CC BY
75
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ УГЛЕМЕТАНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОГИДРАТНЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Александр Яковлевич Хавкин
Институт проблем нефти и газа РАН, главный научный сотрудник, РГУ нефти и газа им.
И.М. Губкина, КНИТУ, профессор, доктор технических наук, 119333, Москва, ул. Губкина,
3, ИПНГ РАН, 8(916)654-44-24, e-mail: [email protected].
Показано, что применение газогидратных технологий с учетом наноявлений позволит очистить шахтный воздух от метана, который затем можно использовать в качестве горючего. Также дегазация шахтного воздуха снизит аварийность при добыче угля шахтным способом.
Ключевые слова: углеметан, газогидрат, переработка и использование, снижение аварийности.
COILMETANE RESOURCE SAVINGS WITH APPLICATION GASHYDRATES NANOTECHNOLOGIES
Alexander Ya. Khavkin
Institute for Problems of Oil&Gas RAS, Chief scientific researcher, RSU of Oil&Gas named af.
I.M.Gubkin, RNRTU, Prof., Doct. Tech. Sc., 119333, Moscow, Gubkin st., 3, IPO&G RAS, 8(916)654-44-24, e-mail: [email protected].
It is shown that application gashydrates technologies with the nanophenomena account will allow to clear of mine air from methane which then can be used as fuel. Also clearing of mine air will lower breakdown susceptibility by a coal mining way.
Key words: coilmethane, gashydrate, processing and use, reduction in breakdown susceptibility.
24 января 2012 г. Председатель Правительства РФ В.В. Путин провел в шахтерском городе Кемерово совещание «Об итогах реструктуризации и перспективах развития угольной промышленности» и подписал «Долгосрочную программу развития угольной промышленности России до 2030 года». В.В. Путин поставил задачу увеличить добычу угля в РФ с нынешних 336 млн. т до 430 млн. т в 2030 г. При этом В.В.Путиным было отмечено, что уже принято решение вложить дополнительные средства в НИОКРы по безопасности: «В целом сформирован на сегодняшний день целый набор административных и экономических рычагов, обязывающих работодателя строго соблюдать требования безопасности, вкладывать инвестиции в охрану труда. Мы закрепили это на нормативном уровне. Кардинально изменены и принципы оплаты труда горняков, и здесь также акцент сделан именно на безопасность труда, чтобы жизнь и здоровье горняка не приносились в жертву объёмам добычи» [0].
Одним из важнейших аспектов соблюдения техники безопасности при шахтной добычи угля является очистка шахтной воздушной среды от метана, и
не просто очистка, а превращение угольного метана в энергетический продукт, обеспечивая тем самым энергосбережение углеметана. За счет использования энергоресурса углеметана планируется полностью обеспечить предприятия и население Кемеровской области метаном, и на электростанциях - за счет метана планируется выработка электрической энергии [2].
Доказанные запасы угля в России составляют более 157 млрд. т [3], но добыча угля в России осложняется тем, что в нашей стране средняя метаноносность угольных пластов превышает среднемировую метаноносность в 1,7 раза, составляя более 100 м метана на 1 т угля [4]. При этом шахтным способом в России добывается более 100 млн. тонн угля в год [5].
Пыль и газообразные продукты в атмосфере горных выработок являются во многих случаях источниками профессиональных заболеваний, а также катализаторами возгораний и взрывов. Заболевания органов дыхания горняков являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля: предельно допустимая концентрация (ПДК) метана в воздухе составляет 7 г/м3 [6]. Взрывы газа и пыли в подземных выработках сопровождается наибольшим числом жертв, а пожары - максимальным экономическим ущербом. Разработка метаноносных угольных пластов продолжает оставаться одним из основных факторов риска взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями [7].
Динамика травматизма со смертельным исходом и аварийности при добычи угля на шахтах РФ показывает, что в шахтах угледобывающих бассейнов России гибнет ежегодно около 100 человек из-за взрывов метана, которые происходят во всех категориях шахт по газу, в целом 30-40 аварий в год [8]. Число погибших при авариях на угольных шахтах весьма значительно и в большинстве угледобывающих стран превышает 50 человек в год, иногда достигая 300-400 человек в год в таких странах как ЮАР, Япония, Индия [9].
Необходимость предварительной дегазации угольных пластов в России определена законодательно [10], что превращает задачу по эффективному извлечению углеметана из угольных шахт в правовую норму.
Существующие технологии удаления шахтного метана базируются на минимизации его просачивания во внутришахтное пространство [7, 8, 11, 12], а также на активной вентиляции шахт [13]. Активность вентиляции шахт ограничена скоростью потока воздуха в выработках и призабойном пространстве [13], что налагает ограничения на использование приточновытяжной вентиляции при протяжённых горных выработках, а также увеличивает затраты на создание вентиляционных систем шахт с протяжёнными выработками. Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций за счет вентиляционной струи свежего воздуха в основных выработках участка угледобычи ещё не является гарантией безопасности ведения работ в конкретном штреке. Эпизодические «всплески» концентрации метана могут превышать допустимые пределы и вызывать его воспламенения, переходящие во взрывы [7].
