CC BY
39
--------------------------------- © Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова,
2007
УДК 622.411.33
Е.А. Ельчанинов, Е.А. Ельчанинова
ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ МАЛОЙ ХИМИИ
Семинар № 10
Комплексное освоение угольных месторождений является актуальной задачей современной угольной промышленности. Угольные месторождения обладают огромными запасами метана, который в современных условиях при разработке пластов угля выбрасывается в атмосферу вентиляционными и дегазационными системами шахт, причиняя ущерб окружающей природной среде, усиливая парниковый эффект.
Полномасштабная утилизация метана угольных пластов сдерживается из-за отсутствия стабильной концентрации, давления и дебита извлекаемого метана, что не позволяет его использовать в промышленных теплоэнергетических установках и для производства химических продуктов. Существующие промышленные установки по переработке метана работают при стабильных параметрах, т.е. дебите, концентрации и давлении метана в рабочей сети.
Проблема утилизации метана дегазационных и вентиляционных систем шахт носит экологический, экономический и социальный аспекты. В настоящее время рассматриваются различные пути утилизации, но технически и экономически не все технологии осуществимы. В связи с этим нами проведен анализ существующих и разрабатываемых технологических процессов по выпуску химической
продукции, получаемой из метановоздушных смесей дегазационных и вентиляционных систем. Рассмотренные варианты доведены до типовых проектов и базируются в основном на серийно выпускаемом оборудовании заводами отечественного химического машиностроения, в частности АО «Пензахиммаш» и АО «Уралхиммаш».
На сегодня добывается дегазационными системами шахт порядка 420470 млн м3 метана и 4,5-5 млрд м3 выносится вентиляционными системами. Используется порядка 12-15 % метана, извлекаемого дегазационными системами.
Дегазационные и вентиляционные системы изначально не предусматривают утилизацию и промышленное использование метана, их задача -обеспечение безопасных условий работы в горных выработках.
Добыча угля, извлечение и промышленное использование метана угольных пластов должно быть единым технологическим процессом в деятельности шахт, что позволит обеспечить безопасность горных работ, снизить негативное воздействие на экологию, получить дополнительные сырьевые и энергетические ресурсы, позволяющие производить химические продукты с собственной потребительской стоимостью, улучшить экономику шахт и конкурентоспособность угля добываемого ими.
На сегодня разработаны технологии и адаптировано серийно выпускаемое оборудование для получения химической продукции и дальнейшего развития малой химии на базе метана угольных пластов. Выполнен ряд работ по созданию технологий использования метановоздушных смесей вентиляционных систем шахт в промышленных химических установках для получения октамикса, ацетилена, формальдегидов, а также дегазационных систем для получения метанола, технической сажи и моторного топлива.
Разработан проект установки получения моторного топлива для Воркуты. Стоимость освоения проекта определено в сумме 680 млн руб. в ценах 1991 года. Разработан типовой проект на строительство. Наличие значительного количества азота и кислорода в метановоздушных смесях затрудняет использование их в химическом производстве.
Поэтому, утилизация метановоздушных смесей дегазационных и вентиляционных систем шахт для химических производств рассматривается в двух направлениях. Первое направление предусматривает прямое использование шахтного газа для химических производств, в этом случае из метановоздушных смесей непосредственно получают химические продукты. Вторым направлением является получение из метановоздушных смесей чистого (97-100 %) метана с последующим его использованием в различных сферах химических производств. Полученный таким образом метан значительно расширяет область использования его для производства аммиака, метанола, октамикса, высших спиртов, ацетилена, сажи и др.
Экономический аспект - получение ряда новых продуктов из утилизируемого метана, имеющих рыночный спрос и свою потребительскую цену.
Экологический аспект - исключение выбросов в атмосферу, снижение парникового эффекта, улучшение региональной экологии.
Социальный аспект - создание новых рабочих мест, что важно при реструктуризации угольной промышленности, повышение безопасности работ.
Технический аспект - технологии базируются на серийно выпускаемом оборудовании отечественными заводами «Пензахиммаш» и «Уралхиммаш».
Рыночный аспект — товарная продукция (метанол, метан, октамикс, формальдегиды, ацетилен, техническая сажа) пользуется большим спросом на внутреннем и внешнем рынке.
Фактическое состояние - выполнены работы по технологическим процессам, определена номенклатура оборудования, дана укрупненная технико-экономическая оценка.
