CC BY
102
УДК 621.43.016
УТИЛИЗАЦИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА В ЭКОЛОГИЧНОЙ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКЕ С ПОРШНЕВЫМ ДВС
А.П. Строков, профессор, д.т.н., А.М. Левтеров, к.т.н., П.Ю. Нечволод, аспирант, ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков
Аннотация. Рассмотрены пути улучшения энергоэкологической ситуации в районах добычи угля Украины за счет утилизации шахтного метана в когенерационных установках с ДВС. Предложенная технология предполагает работу мотор-генераторной установки на шахтном метане переменного состава с добавлением водорода, получаемого путем электролитического разложения дистиллированной воды.
Ключевые слова: шахтный метан, когенерационная установка, мотор-генератор, электролизер.
УТИЛ1ЗАЦ1Я ШАХТНОГО МЕТАНУ В ЕКОЛОГ1ЧН1Й КОГЕНЕРАЦШНШ
УСТАНОВЦ1 З ПОРШНЕВИМ ДВЗ
О.П. Строков, професор, д.т.н., А.М. Левтеров, к.т.н., П.Ю. Нечволод, асшрант, 1ПМаш iM. А.Н. Подгорного НАН УкраТни, м. Харкчв
Анотаця. Розглянуто шляхи покращення енергоеколог1чног ситуацИ у районах видобутку ву-гтля Украгни за рахунок утил^зацИ шахтного метану в когенерацттх установках з поршневи-ми ДВЗ. Запропонована технолог1я передбачае роботу мотор-генераторног установки на шахтному метам зм1нного складу з додаванням водню, який виробляеться шляхом електрол1тич-ного розкладання дистильованог води.
Ключов1 слова: шахтний метан, когенерацтна установка, мотор-генератор, електрол1зер.
RECYCLING OF MINE METHANE IN ECOLOGICAL COGENERETION PLANT
WITH PISTON ICE
O. Strokov, Professor, Doctor of Technical Sciences, A. Levterov, Candidate of Technical Sciences, P. Nechvolod, postgraduate , IP Machinery after A. Podgornogo
NAS of Ukraine, Kharkiv
Abstract. Ways of improvement of ecological situations in coal mining areas of Ukraine are considered at the expense of recycling of mine methane in cogenerations plants with ICE. The offered technology assumes the work of motor - generating plant on mine methane of variable structure with addition of hydrogen received by means of electrical decomposition of distilled water.
Key words: mine methane, cogeneration utility, dynamo, electrolytic section.
Введение
Истощение запасов ископаемых энергоресурсов стимулирует мировую энергетику к поиску альтернативных видов топлива. Вопросы утилизации попутных промышленных
газов (доменного и коксового), а также сбросовых газов (шахтного метана и биогаза) для Украины стоят наиболее остро.
В развитых странах, например, таких как Австрия и Испания, для утилизации попутных
промышленных газов используют мотор-генераторы с поршневыми ДВС электрической мощностью от 400 до 6696 кВт [1].
Согласно мировому опыту, неотъемлемым технологическим этапом при разработке месторождений каменного угля, добываемого шахтным способом, является разгрузка от метана поверхностных его пластов перед разработкой угольного месторождения [2-5]. Такая разгрузка проводится путем бурения вертикальных скважин в окрестностях будущей угольной шахты с последующей добычей природного газа с процентным содержанием метана от 85 до 99 %. Такая технология в Украине применяется только на Яколев-ской производственной площадке угольной шахты им. А. Ф. Засядько, Донецкой области
[5].
На остальных месторождениях каменного угля в Украине используются менее эффективные технологии разгрузки угольных пластов, которые не позволяют обеспечить соответствующий уровень безопасности для персонала угольной шахты. Полученный при помощи такой технологии природный газ, имеющий процентное содержание метана от 15 до 60 %, сбрасывается в атмосферу [1]. Использование его в качестве альтернативного топлива для мотор-генераторов с поршневыми ДВС позволит существенно улучшить энергоэкологическую ситуацию в районах добычи каменного угля, а добавка водорода к основному топливу позволит увеличить экологическую составляющую этого эффекта.
Анализ публикаций
По оценкам экспертов, ежегодные выбросы шахтного метана в атмосферу в Украине достигают 2,1 млрд. м3 [6]. Такое отношение к ископаемым энергоресурсам приводит не только к потерям экономической выгоды от утилизации сбросового газа, но и существенно ухудшает как региональную, так и мировую экологическую обстановку.
Утилизация шахтного метана в когенераци-онных установках с поршневыми ДВС связана с определенными сложностями. В первую очередь это касается обеспечения нормальной работы приводного двигателя мотор-генераторной установки на метановоздушной смеси переменного состава. Для этого необ-
ходимо обеспечить объемное стехиометри-ческое соотношение воздуха и метана, равное 9,5:1 [7].