Проникнование метана в шахтный воздух вызвано тем, что относительно легко из угля может быть выделен свободный метан (примерно 30%), и еще
частично может быть выделен адсорбированный метан, общий объем которого составляет до 70% метана, содержащегося в угольном пласте. Извлечение адсорбированного метана, находящегося в виде твёрдого раствора в угле в порах размером 10 нм и менее [14-16], представляет наибольшую сложность.
Нанопоры в угольном пласте делают процесс предварительной дегазации угольных пластов различными способами весьма затратным и низкоэффективным, и значительное удаление метана из угольного пласта невозможно, пока в нём не будет проведена эффективная деструкция нанопор [16, 17], поскольку в процессе выработки нанопоры горного массива могут трансформироваться в метанопроводящие каналы, обеспечив их подвижным метаном.
Оказалось, что проблема утилизации и ресурсосбережения углеметана может быть решена путем перевода шахтного метана в газогидратную форму с последующим использованием этого газогидрата как топливо [18-20]. В имеющихся публикациях о возможности перевода метана в гидратную форму используется «клатратный» механизм образования гидрата, основанный на том, что молекула углеводорода входит в полость кристалла воды и находится в ней (из-за невозможности выхода) с образованием соединений-включений, которые носят название «клатрат» (например, [21]).
Вместе с тем, изучение наноособенностей образования гидратов показало, что возможен «метониевый» механизм образования гидрата [22]. Суть его в том, что межплоскостное расстояние трех атомов водорода в тетрагональной молекуле метана превышает 0,22 нм, что позволяет проникнуть в эту тетраэдрическую полость протону, имеющему размеры менее 0,05 нм, и приводит к образованию из метана метастабильного иона метония СН5+ [23], который может существовать только в присутствии жидкой водной фазы за счет диссоциации. При последующей гидратации ион метония образует газогидрат.
Гидрат метана остаётся стабильным при невысоком давлении и умеренных отрицательных температурах [21]: гидрат метана остаётся стабильным при температуре -5°С и давлении менее 1 МПа. Это позволяет безопасно хранить гидрат метана, при этом емкость для его гранения будет иметь значительно меньшее рабочее давление, чем рабочее давление баллонов для хранения компримированного метана, а также будет менее требовательна к необходимому слою теплоизоляции в сравнении с криогенными сосудами, предназначенными для хранения сжиженного метана.
Плотность гидрата метана равна 913 кг/м . Газовый гидрат объёмом 1 м3 содержит примерно 160 м3 чистого газа и 0,85 м3 воды (сжиженный газ содержит в 1 м3 до 600 м3 газа, но при значительно более высоком давлении). Для высвобождения метана из газогидратов требуется примерно в 15 раз меньше энергии, чем содержащаяся в самом метане тепловая энергия.
Наноразмерный подход на основе иона метония стал основой для поиска новых реагентов и технологий регулирования состояния газогидратов, что позволило обосновать нанотехнологию и установку перевода метана (в том числе из смеси с воздухом) в гидратную форму со значительной экономитей энергии относительно традиционного перевода метана в метангидрат [18-20].
Таким образом, установка для работы шахтера в индивидуальном штреке мощностью 5 кВт будет иметь вес 70-100 кг и обеспечит очистку 1 м (при нормальных условиях) воздушной среды в минуту. Габариты установки 0,6 х 0,6 х 0,8 м. При концентрации метана 3% в воздушной среде такая установка
3 3
утилизирует метана 5 м в час или 30 м за 6 часов. Установка мощностью 120 кВт (для основных штреков) обеспечит при концентрации метана 3% в воздушной среде очистку 30 м3 воздушной среды в минуту и утилизирует метана 70 м3 в час или 1,7 тыс. м3 метана в сутки. Габариты установки 2 х 2 х 3 м , вес 2,5 т.
При внезапных выбросах метана, мгновенная производительность указанных установок увеличится, что парирует эти увеличения концентрации метана.
3
Объем выделения метана в ряде шахт - 150-170 тыс. м в сутки [24]. Поэтому в такой шахте можно будет произвести 1 тыс. м метангидрата в сутки. Для его утилизации понадобится 10 установок мощностью 1,7 тыс. м метана в сутки. При стоимости 1 тыс. м3 метана на внутрироссийском рынке примерно $100, получим, что за сутки будет вырабатываться метана на $16 000, а за месяц -на $480 000 (или 14 млн. руб.). При стоимости 1000 м3 метана на мировом рынке примерно $400, получим, что за сутки будет вырабатываться метана на $64 000, а за месяц - на $2 000 000. Т.о. углеметангидрат - ценный продукт.
