CC BY
25
- © C.B. Сластунов, K.C. Коликов,
Г.Г. Каркашадзе, 2014
УЛК 622.411.33:62-623.1:332.142
С.В. Сластунов, К.С. Коликов, Г.Г. Каркашадзе
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШАХТНОГО МЕТАНА - ОДИН ИЗ АСПЕКТОВ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА ЗЕМЛИ*
Рассмотрены технологии утилизации и использования шахтного метана, извлекаемого при дегазации угольных пластов, что внсит вклад в решение проблемы сохранения глобального климата Земли . Практическую перспективу имеет технология использования шахтного метана с целью производства коммерчески ценного продукта - газовой сажи. Описаны экологические преимущества способа и вариант практической реализации.
Ключевые слова: шахтный метан, утилизация, газовая сажа, экология.
Климатологи межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата 1РСС ранее определили, что для стабилизации концентрации парниковых газов (ПГ) на современном уровне, необходимо сокращение выбросов двуокиси углерода более чем на 60%, метана на 15-20%, закиси азота на 70-80%, фторхлорулеродов на 70-85%. Оценки специалистов Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА) практически совпадают с этими величинами.
Доля двуокиси углерода и метана в потеплении климата составляет соответственно 60 и 16%. При этом соответствующая доля эмиссии антропогенных источников этих газов около 7 и 70% от глобальной. Этим объясняется большой интерес к проектам использования метана.
Большое внимание в мире уделяется развитию технологий, использующих возобновляемые источники энергии: солнечный, ветровой, геотермальный и др., т.к. почти на 60% парниковый эффект определяется добычей углеводородов и производ-
ством энергии [1]. Естественно эти технологии представляются наиболее перспективными, т.к. многие из них практически исключают выбросы ПГ при эксплуатации, а их общие ресурсы превосходят запасы нефти, угля и газа. Однако, даже в благоприятных условиях они могут обеспечить только частичное замещение традиционных энергоносителей, а их экологические последствия недостаточно оценены. А их развитие требует значительных капитальных вложений.
В нашей стране в настоящее время приоритетны вопросы совершенствования функционирующих и развития малоотходных технологий. Объяснятся это тем, что с одной стороны, применяемые в настоящее время, устаревшие установки для выработки 1 кВтчас используют 0,4-0,6 кг топлива, в то время как удельный расход современных установок не превышает 0,24 кг/кВтчас. Соответственно изменяется и величина выбросов ПГ. С другой стороны, как показала мировая практика, стоимость работ по повышению КПД энергоустановок или сбережению электроэнергии
* Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания МГГУ
составляют 1-2 цента на каждый дополнительный кВтчас, что в несколько раз ниже затрат новых источников генерации.
С точки зрения развитие малоотходных технологий в нашей стране наибольший интерес представляют нефтегазовая и угольная отрасли. Определяется это достаточно простой системой контроля, технологичностью, высоким удельным весом. В странах СНГ эмиссия метана нефтегазового сектора превышает порядок 20 млн т/год, а добыча угля обеспечивает поступление в атмосферу не менее 5 млн т/год при самом большом в мире удельном газовыделении, уступая только угольным шахтам Казахстана.
Объем мировой добычи угля постоянно растет, возрастает как абсолютная эмиссия шахтного метана, так и относительная (на 1 т добычи) из-за увеличения газоносности угля. Угольные месторождения России содержат до 80 трлн м3 метана, поэтому они должны рассматриваться и разрабатываться как углегазовые. Вопросы экологии являются только одной из составляюших проблемы угольного метана, которая включает также вопросы безопасности и использования. Все они достаточно тесно связаны между собой. Так, вопросы снижения выбросов решаются путем разработки способов и средств утилизации метана, выделяюшегося в процессе разработки угля, которые в свою очередь связаны с решением проблем эффективного извлечения газа и, как следствие, с вопросом безопасности ведения горных работ.
Комплексное решение обеспечивается при заблаговременном извлечении метана из неразгруженных пластов. В этом случае решаются вопросы обеспечения безопасности ведения горных работ и создаются условия для эффективной утилизации метана, при
значительном расширении возможных направлений за счет высоких кондиций получаемого газа [2].
Основным способом использования шахтного метана, извлекаемого при дегазации, в странах СНГ является сжигание в шахтных котельных. При этом метан, выносимый вентиляционной струей, на долю которого в большинстве бассейнов приходится около 80%, не используется вообше.
В развитых угледобываюших странах использование достаточно широким спектром способов достигает 80% каптируемого метана.
Следует отметить, что перевод котельных с твердого топлива на газ несмотря на простоту реализации является менее эффективным способом использования по сравнению с другими, например, в качестве химического сырья, топлива для двигателей внутреннего сгорания и пр.
В тоже время котельные являются необходимым элементом технологической цепочки шахты. Величина эмиссии СО2 при выработке энергии зависит от вида топлива. Так при выработке одинакового количества тепловой энергии эмиссия СО2 при сжигании каменного угля в 1,74 раза выше, чем при сжигании природного газа, т.е. при переводе 1 котла например ДКВР-10/13 выбросы двуокиси углерода снизятся почти на 15 тыс. т в год. С учетом того, что при этом утилизируется 20 м3/мин шахтного метана, обшее снижение выбросов парниковых газов по эквиваленту двуокиси углерода составит более 160 тыс. т.
