CC BY
154
© М.В. Шмидт, О.С. Шилкова, 2009
УДК 622.831
М.В. Шмидт, О.С. Шилкова
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ПОЛУЧЕНИЯ САЖИ ПУТЕМ СЖИГАНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА
Проведен анализ возможных способов утилизации дегазационного метана с получением другой продукции. Был проанализированыI следующие схемыг утилизации шахтного метана с получением технического углерода (сажи): канальный, печной и термический. К сравнению также представлен новыш способ утилизации метана с получением сажи — энерготехнологический. Основное принципиальное отличие данного способа, является и его основныш преимуществом: возможность совмещения процессов энергетики (получение горячей воды, пара, электроэнергии) с процессами переработки этого сырья в другую товарную продукцию. Поэтому способ имеет большую экономическую эффективность. Кроме того, способ имеет значительный экологический эффект благодаря существенному снижению выбросов углекислого газа при сжигании метана. При этом ожидаемое количество сажи, получаемой при утилизации метана данным способом, сопоставимо с термическим способом.
Ключевые слова: шахтный метан, сжигание газа, сажа, получение технического углерода.
~П ыбросы метана, в том числе дегазационного является -Я-М значительным источником загрязнения окружающей среды. И лишь незначительное количество утилизируется - 3-5 %. На сегодняшний день наиболее часто используется способ утилизации путем сжигания в топках котельных отдельно, или совместно с углем. Но шахтные котельные имеют сезонный характер работы. Экономическая эффективность такого использования шахтного метана чрезвычайно низка.
Более эффективными являются способы переработки метана с получением другой продукции, например, технического углерода (сажи). Существуют следующие способы получения сажи: канальный, печной и термический. При канальном способе сжигание газа осуществляется в канальных горелках, устанавливаемых в специальных камерах. Это наименее эффективный способ, при котором выход сажи не превышает 2,5% от веса газа, но сажа отличается высоким качеством
При печном способе сжигание метана осуществляется в печи-реакторе, которая представляет собой горизонтальную
садок, 3-воздуходувка
цилиндрическую камеру из огнеупорного кирпича, заключенную в металлический кожух. Схема печного способа получения технического углерода представлена на рис. 1. Воздух от воздуходувки поступает в печь по касательной и создает поступательновращательное движение потока. Стабилизирующий насадок 2 служит для выдержки сажи при высокой температуре для разложения углеводородов, неразложившихся в печи. Количество воздуха должно составлять 50% от необходимого для полного сжигания метана. При этом даже незначительное изменение количества воздуха влияет на протекание процесса разложения газа.
Температура в печи 1200-1500 оС и регулируется соотношением количества воздуха и газа, поступающих в печь. Время пребывания сажегазовой смеси в зоне высоких температур 2-4 секунды в зависимости от требуемого типа сажи.
Печной способ позволяет получать сажу с разнообразными свойствами. В зависимости от типа получаемой сажи ее выход при этом процессе составляет от 10 до 30% по отношении к весу исходного газа. Выход сажи из 1000 м3 метана (при плотности 0,7143 т/м3) количества газа составляет 71- 214 кг.
Схема термического разложения углеводородов осуществляется путем сжигания газа без доступа воздуха. Схема установки приведена на рис. 2. Установка работает в циклическом режиме.
Рис. 2. Схема термического способа получения сажи: 1 - печь, 2 -разогреваемая кладка, 3 - крышка, 4 - клапан, 5, 6 - вентили
При разогреве в нижнюю часть печи подают газ и воздух, а удаление продуктов сгорания производят через открытую крышку 3. Кирпичная или керамическая кладка 2 при этом разогревается до температуры 1550 оС. Затем газ пропускают через эту нагретую кладку сверху вниз и продукты реакции отводятся через открытый клапан 4. При снижении температуры кладки ниже 1100 оС цикл повторяют.
Разработан также новый энерготехнологический способ переработки газообразных углеводородов. Энерготехнологический способ — переработка углеводородного сырья, с совмещением в едином технологическом цикле процессов энергетики (получение горячей воды, пара, электроэнергии) с процессами переработки этого сырья в другую товарную продукцию. Например, переработка метана в технический углерод (сажу), и тепловую энергию с последующим преобразованием тепловой энергии пара в электроэнергию.
При энерготехнологической переработке метана значительно снижается выброс углекислого газа (на 40-60 %) за счет использо-
вания энергии получаемого водорода, который при его сжигании окисляется до водяного пара.
