CC BY
60
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И ОХРАНА ТРУДА»
^ В.А. Бойко, 2000 ”
УДК 681.5:622.817.478
В.А. Бойко
^ОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ГАЗОВЫХ ШАХТ
П ри существующей технологии ведения горных работ и ограничениях по обеспечению их безопасности и применяемых способах борьбы с метаном основная масса его выделяется из обнаженных поверхностей угольных пластов, измельченного выемочными машинами угля, выработанных пространств, а также почвы и кровли призабойного пространства в атмосферу выемочного участка, где в соответствии с действующими Правилами безопасности метан должен быть разбавлен подаваемым в шахту воздухом до концентраций : 2 %-местные скопления, 1 % - на выходе из лавы в вентиляционный штрек (1,3 % -при наличии аппаратуры аэрогазо-вой защиты), 0,75 % - в общешахтной исходящей струе. Для удаления одного кубометра метана из шахты требуется подать не менее 133 м3 воздуха. Цена безопасности работ достаточно высока: например, на сверхкатегор-ной шахте с относительной газо-обильностью 20 м3 метана на тонну добываемого угля и суточной производительностью 5000 тонн/сутки в окружающую среду будет выброшено 100 тысяч м3 метана (стоимость - минимум 8200 $ ежесуточно ) и для отправки этого «подарка» в небо потребуется вентилятор производительностью минимум 160 кубометров воздуха в секунду, которому даже при отличной по аэродинамическому качеству шахтной вентиляционной сети потребуется двигатель мощностью минимум 1000 квт, который за сутки израсходует минимум 24 тысячи киловатт-часов электроэнергии. Фактически на шахтах подается воздуха в 1.5-2 раза больше против расчетного и электроэнергии на каждый выброшенный кубометр метана расходуется
в 2-4 раза больше. Ежегодный выход метана в атмосферу по Донбассу составляет около 5 млрд. кубометров (стоимость эквивалентного количества природного газа превышает 400 млн. $).
Проблема борьбы с метаном в шахтах актуальна для всех развитых стран, везде предпринимаются усилия по извлечению неразбавленного воздухом шахтного метана и утилизации его. К сожалению, пока не созданы методы, обеспечивающие возможность в промышленных масштабах использовать метан исходящих струй шахт. Для рассмотренного нами примера это 10 тыс. кубометров каждую минуту, уносящие 70 кубометров метана. Взрывчатые и горючие свойства метана не дают возможности использовать его: при концентрации до 5-6 % он невзрывоопасен, но и не горит самостоятельно, при концентрациях от 5-6 до 14-16 % взрывается, свыше - горит при внешнем притоке кислорода воздуха. Для предотвращения взрыва метана максимально допустимые концентрации метана в атмосфере горных выработок установлены в 2-3 раза меньше нижнего предела взрываемости и соответственно минимальные концентрации в дренируемой дегазацией метановоздушной смеси в 1.5-2 раза выше верхнего предела взрываемости. Это существенно осложняет задачу использования шахтного метана, сужая диапазон возможных способов его утилизации. Лучшим решением было бы получение чистого метана, однако наши исследования, выполненные еще в средине 70-х по проблеме шахты будущего показали, что идеальные для больших объемов разделяемых смесей методы криогенной технологии
неприемлемы для разделения исходящей из шахт метановоздушной смеси по экономическим показателям из-за высокой энергоемкости. Даже при использовании наиболее выгодных циклов двойного дросселирования, цикла Кеезома, цикла Капицы экономически выгодно обрабатывать смеси с содержанием метана свыше 25 %. Но, во-первых, такие смеси уже можно утилизировать как топливо для теплоэлектроцентралей и двигателей внутреннего сгорания без криогенного разделения, во- вторых, такие смеси дает на шахте только дегазация. Дебит дегазационной системы одной шахты невелик, что по техникоэкономическим критериям исключает возможность использования криогенной техники. Попытки использовать метан в качестве дополнительного источника тепла в котельных на угле при дутье воздухом исходящей из шахты струей могут дать ощутимый выигрыш лишь при значительных объемах сжигаемого угля или кондиционного метана. При нормируемой «Правилами безопасности в угольных шахтах» концентрации метана в исходящей из шахты струе 0,75 % кубометр воздуха содержит 7,5 литра метана. При теплотворной способности кубометра метана 36000 КДж и полном сгорании метана получим энергию 270 КДж, что повысит температуру продуктов горения на 220 градусов. Для дожигания оставшихся в воздухе 18,5 % кислорода потребуется еще 57 граммов чистого углерода (100 г угля). Поскольку в принятом нами примере из шахты поступает 10000 кубометров воздуха, то потребуется сжигать одну тонну угля каждую минуту или железнодорожный состав угля (24 вагона) в сутки, то есть иметь на шахте теплоэлектростанцию мощностью 6 млн. квт. Хотя при этом за счет использования метана будет сэкономлено два вагона угля ежесуточно, нереальность такого проекта очевидна: Донбасс не может превратиться в скопище ТЭС, а других аналогичных по энергоемкости потребителей энергии метана исходящей струи шахты найти весьма сложно.
Огромные дебиты воздуха для проветривания шахт исключают возможность извлечения метана методами ионизации, электризации, центрифугирования, не говоря уже о разделении диффузией [1]. Видимо, наряду с отказом от использования всего объема метана исходящей струи шахты пока надлежит отказаться и от идеи его извлечения из столь бедной смеси. Изложенное выше отнюдь не означает отказа от самой идеи использования шахтного метана: необходимо искать новые методы разделения метановоздушных смесей и в то же время искать возможности использования бедных и дренируемых дегазацией смесей непосредственно на шахте и в шахте. Очевидно, следует обратить особое внимание на повышение эффективности дегазации, превратив ее в управляемые системы, обеспечивающие максимальное извлечение кондиционных метановоздушных смесей. Эта работа ведется в НГА Украины, хотя из-за отсутствия финансирования исследования осуществляются в ограниченном по тематике и привлекаемому к ним контингенту объеме [2].
