Эксперт из «Газпром промгаза»: о шахтном метане

Е.А. Пацков (ОАО «Газпром(Ртс:Gazp) промгаз»)

В угледобывающих регионах РФ при подземной добыче угля в виде метано-воздушной смеси (МВС) добывается до 1,5-2,0 миллиард м3/г. метана, преимущественно удаляемого в атмосферу из-за некондиционности состава. Различные технологические схемы рационального использования некондиционного (CH4 < 25%) шахтного метана и отработанной вентиляционной струи (CH4 < 0,75%) для выработки тепловой и (или) электрической энергии реализуются флегматизацией взрывоопасной смеси продуктами сгорания или воздухом с последующим ее применением в качестве топлива или дутья в энергетических установках (котлы, газогенераторы, когенерационные установки на базе двигателей Стирлинга и др.). Резервным газовым топливом служит синтез-газ, вырабатываемый с помощью различных наземных установок при газогенерации угля или промпродукта.

Запасы метана в углепородных массивах в РФ сопоставимы с запасами природного газа, различие заключается в форме нахождения в природных условиях. Метан в угольных пластах содержится преимущественно в сорбированном состоянии (в виде абсорбированного метана в твердых углегазовых растворах и в адсорбированном состоянии на поверхности микротрещин), является низконапорным и малодебитным газом. Газообразная (небольшая) часть метана в угле находится в динамическом равновесии с сорбированным метаном. В РФ на дневную поверхность извлекается в основном в целях обеспечения безопасных условий при подземной добыче угля. Выделение и воспламенение метана в сети горных выработок и выработанных пространствах было и остается актуальной проблемой, приводящей к гибели людей и порче горнодобывающей техники.

Рентабельные запасы метана в пределах шахтных полей в Рф, которые могут быть извлечены с помощью существующих технологий дегазационных работ, оцениваются в 40-65 миллиард м3 [1], являются наиболее доступными для добычи и рационального использования. Пластовая (заблаговременная) дегазация заключается в бурении скважин по пласту на всю длину лавы и подключении их к вакуум-насосным станциям. Отвод каптируемой смеси по системе подземных газопроводов на дневную поверхность наряду с вентиляцией подземного пространства является наиболее распространенным способом дегазации угольных пластов, сопровождающимся добычей угольного метана. Ежегодно только в Кузбассе в виде каптируемой МВС извлекается 1,5-2 млрд м3 метана, который, как правило, удаляется в атмосферу.

В угледобывающих регионах РФ крайне неблагоприятная экологическая обстановка, являющаяся следствием работы угледобывающих и перерабатывающих предприятий, а также выбросов в атмосферу шахтами большого количества метана. По результатам многолетнего мониторинга ряда шахт Кузбасса, метан поступает в атмосферу в виде МВС переменного состава с содержанием метана до 0,75% в отработанной вентиляционной струе и менее 25% в каптируемой смеси. Рациональное использование кондиционного шахтного метана (СН4 > 25%) допускается нормативными документами и реализуется как за рубежом, так и в РФ: ОАО «Воркутауголь» [2], Кузбасс [3]. На практике получение кондиционного состава (СН4 > 25%) не является приоритетной задачей на шахтах РФ, что противоречит требованиям поддержания газобезопасных условий в шахтном пространстве. Удаляемый в атмосферу метан наряду с диоксидом углерода способствует созданию парникового эффекта. Известно, что в атмосфере период распада метана составляет от 3,5 до 11 лет. Метаном поглощается инфракрасная составляющая солнечного излучения, что способствует изменению климата. Увеличение концентрации метана в атмосфере косвенно воздействует на повышение температуры приземного слоя воздуха, что отражается на климате, физиологической и экологической обстановке, потому рациональное использование метана угольных пластов позволит улучшить экологическую обстановку в регионе и улучшить структуру топливно-энергетического баланса региона за счет увеличения доли природного газа. Негативное воздействие шахтного метана на окружающую среду может быть устранено или уменьшено в результате его рационального использования для выработки тепла, пара, электроэнергии или сжигания на факельных установках. Извлечение и эффективное использование шахтного метана повышает рентабельность добычи угля, обеспечивает комплексное освоение георесурсов. Сжигание на факелах не решает экологических проблем региона, так как приводит к образованию токсичных веществ, к тому же при сжигании в открытых факелах выделяющееся тепло не утилизируется.