На рис. 3 показана схема реализации этого способа получения сажи. Поток разделяют на 2 части, одну часть метана сверху тангенциально подают и конвертируют на сажу и водород внутри термостойкой цилиндрической поверхности разложения 1, которую помещают вертикально по центру печи 2 с выводом верхнего и нижнего концов цилиндрической поверхности за пределы печи, причем верхний конец снабжают тангенциальным завихрителем потока метана 11, а нижний конец соединяют с емкостью сажи 6, в нижней части печи эту поверхность снабжают отверстиями для выпуска выделившегося водорода 3.
Через горелки сжигания метана 4, которые располагают по периметру обвода цилиндрической поверхности разложения 1 внутри печи 2, подают часть метана. Одновременно через патрубок подачи воздуха 5 и нижнюю крышку 7 подают воздух, необходимый для сгорания газов, которые воспламеняют через люк розжига и контроля 8. Нагрев поверхности разложения 1 внутри печи 2 осуществляют восходящими факелами сжигания части метана и выделяющегося водорода, причем поток части метана к факелам сжигания регулируют по температуре поверхности разложения 1, которую поддерживают в интервале температуры 1100-1600 оС, т.е. температуры необходимой и достаточной для протекания процесса разложения метана на сажу и водород.
Интенсивность процесса нагрева поверхности разложения 1 усиливают тем, что внутренняя часть корпуса печи 2 футеруют отражающими пластинами из огнестойкого материала 9. При контакте с поверхностью разложения 2 часть метана, которую подают через тангенциальный завихритель 11, разлагается на сажу и водород. Сажу по термостойкой цилиндрической поверхности разложения 1 осаждают в емкости сажи 6, а водород по отверстиям 3 выводят к восходящим факелам. Продукты сгорания отводят по дымовой трубе 10.
При соотношении потоков метана, направляемых на сгорание и на разложение 1:1, одна половина метана сгорает по классической схеме и 0,5 кМоль СН4 выделяет 402,5 МДж тепла, другая половина метана (0,5 кМоль) разлагается по схеме:
СН4 ^ С + 2Н2 - 71,1 МДж/кМоль, (1)
на что затрачивается 35,55 МДж тепла. При сгорании 1 кМоля водорода выделяется 252,15 МДж тепла.
11
Рис. 3. Энерготехнологическая переработка метана термическим способом: 1
- термостойкая цилиндрическая поверхность разложения ,2 - печь, 3 - отверстия для выпуска выделившегося водорода ,4 - горелки сжигания метана, 5 - патрубок подачи воздуха, 6 - емкость сажи, 7 - нижняя крышка, 8 - люк розжига и контроля, 9 - футерующие пластины, 10- дымовая труба, 11 - тангенциальный завихритель потока метана
Суммарное выделение тепловой энергии из 1 кМоля метана по этой схеме составит 619,1 МДж, т.е. оно на 23 % меньше, чем при сжигании метана по классической схеме (805 МДж/кМоль). 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, (2)
где а- доля метана, разложившегося на углерод и водород по схеме (1).
Выход сажи из 1000 м3 газа (метана) при различны/х способах переработки
№ п/п Способ получения сажи Выход сажи из 1000 м3 газа, кг
1 Канальный 18-20
2 Печной 80-100
3 Термический 200-250
4 Энерготехнологический 100-200 (ожидаемый)
Выход готовой продукции, получаемой при сжигании метана при различных способах переработки приведен в таблице. Таким образом, можно сделать вывод, что новый способ получения технического углерода при ожидаемом количестве сажи сопоставимом с термическим способом, имеет ряд преимуществ. Благодаря возможности совмещения процессов энергетики (получение горячей воды, пара, электроэнергии) с процессами переработки этого сырья в другую товарную продукцию, способ имеет большую экономическую эффективность. Кроме того, данный способ имеет значительный экологический эффект благодаря существенному снижению выбросов углекислого газа при сжигании метана.
Schmidt M. V., Shilkova O.S.
THE COMPARATIVE ANALYSIS OF CONSTRUCTIVE SCHEMES OF SOOT RECEPTION BY BURNING MINE METHANE
This article analyzes the possible ways of utilization ofmethane decontamination to obtain other products. Were analyzed following the scheme of coal mine methane utilization in obtaining technical carbon (soot): Channel, furnace and heat. By comparison to a new way of utilization of methane in obtaining soot - Power. The basic principal difference of this method is and its main advantage: the possibility of combining the processes of energy (getting hot water, steam, electricity) with the processing of the raw materials in other commodity products. Therefore, a way to have greater economic efficiency. In addition, the method has significant environmental benefits through a substantial reduction in carbon dioxide emissions from combustion of methane. In doing so, the expected amount of soot produced in the utilization of methane in this way, comparable to the thermal method.
Key words: mine methane, gas burning, soot, reception of technical carbon.
— 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