Прямое использование метановоздушных смесей (МВС) дегазационных систем шахт для химических производств обуславливает узкую область его применения. В случае же получения из МВС чистого метана с последующим его использованием в различных сферах химического производства значительно расширяет круг его использования. Для получения чистого метана создан процесс, основанный на выжигании кислорода из МВС с последующей подготовкой газовой смеси для низкотемпературного блока разделения. Для этого процесса проведена работа в объеме типового проекта, выполнена конструктивная проработка основного технологического оборудования.
Жидкий метан при атмосферном давлении имеет температуру кипения около минус 162 °С. Его объем при этом в 600 раз меньше объема газа при нормальных условиях. Это позволяет транспортировать его на значи-
тельные расстояния и использовать в качестве топлива для транспортных средств.
Мощность производства моторного топлива из МВС при продолжительности работы установок 317 дней в году составляет 5187 тдж.
Отработанные катализаторы конверсии МВС и метанирования отправляются на переработку на комбинат «Южуралникель». Низкотемпературное разделение МВС с получением метана в газообразном виде с давлением 0,4 МПа и дальнейшим дожатием его на АГНКС до 25 МПа с целью заправки автомобилей.
Экономический эффект выделения метана из МВС. Количество МВС в год 24000 тыс. м , стоимость 2160 тыс. дол., годовые затраты - энергоматериальные 278,4 тыс. дол., условно - постоянные расходы - 291,9 тыс. дол., годовой доход за вычетом налогов 514,8 тыс. дол. единовременные затраты на строительство 1525,1 тыс. дол. и на загрузку катализаторов 43 тыс. дол. Период возврата единовременных затрат 1,5 года.
В 1993 году, по согласованию с руководством ПО «Воркутауголь» был разработан проект строительства станции для получения моторного топлива с целью отказа ввоза традиционного жидкого топлива и перевод автотранспорта г. Воркуты на газовое топливо, получаемое из шахтного метана дегазационных систем. Проект разрабатывали ИГД им. А.А. Скочин-ского лаборатория «Комплексного использования минеральных ресурсов», Государственный институт азотной промышленности (ГИАП), НПО «Криогенмаш» и АО «Пензахиммаш». По проекту, строительство станции стоило 680 млн руб. в ценах 1991 года. Объединение не смогло реализовать проект из-за недостаточного собственного финансирования и от-
каза от долевого участия «Росугля» и Комитета по науке РФ. В связи с этим разработчиками была проведена работа по созданию модулей получения моторного топлива, обеспечивающих использование метана на отдельных шахтах. Работа не завершена из-за прекращения финансирования НИОКР.
В целях выбора оптимальной схемы производства метана проведена проектная проработка по двум схемам получения синтез — газа. Первая схема предусматривает конверсию шахтного метана в шахтном конверторе при соотношении пар-метан равном 2, температуре 300 °С и давлении 25 атм. Синтез-газ после шахтного реактора имеет факториал і (Н2-02)/(С0 +СО2) = 1,52, что значительно ниже оптимальной величины (2,0-2,3). Кроме того, газ содержит значительное количество азота и метана, это ухудшает его использование как синтез - газа для метанола.
Второй вариант получения синтез -газа предусматривает двухступенчатую конверсию шахтного газа.
Первая ступень - шахтная конверсия при давлении 25 атм., температуре 300 °С и соотношение пар - метан равное 2. Затем газ поступает на вторую ступень конверсии - трубчатую печь. Газ после трубчатой печи имеет оптимальный факториал Р = 2,18. Этот вариант на наш взгляд является оптимальным и принят за базовый. При этом варианте производительность установки 1,15 т/час стопроцентного метанола, расходный коэффициент - 4416,23 нм3 (свежего газа)/т, давление синтеза-100 атм., кратность циркуляции - 11,0.
Окисление метана в метанол при давлении 30-40 атм. и температуре 300-500 °С осуществляется некаталитическим и каталитическим путем. При использовании цеолитовых ката-
лизаторов удается достичь селективности 75 % при конверсии 5-10 %. Себестоимость 1 т. равна 54,3 дол., а реализация - 90 дол. за 1 т.