Концентрационные пределы воспламенения метано-воздушной смеси без разбавителей равны 5-15% СН4 [4]. Использование МВС разрешено при содержании СН4 < 2,5% и СН4 > 25% (РД-15-09-2006; Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-618-03). Утилизация смесей с содержанием СН4 2,5-25% представляет техническую проблему, учитывая безопасный транспорт таких смесей по газопроводам. Существуют вакуумные системы (в частности, водокольцевые вакуумные насосы), предназначенные для работы с горючими смесями в диапазоне воспламенения. В подземных дегазационных системах такие насосы обеспечивают транспорт МВС из горных выработок на дневную поверхность. Любые системы, предназначенные для использования взрывоопасных смесей, должны обладать необходимыми для безопасной эксплуатации конструктивными устройствами с учетом возможных рисков появления опасных режимов. Необходимо превратить горючие смеси во взрывобезопасные, исключить переход нормального режима горения в дефлаграционный и детонационный взрывные режимы горения и взрыва, исключить проскок и отрыв пламени, использовать специальные горелочные устройства, обеспечивающие стабильность режимов работы и выходной мощности энергетической установки при различных вариациях состава топлива.

Были выполнены экспериментальные исследования концентрационных пределов воспламенения МВС при добавке в них инертных разбавителей, которыми служили влажные (18,94% Н2O + 71,59% N2+9,47% СO2) и сухие (88,32% N2 + 11,68% СO2) продукты стехиометрического сгорания МВС. Полученные зависимости верхнего (ВКПВ) и нижнего (НКПВ) концентрационных пределов воспламенения представляют собой замкнутую область. Горючая смесь внутри области способна к воспламенению при наличии источника инициирования (зажигания). Полуостров воспламенения ( иллюстрирует влияние трех составляющих на воспламеняемость метано-воздушной смеси — содержание топлива (метана), инертной добавки и окислителя (кислорода). На рис. 1 (кривая 1) представлена также зависимость содержания метана во флегматизированной метано-воздушной смеси при вариации концентрации метана в исходной МВС в пределах 7-25%. Концентрация метана во флегматизированной МВС более чем в 2 раза превышает соответствующее значение ВКПВ, что согласуется с требованием СНиП 2.04.08-87 об исключении возможности воспламенения горючей смеси. Соблюдение указанного условия позволяет безопасно транспортировать флегматизированную МВС от источника ее добычи до энергетической установки.
В энергетической установке флегматизированная смесь превращается в воспламеняемую добавлением необходимого количества одного из двух компонентов — газообразного топлива либо воздуха, обеспечивая получение составов, располагаемых внутри полуострова воспламенения. Добавление природного газа предпочтительно, так как повышает энергетическую ценность флегматизированного топлива. На практике данная процедура может быть нереализуема из-за отсутствия источника природного газа из традиционных газовых месторождений. Источником метана в угледобывающих регионах являются угольные пласты, из которых газ можно добывать поверхностными скважинами. Данная технология в России (ОАО «Газпром промгаз») проходит опытную эксплуатацию. В ряде зарубежных стран (США, Австралия и др.) данным способом добываются значительные объемы газа (около 60 млрд м3 в США), что говорит о его перспективности.

При отсутствии природного газа дефлегматизация осуществляется добавлением определенного количества воздуха, добавлением синтез-газа, получаемого в газогенераторах, а также разделением газовых смесей с выделением топливной составляющей.

Дефлегматизация воздухом. Полученная зависимость состава флегматизированной МВС, превращенной в горючую добавками воздуха ( кривая 4) при начальном содержании метана в пределах 18-25%, располагается внутри полуострова воспламенения. Количество флегматизатора, необходимое для разбавления исходной МВС при каждой начальной концентрации метана, и количество дополнительного воздуха для дефлегматизации представлено в табл. 1.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2018 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.