С учетом процентного содержания метана в шахтном газе (от 15 до 60 % по объему) состав такой метановоздушной смеси необходимо корректировать дополнительной порцией воздуха в зависимости от концентрации метана.
Из этого следует, что разработка технологии утилизации шахтного метана в когенераци-онных установках с поршневыми ДВС и системы автоматического поддержания стехио-метрического соотношения метановоздуш-ной смеси является важной научной и практической задачей.
Цель и постановка задачи
Цель - улучшение энергоэкологической ситуации в Украине за счет утилизации мета-новоздушной смеси переменного состава на базе шахтного метана в когенерационных установках с поршневыми ДВС.
В проведенном исследовании ставились такие задачи:
- оценка объемов выбросов шахтного метана на территории Украины, используя существующую информацию из официальных источников;
- изучение технологий утилизации шахтного метана и оценка границы их применимости в условиях Украины (провести литературный обзор и патентный поиск);
- разработка эффективной технологии утилизации метановоздушной смеси переменного состава на базе шахтного метана в когене-рационных установках с поршневыми ДВС;
- выводы и рекомендации по улучшению энергоэкологической ситуации в угольных бассейнах Украины.
Основные этапы и результаты исследования
Объект исследования - технология утилизации шахтного метана в когенерационных установках с поршневыми ДВС.
Сотрудниками ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины были проведены расчетно-экспериментальные исследования по разработке эффективной технологии утилизации шахтного метана в когенерационных установках с поршневыми ДВС.
Представленная на рис. 1 принципиальная схема по утилизации шахтного метана предполагает использование системы сепараторов, влагоотделителей, а также газового смесителя с микропроцессорным управлением в составе когенерационной установки с поршневым ДВС.
Метановоздушная смесь при помощи вакуумного насоса из шахты подается в блок сепарации угольной пыли и влагоотделитель. При этом блок управления при помощи соответствующих датчиков контролирует концентрацию метана в метановоздушной смеси и формирует управляющий сигнал для газового смесителя.
В газовом смесителе состав метановоздуш-ной смеси корректируется дополнительной порцией воздуха до стехиометрического соотношения 9,0:1. С таким объемным соотношением воздуха и метана эта смесь поступает во впускной коллектор, где смешивается с водородом и далее поступает в топливную систему поршневого ДВС. Далее полученная мощность на валу ДВС используется для привода электрогенератора. Процентное содержание водорода в смесевом топливе, с учетом существующих рекомендаций, не превышает 5 %. Энергия отработавших газов (ОГ) используется для нагрева теплоносителя, который в дальнейшем может использоваться для обогрева близлежащих промышленных или жилых объектов, а также для нагрева воды в дистиляторе.
В случае резкого снижения выбросов метана на угледобывающей шахте, для исключения аварийной остановки когенерационной установки с поршневым ДВС, в систему заложена возможность питания сетевым газом или от баллонов высокого давления. Такой подход исключает возможность возникновения проблем с электроснабжением и отоплением близлежащих промышленных или жилых объектов. В случае резкого увеличения объемов выбросов шахтного метана и, соответственно, невозможности непосредственного сжигания метановоздушной смеси в ко-
генерационной установке с поршневым ДВС система имеет дополнительный насос, систему мембран и газобаллонное оборудование (система обогащения шахтного метана до процентного соотношения 98 - 99 %), которые позволяют обеспечить длительное хранение шахтного метана в сжатом виде для последующего использования в качестве топлива.
Проведенные в ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины сравнительные моторные испытания по оценке токсичности ОГ ДВС, работающего на штатном (дизельном) и альтернативном (метановоздушноводородной смеси) топливах показывают, что при работе на режимах, близких к номинальному, отмечается существенное снижение уровня выбросов NOx и CO более чем в 2 раза по отношению к уровню при работе на штатном топливе. При этом отмечается незначительное, в пределах 2 %, снижение эффективной мощности двигателя (что для приводного двигателя, имеющего существенный запас мощности, никакого значения не имеет) [8]. Важно отметить, что стоимость оборудования для создания когенерационных установок с поршневыми ДВС значительно меньше, чем стоимость установок с газовыми турбинами, для которых начальная (покупная) стоимость 1 кВт мощности составляет от 800 до 1000 дол. США [9]. Для примера в таблице 1 приведены сравнительные показатели начальных капиталовложений на 1 кВт мощности двигателя с искровым зажиганием, работающего на штатном топливе и метановоз-душной смеси с добавлением водорода. Серийно выпускаемые генераторы фирмы Marathon Electric мощностью от 100 до 320 кВт имеют КПД порядка 91 - 94 %, при стоимости такого генератора в пределах 6000 - 10000 дол. США [11].