В настоящее время в промышленности разных стран процесс получения ацетилена окислительным пиролизом имеет наибольшее применение по сравнению с другими способами его получения. Прямое получение ацетилена из шахтного газа окислительным пиролизом не возможно из-за большого содержания в нем инертного газа - азота. Поэтому процесс получения ацетилена в данном случае осуществляется в два этапа:
Установка получения ацетилена состоит из двух основных узлов -производства пиролизного газа и выделения ацетилена. Годовая производительность - 60 т., что соответствует заполнению 36-37 баллонов ацетилена в сутки. Расход газа при этой производительности - 403 м3/ч. или 6,71 м3/мин.
Термоокислительный пиролиз метана с образованием ацетилена происходит при температуре 1300-1500 °С в реакционной камере. Для предотвращения разложения образовавшегося ацетилена газы пиролиза подвергают закалке обратной водой грязного цикла (рисунок).
В одном баллоне под давлением 16 кг/см2 и температуре 20 °С находится 4,2 м3 ацетилена, для его получения необходимо 564 м3 МВС с концентрацией метана 25 %, по метану 141 м3 (9,4 м3/мин. МВС или 2,35 м3/мин. СН4).
Теплотворная способность ацетилена 13400-14000 ккал/м3, температура горения ацетилена в воздухе 2350 °С, в кислороде 3150 °С. Температура самовоспламенения чистого ацетилена при атмосферном давлении 335 °С.
1 этап - получение метана из МВС;
2 этап - процесс получения ацетилена из метана в смеси с кислородом.
Оптимальное количество ацетилена образуется при О2:
СН4 = 0,55 -0,65.
Стоимость основного технологического оборудования установки получения ацетилена из шахтного газа составляет 110 тыс. дол.
Себестоимость 1 м3 ацетилена - $ 1,42.
Себестоимость 1 баллона емкостью 4,2 м3 - 5,97 дол.
Себестоимость 1 баллона с учетом затрат на заполнение, проверку и ремонт- 18,5 дол. Цена реализации 1 баллона ацетилена - 42,25 дол. Годовая прибыль от реализации - 274873 дол. Срок окупаемости - пять месяцев.
При окислении метана получается два продукта. При окислении при повышенном давлении (свыше 30 атм.) основным продуктом реакции является метанол, при давлении близком к атмосферному образуется главным образом формальдегид.
Прямая конверсия метана в формальдегид является перспективным методом переработки МВС. Только при получении формальдегида возможно использование МВС с малой концентрацией метана. Метан, выделенный из вентиляционных потоков, может быть переработан в формалин. При низких конверсиях п = 0,05-2 % селективность достигает 79 %, начальное содержание метана 1-3 %, повышение концентрации метана увеличивает максимальное содержание формальдегида и это необходимо учитывать при выборе условий для технологического процесса.
Для получения формальдегида при низкой концентрации метана в метановоздушной смеси 1-3 % необходима температура 900-1000 К.
Рис. 1.1- газодувка; 2, З - фильтры; 4 - подогреватель; 5 - смесительная камера реактора; 6 - тарельчатый скруббер; 7 - коксовый фильтр; 8 - пенный коленчатый аппарат; 9 - осветлитель; 10 - сажеотстойник; 11 - коипрессор; 12 - барботер; 13 - газодувка для отбора газа; 14 - емкость воды для подпитки котла для выработки пара; 15 - пароводяной котел; 16 - емкость воды; 17, 18, 19, 20 - насосы; 21 - аппарат подачи кислорода; 22 - аппарат продувки системы
При производстве альдегидов есть возможность получать 6-10 % объема от используемого метана, т.е. с каждого миллиона кубических метров 60100 тыс. т альдегидов. На рынке спрос на альдегиды постоянно растет. Сегодня 1 т формалина на мировом рынке стоит более 5 тыс. дол.
Экономический эффект от улучшения экологии, в результате снижения выбросов в атмосферу, превышает в 1,5-1,8 раза получаемую выгоду
от произведенной дополнительной продукции из утилизированного метана.
Комплекс выполненных работ по созданию технологий малой химии позволяет использовать до 90-95 % извлекаемого метана из угольных пластов. Все они базируются на серийно выпускаемом оборудовании, производимом АО «Пензахиммаш» и АО «Уралхиммаш». гггга
— Коротко об авторах----------------------------------------------------
Ельчанинов Е.А., Ельчанинова Е.А. - Московский государственный горный университет.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОРОЗОВ Александр Анатольевич Интенсификация технологии кучного выщелачивания бедного уранового сырья Стрельцовского рудного поля 25.00.22 к.т.н.
