горение твердого углеродистого остатка - диффузия реагирующих газов к поверхности углерода - адсорбция - образование промежуточных комплексов - десорбция продуктов.

В таблице приведены результаты лабораторного анализа (выборочного) проб метаногазовой смеси, взятой из выработанных пространств лавы 62-кю-В за период с 11.03.01 по 30.07.01 г.

В конечном счете, научно-техническое обоснование техногенных коллекторов МГС осуществляется по следующим направлениям:

- технология получения метаногазовой смеси как нового и перспективного энергетического продукта реальна и эффективна, когда в процессе геомеханической дезинтеграции пород газоугольного массива периодически происходит уплотнение и обрушение горной массы в выработанном пространстве техногенного газового коллектора; интенсификация физико-химических процессов протекает по стадиям: тепловая десорбция метана - конверсия метана и метаногазовой смеси - каталитические процессы;

- интенсивному развитию конверсии метана и метаногазовой смеси способствуют повышенная влажность порядка 90-100 % и прогрев горных пород до 50-135еС при уплотнении обрушенного газоугольного массива в выработанном пространстве лав ТГК. В этих условиях полностью нейтрализуется СО с переходом в СО2 при синтез-газе метана, что способствует повышению безопасности ведения горных работ на шахтах;

- при катализе физико-химических процессов газо-выделения в обрушенных породах выработанного пространства лав ТГК, содержащих окислы Fe20з, Fe0,

АЬОз и др., интенсификация метановыделения повышается на 30-40 %.

Результатами теоретических и экспериментальных исследований физико-химических процессов, связанных с конверсией метана и метаногазовой смеси в выработанных пространствах лав, находящихся в зоне техногенных газовых коллекторов , обоснован новый высококалорийный энергоноситель - метаногазовая смесь, содержащая метан и водород в сумме более 6080 %, а также двуокись углерода при содержании кислорода в пределах 2,5 - 3,5 %.

Место отбора проб Смесь газов, %

О2 СО2 СО С н -Ь- Н2

Конвейерный 8,1 3,4 0,0015 47,5 -

Штрек 61-кю -в

8,5 3,0 - 46,8 0,001

5,9 2,2 0,0005 63,7 0,001

10,0 2,0 - 42,5 0,001

6,0 2,0 - 62,5 -

Г азодренажный 1,0 0,5 - 40,0 -

штрек пласта кю

1,7 0,1 - 92,0 -

7,7 0,1 - 65,0 -

5,0 0,4 0,0005 75,5 -

3,9 0,1 0,0006 78,0 -