Авторами был проведен оценочный расчет эффективных и экономических показателей когенерационной установки с поршневым ДВС при работе на различных видах топлива. По оценочным расчетам стоимость 1 кВтч электроэнергии, выработанной газовым мотор-генератором, примерно на 30 % ниже стоимости аналогичного показателя дизель-генератора.
Результаты предварительных расчетов по оценке эффективности когенерационной установки с ДВС мощностью 100 кВт российского производства представлены в табл. 2.
Рис. 1. Принципиальная схема экологичной энергоустановки по утилизации шахтного метана: 1 - шахта, 2 - вакуумный насос, 3 - сепаратор, 4 - насос, 5 - баллоны для хранения сжатого газа, 6 - смеситель с блоком управления, 7 - ДВС, 8 - теплообменник, 9 - контур циркуляции теплоносителя, 10 - отвод отработавших газов, 11 - генератор, 12 - рекуперация электроэнергии, 13 - отбор электроэнергии, необходимой для автономной работы когене-рационной установки, 14 - электролизер, 15 - подача водорода во впускной канал, 16 -блок дистилляции
Таблица 1 Оценочная стоимость первоначальных капиталовложений на единицу мощности [101
Начальная стоимость единицы мощности
Работа на штатном топливе
Марка ДВС Номинальная мощность ДВС, кВт цена ДВС, дол. США стоимость одного кВт, дол. США
ЗиЛ-508.10 110 6200 56
Работа на метановоздушной смеси с добавлением водорода
ЗиЛ-508.10 100* 6830** 68,3
* - с учетом снижения мощности ДВС, работающего на метановоздушной смеси; ** - с учетом стоимости газового оборудования и работ
Таблица 2 Ожидаемая прибыль от использования когенерационной установки с ДВС типа ЗИЛ
ДВС Мех. мощность, кВт Эл. мощность, кВт Производительность нагретой до температуры 80 °С воды, л/ч Отапливаемая площадь (при норме 0,1 кВт/м2), м2 Прибыль от производства избыточной электроэнергии, грн/мес Экономия затрат на центральное отопление грн/мес
ЗиЛ-508.10 100 93 2100 1900 8250* 68400**
* - в оценочном расчете принято: до 50 % произведенной электроэнергии расходуется на обеспечение автономной работы когенерационной установки с ДВС (привод вакуумных насосов, работа газового сме-
сителя, вспомогательного оборудования, освещения, и т.д.); ** - на протяжении отопительного сезона, при стоимости 1 кВт-ч - 0,5 грн
Выводы
Таким образом, можно отметить следующее:
- сброс в атмосферу шахтного метана приводит к значительным экономическим потерям и ухудшает экологическую ситуацию за счет усиления влияния парникового эффекта;
- разработана структурная схема, алгоритм работы и сформулированы требования к газовому смесителю с микропроцессорным управлением;
- предложенная технология утилизации шахтного метана в когенерационных установках с поршневыми ДВС является эффективной для улучшения энергоэкологической ситуации в угольных бассейнах Украины;
- срок окупаемости когенерационной установки с поршневым ДВС мощностью 100 кВт, в случае использования в качестве топлива шахтного метана, по предварительным оценкам не превышает 6 месяцев.
Литература
1. www.cogeneration.com.ua.
2. Шестопалов А. В. О технологии промыш-
ленной добычи метана из угольных пластов / А. В. Шестопалов // Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий : сб. науч. тр. Нац. горной акад. Украины. - 1999. - Вып. 5. - С. 18 - 21.
3. Шестопалов А. В. Об эффективности гео-
технологий добычи угольного метана,
основанных на образовании полости вокруг скважины / А. В. Шестопалов // Сокращение эмиссии метана : тез. докл. Междунар. конф. (на русском языке). -Новосибирск, 2000. - С .439-445.
4. Софийский К. К. Способ добычи метана из
угольных пластов/ К. К. Софийский, Е. Г. Барадулин, В. Г. Александров, Е. А. Воробьев // Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий : сб. науч. тр. Нац. горной академии Украины. - Днепропетровск. - 1999. - Вып. 5.
- С. 128-131.
5.www.menr.gov.ua/documents/PDD_Zasyadko _RUS.doc
6.www.masters.donntu.edu.ua/2006/fgtu/samus/ library/2.htm
7. Автомобильный справочник : пер. с англ. -
2-е изд., перераб. и доп. - М. : ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.
8. Бганцев В. Н. Газовый двигатель на базе
четырехтактного дизеля общего назначения / В. Н. Бганцев, А. М. Левтеров, В. П. Мараховский // Мир техники и технологий : междунар. технич. журнал.
- 2003. - №10. - С. 74-75.
9. www.nedraproekt.com.
10. http://www.automotor.ru.
11. http://u-gen.ru.
Рецензент: Ф. И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 октября 2009 г.