Ниже предлагается разработанный нами способ утилизации метана непосредственно в горных выработках шахты, базирующийся на совре-
менных достижениях рудничной аэрологии и холодильной техники и преследующий цель обеспечить мета-нобезопасность горных выработок газообильных шахт, эффективную вентиляцию выемочных участков шахты и нормализацию тепловых условий на глубоких горизонтах шахт за счет использования энергии шахтного метана, выделившегося в атмосферу в пределах выемочного участка и утилизируемого непосредственно в горных выработках. Сущность способа иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 1. На исходящей струе выемочного участка (или яруса, панели, горизонта) располагается станция регулирования проветривания и утилизации метана. Система регулирования проветривания выполняет свои стандартные функции по перераспределению воздуха между очистными забоями при изменении газовыделений и поддерживает стабильную концентрацию метана в исходящей струе лав 1,3 %, допускаемую «Правилами безопасности при наличии АГЗ». Для практически повсеместно применяемой теперь столбовой системы это означает отсутствие утечек воздуха через целики и подвод к станции утилизации метана струи с той же концентрацией 1,3 %. При такой концентрации метана кубометр воздуха содер-
жит 13 литров метана, сжигание которого обеспечит выделение 450 КДж тепла и прирост температуры продуктов горения на 380 0С. Понятно, что при такой температуре метан самостоятельно гореть не может, так как она почти в два раза ниже температуры воспламенения метана. Но открытое пламя нам и не требуется, поскольку оно недопустимо в газовой шахте. Сжигание метана должно быть из условий безопасности беспламенным -термокаталитическим. Устойчивый термокатализ при применении платино-палладиевых катализаторов начинается со 180 0С, в нашем случае температура в два раза выше, что обеспечивает возможность применения недорогих катализаторов.
Станция утилизации метана содержит фильтр для очистки воздуха от пыли 1, батарею термокаталитических окислителей метана 2, термонагреватель 3 и устройство запуска термокатализа 4, систему трубопроводов 5, насос для циркуляции воды 6 и систему регулирования расхода охлаждающей воды 7.
Работа станции утилизации метана осуществляется следующим образом: при открытых дверях вентиляционного шлюза 8, обеспечивающего проход людей и пропуск транспорта, и выключенном насосе циркуляции охлаждающей воды осуществляется предварительный разогрев пусковой секции термокаталитического блока и его разогрев до температуры начала термокатализа. После прогрева пусковой секции термокаталитического блока двери шлюза закрываются, начинается движение исходящей струи через блок и его прогрев теплом, выделяемым при термокаталитическом сгорании метана После выхода на режим начинается циркуляция воды и нормальный режим работы, при котором выделившееся тепло отводится к потребителям - на нормализацию тепловых условий в горячих забоях, для проветривания шахты или для использования на-гора.
Способы и средства использования полученного тепла выходят за рамки настоящей публикации. Мы не останавливаемся на деталях процесса обеспечения стабильной концентрации метана в исходящих струях лав, поскольку эти вопросы детально исследованы на стадии работ по регулированию проветривания газовых шахт и достаточно полно апробированы
при создании систем оперативного контроля и управления проветриванием газовых шахт [3].
Не рассматриваются также вопросы о расположении станции утилизации метана: понятно, что из условий экономичности она должна быть стационарным сооружением с длительным сроком службы, что может повлечь частичное изменение схемы проветривания крыла шахты (панели) и проведения дополнительных выработок (скважин) для изолированного отвода нагретых продуктов термокаталитического сжигания метана при неполном использовании содержащегося в них тепла. Нет опыта проектирования и создания гигантской протяженной подземной термокаталитической камеры реакции и ее аэродинамического расчета. Эти вопросы должны решаться в каждом конкретном случае на основе техникоэкономических обоснований, напри-
мер, методом сравнения вариантов и на основе строительства и испытаний экспериментальной установки, ее опытно-промышлен-ной эксплуатации и на основании накопленного опыта, которого пока еще нет ни у одной страны.
Выводы
1. Для повышения метанобезо-пасности горных выработок газовых шахт наряду с применением комплекса мероприятий по предотвращению выделения метана в горные выработки (связывание метана, дегазация разрабатываемых пластов, спутников и выработанных пространств) предлагается использовать систему автоматического регулирования содержания метана в исходящих струях выемочных участков совместно с подземной системой утилизации метана их бедной метановоздушной смеси.
2. Рассматриваются принцип действия и структура системы подземного термокаталитического сжигания метана исходящих струй выемочных участков, а также технические средства для ее реализации.
3. Предлагаются пути использования тепла утилизации шахтного метана : для нормализации тепловых условий в горных выработках глубоких шахт, проветривания их за счет тепловой тяги, а также теплоснабжения поверхностного комплекса и инфраструктуры шахтного региона.
4. Предлагаемые способ, средства и пути использования шахтного метана не имеют прототипов в мировой практике и наряду с повышением метанобезопасности горных выработок шахт способны решить задачи социального, технико-экономического и экологического плана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мирдель Г. Электрофизика. Перевод с немецкого под редакцией 3. Абрамов ФА., Бойко ВА. Автоматизация проветривания
В. И. Раховского. Москва, «Мир»,1972, 610 с. шахт. Теоретические основы и технические средства. Киев, «Наукова
2. Бойко В.А., Мирошник Г.А., Фрундин В.Е. Комплект техни- думка», 1967, 310 с.
ческих средств контроля и управления дегазационными системами.
// Уголь Украины, 1998, N 1.