За счет уменьшения вероятности взрывов метана будут уменьшены возможные потери из-за таких взрывов, и поэтому также будут сэкономлены значительные средства от потерь на восстановление шахт после таких взрывов.
Нанотехнологии перевода углеметана в гидратную форму позволят обеспечить рентабельное ресурсосбережение, хранение, транспорт и бытовое использование углеметана.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Совещание «Об итогах реструктуризации и перспективах развития угольной промышленности» 24 января 2012г. [Электронный ресурс] // Режим доступа: Интернет, Ьйр://правительство.рф/ёос8/17848/.
2. Тулеев А.Г. Угольный регион становится газо-угольным // Нефть России. - 2011. -№ 2. - С. 32-39.
3. BP Statistical Review of World Energy, June 2011 [Электронный ресурс] // Англ. -Режим доступа: Интернет, bp.com/statisticalreview/, 30 р.
4. Рубан А. Д. Проблема шахтного метана в России // Уголь. - 2012. - № 1.
5. Таразаров И. Итоги работы угольной промышленности России за январь-сентябрь 2011 года // Уголь. - 2011. - № 12.
6. Г игиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» [Электронный ресурс] // Режим доступа: Интернет.
7. Шувалов Ю.В., Смирнов Ю.Д. Твердеющие смеси для защиты от негативного воздействия техногенеза и окружающей среды [Электронный ресурс] // Режим доступа: Интернет. - Популярное бетоноведение. - 11.06.2008.
8. Шувалов Ю.В. Безопасность жизнедеятельности трудящихся в горнодобывающих регионах Севера // С.-Пб.: МАНЭБ. - 2006.
9. Гражданкин А.И. Крупнейшие промышленные аварии: из углепрома в
постиндустрию // Безопасность труда в промышленности - 2011. - № 8. - С. 60.
10. Федеральный закон РФ от 26 июля 2010 г. № 186-ФЗ «О внесении изменений в статьи 1 и 14 Федерального закона «О государственном регулировании в области добычи и использования угля, об особенностях социальной защиты работников организаций угольной промышленности» и отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс] // Режим доступа: Интернет.
11. Угольная промышленность за рубежом / Зайденварг В.Е., Гаркавенко Н.И., Афендиков В.С. и др. // М.: Горная промышленность. - 1993. - 389 с.
12. Чубриков А.В. Применение полимерных технологий для повышения эффективности и безопасности горных работ // Безопасность труда в промышленности. -2006. - № 9.
13. ПБ 05-618-03. «Правила безопасности в угольных шахтах» [Электронный ресурс] // Режим доступа: Интернет.
14. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах // М.: Наука. - 1987. - 310 с.
15. Жекамухов М.К., Жекамухова И.М. К проблеме внезапных выбросов угля в шахтах [Электронный ресурс] // Эл. журнал «Исследовано в России». - 2003. - № 4. - С. 526-538.
16. Хавкин А.Я. Уголь как наноколлектор природного газа // Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям, Материалы Конференции в г. Москва 18-19 ноября 2008г. - ГД РФ. - М.: Нефть и газ. - 2008. - С. 236-237.
17. Хавкин А.Я. Учет наноразмерных явлений при «работе» с метаном угольных пластов // Добыча метана из угольных отложений. Проблемы и перспективы, 31 марта 2010 г. - РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. - СБ. - 4с.
18. Хавкин А.Я. Нанотехнологические инновации в газовой промышленности // Газовый бизнес. - 2009. - март-апрель. - С. 62-64.
19. Хавкин А.Я. Наноявления и нанотехнологии в добыче нефти и газа / под ред. член-корр. РАН Г.К. Сафаралиева // М.: ИИКИ. - 2010. - 692 с.
20. Хавкин А.Я. Применение нанотехнологий для утилизации метана // Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям, Материалы Конференции в г. Москва 21-22 октября 2010г. - М.: Нефть и газ. - 2010. - С. 420-421.
21. Временная инструкция по предупреждению и ликвидации гидратов в системах добычи и транспорта газа / Ю.Ф.Макогон, А.Г. Малышев, А.Д.Седых и др. // М.: ВНИИГАЗ. - 1983. - 132с.
22. Сорокин А.В., Хавкин А.Я. О механизме гидратообразования / РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Научный Совет РАН по проблемам геологии и разработки месторождений нефти и газа, Международная научно-техническая конференция «Нефть, газ Арктики», М., 2006 // М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. - 2007. - С. 227-236.
23. Тальрозе В.Л., Любимова А.К. Вторичные процессы в ионном источнике масс-спектрометра // ДАН СССР. - 1952. - т. 86. - С. 909-912.
24. Крапчин И.П., Митрофанов В.О. Эффективность утилизации шахтного метана и влияние его использования на экономику угледобывающих предприятий // Уголь. - 2001. -№ 9.
© А.Я. Хавкин, 2012