Все вышеизложенное позволяет говорить о большой перспективе энерготехнологического способа утилизации шахтного метана. В этом случае в едином технологическом цикле сов-мешаются энергетические процессы, направленные на получение электрической и тепловой энергии, с процессами получения из метана вешеств,
являюшихся коммерческой продукцией.
Примером энерготехнологической переработки метана является получение технического углерода (сажи) [3]. Метан поступает в установку двумя потоками в примерно равных количествах. Один из потоков по необходимости смешивается с воздухом при коэффициенте избытка 1,01-1,05 и сжигается в камере сгорания, нагревая при этом термостойкую поверхность камеры разложения метана. Другая часть метано-воздушной смеси с концентрацией метана выше 80% подается в камеру разложения, где соприкасаясь с нагретой поверхностью, разлагается на технический углерод (сажа) и водород. Сажа является коммерческим продуктом. Водород на выходе из камеры разложения смешивается с воздухом и сгорает. Энергия сгорания части метана и водорода преобразуется в пар, а затем в электрическую и тепловую энергию.
Таким образом 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,
на что затрачивается 35,55 МДж тепла. При сгорании 1 кмоля водорода выделяется 252,15 МДж тепла. 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). Для выработки количества теплоты соответствуюшего котлу ДКВР-10/13 при условии такой же эффективности потребуется установка, используюшая 26 м3/мин метана. В этом случае сокрашение выбросов ПГ превысит 200 тыс. т.
При энерготехнологической переработке метана выброс углекислого газа снижается на 50%. При пересчете на единицу вырабатываемой энергии выброс углекислого газа снижается на 35%. Теоретически, изменяя соотношение метана в потоках, направляемых на сжигание и на термообработку, можно снизить выброс углекислого газа на 35-50% и на 20-25% снизить потребление кислорода на выработку единицы полезной энергии. Такого экологического эффекта не может обеспечить ни одна из известных технологий промышленной энергетики на углеводородном сырье. Снижение на 23-25% полезной тепловой энергии, получаемой из перерабатываемого метана, компенсируется коммерческой стоимостью технического углерода, потребность в котором постоянно растет.
Современные проблемы отечественной угольной отрасли обуславливают финансирование экологических программ по остаточному принципу. Поэтому для интенсификации работ по сокрашению выбросов ПГ необходимо заинтересовать мелкие и средние компании не только иностранные, но и отечественные.
В качестве таких стимулов может быть использовано:
• введение налоговых льгот при условии снижения выбросов ПГ;
• долевое участие кредиторов в прибылях по проектам, обеспечиваю-шим сокрашение выбросов ПГ.
Одновременно с этим необходимо обеспечить строгий контроль выбросов антропогенных источников и усовершенствовать механизм взимания платежей за загрязнение окру-жаюшей среды таким образом, чтобы предприятия были заинтересованы в развитии малоотходных технологий и сокрашении выбросов вредных ве-шеств.
1. Глобальное потепление: Доклад Гринпис / Под ред. Дж. Леггета. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 272 с.
2. Сластунов C.B., Каркашадзе Г.Г., Ко-ликов К.С, Ермак Г.П. Аналитическая методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2013. - N 6. - C. 53-59.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Патент № 2326147 Российская Федерация. Способ получения газовой сажи / Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Шмидт М.В., Коликов К.С.; заявитель и патентообладатель Московский государственный горный университет (Яи). № 2006134679/15; заявл. 02.10.2006; опубл. 10.06.2008, Бюл. № 16. - 5 с.:ил. 1.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Сластунов Сергей Викторович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: slastunovsv@mail.ru,
Коликов Константин Сергеевич - доктор технических наук, профессор, e-mail: kolicovh@msmu.ru,
Каркашадзе Гиоргий Григолович - доктор технических наук, профессор, e-mail: g-karkashadze@mail.ru,
Московский государственный горный университет.
UDC 622.411.33:62-623.1:332.142
HIGH-TECH UTILIZATION OF MINE METHANE -A WAY OF THE GLOBAL CLIMATE MANAGEMENT
Slastunov S.V., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: slastunovsv@mail.ru, Kolikov K.S., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: kolicovh@msmu.ru, Karkashadze G.G., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: g-karkashadze@mail.ru, Moscow State Mining University.
The article reviews technologies of utilization and disposal of methane recovered during coal degassing in mines, that can contribute to preservation of the global climate of the Earth. The technology of the commercial carbon black production using mine methane is economically promising. The author describes environmental advantages and an implementation scenario of the technology.
Key words: mine methane, utilization, carbon black, ecology.
REFERENCES
1. Global'noe poteplenie: Doklad Grinpis, pod red. Legget Dzh (Ed.), Moscow, Izd-vo MGU, 1993, 272 p.
2. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S, poleznyh iskopaemyh, 2013, no 6, pp. 53-59.
3. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Shmidt M.V.,
Dzh. Leggeta (Global warming: Greenpeace report, Ermak G.P. Fiziko-tehnicheskie problemy razrabotki Kolikov K.S. Patent RU2326147, 02.10.2006.
