Некоторые технологические направления создания малой химии на базе шахтного метана, извлекаемого из дегазационных и вентиляционных систем шахт

© Е.А. Ельчанинов, 2002

УДК 622.411.33

Е.А. Ельчанинов

НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОЗДАНИЯ МАЛОЙ ХИМИИ НА БАЗЕ ШАХТНОГО МЕТАНА, ИЗВЛЕКАЕМОГО ИЗ ДЕГАЗАЦИОННЫХ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ ШАХТ

Проблема утилизации метана дегазационных и вентиляционных шахтных систем носит экономический характер. В настоящее время рассматриваются различные пути его утилизации, однако, по техническим, экологическим и экономическим параметрам они не все равноценны.

В настоящее время метан извлекается из угольных пластов дегазационными, а из горных выработок вентиляционными системами.

Ежегодно в России добывается дегазационными системами шахт порядка 450-480 млн м3 метана и 2,5-3,5 млрд м3 выносится вентиляционными системами. Используется порядка 911 % метана, извлекаемого дегазационными системами, остальной выбрасывается в атмосферу.

Необходимо отметить, что дегазационные и вентиляционные системы изначально не предусматривают промышленное использование метана, их задача - обеспечение безопасных условий работы в горных выработках.

Для повышения коэффициента утилизации шахтного метана нами выполнен ряд работ по разработке и созданию технологий и средств использования метановоздушных смесей в промышленных химических установках для получения химических продуктов, таких как метанол, октамикс, ацетилен, техническая сажа, формальдегид и его производные, моторное топливо и др.

На сегодня совместно с ГИАП, НПО Криогенмаш, Институтом химической физики им. акад. Н.Н. Семенова РАН, АО "Пензахиммаш" и АО "Уралхим-маш" нами разработаны технологии по получению названных химических продуктов, а также определено серийно выпускаемое оборудование позволяющее развивать малую химию на базе метана, извлекае-

мого дегазационными и вентиляционными системами шахт.

Учитывая, что наличие значительного количества азота и кислорода в метановоздушных смесях делает их прямое использование в химическом производстве в некоторой степени ограниченным, то в связи с этим, утилизация метановоздушных смесей дегазационных и вентиляционных систем шахт для химических производств, нами рассматривается в двух направлениях. Первое направление предусматривает прямое использование шахтного газа для химических производств, в этом случае из метановоздушных смесей непосредственно получают химические продукты. Вторым направлением является получение из метановоздушных смесей чистого (97-100 %) метана с последующим его использованием в различных сферах химических производств. Полученный таким образом метан значительно расширяет область использования его для различных химических производств. Отсюда четко обозначаются следующие аспекты его использоапния:

- экономический - получение ряда новых продуктов из утилизируемого метана, имеющих рыночный спрос и самостоятельную потребительскую стоимость;

- экологический - исключение выбросов в атмосферу, снижение парникового эффекта улучшение экологии;

- социальный - создание новых рабочих мест, что имеет актуальное значение при реструктуризации угольной промышленности.

Технический аспект имеет положительные особенности в том, что технологии базируются на высококачественном серийно выпускаемом оборудовании отечественными заводами "Пенза-химмаш" и "Уралхим-маш".

Рыночный аспект - товарная продукция (метанол, метан, октамикс формальдегиды, ацетилен, техническая сажа, высшие спирты) пользуется большим спросом на внутреннем и внешнем рынке.

Задел - выполнены работы по технологическим процессам, определена номенклатура оборудования, дана укрупненная технико-

экономическая оценка. Предварительные расчеты технологических процессов получения химических продуктов и технико-экономические показатели выполнены совместно с Техногаз - ГИАП и институтом химической физики им. акад. Н.Н. Семенова РАН.

Прямое использование метановоздушных смесей (МВС) дегазационных систем шахт для химических производств обуславливает узкую область его применения. В случае же получения из МВС чистого метана с последующим его использованием в различных сферах химического производства значительно расширяет круг его использования. Для получения чистого метана разработан процесс, основанный на выжигании кислорода из МВС с последующей подготовкой газовой смеси для низкотемпературного блока разделения. Для этого процесса проведена работа в объеме проекта, выполнена конструктивная проработка основного технологического оборудования.

Жидкий метан при атмосферном давлении имеет температуру кипения около минус 162 °С. Его объем при этом в 600 раз меньше объема газа при нормальных условиях. Это позволяет транспортировать его на значительные расстояния и использовать в качестве топлива для транспортных средств.

Мощность производства метаномоторного топлива из МВС при продолжительности работы установок 317 дней в году составляет 5187 т/год. Отработанные катализаторы конверсии МВС и метанирования могут перерабатываться на комбинате "Южуралникель". Низкотемпературное разделение МВС с получением метана в жидком виде и дальнейшая регазификация с давлением 25 МПа для заправки автотранспорта и с давлением 0,6 МПа для газоснабжения населенных пунктов.

Низкотемпературное разделение

МВС с получением метана в газообразном виде с давлением 0,4 МПа и дальнейшим дожатием его на АГНКС до 25 МПа с целью заправки автомобилей.

Экономический эффект выделения метана из МВС.

Количество МВС в год 24000 тыс. м3, стоимость 1400 тыс. долл., годовые затраты - энергоматериальные 278,4 тыс. долл., условно - постоянные расходы - 291,9 тыс. долл., годовая прибыль за вычетом налогов 514,8 тыс. долл., единовременные затраты на строительство 1525,1 тыс. долл. и на загрузку катализаторов 43 тыс. долл. Период возврата единовременных затрат 4 года.

В 1993 г., по согласованию с руководством ОАО «Воркутауголь» был разработан проект строительства станции получения моторного топлива с целью отказа ввоза традиционного жидкого топлива и перевод автотранспорта г. Воркуты на газовое топливо, получаемое из шахтного метана дегазационных систем. По проекту строительство станции стоило 680 млн руб. в ценах 1991 г. Объединение не смогло реализовать проект из-за отсутствия необходимого финансирования. В связи с этим была проведена работа по созданию модулей получения моторного топлива, обеспечивающих использование метана на отдельных шахтах. Работа не закончена из-за прекращения финансирования НИОКР.

Проведена проработка в целях выбора оптимальной схемы производства метанола, рассмотрены две схемы получения синтез-газа.

Первая схема предусматривает конверсию шахтного метана в шахтном конверторе при соотношении пар

- метан равном 2, температуре 300 °С и давлении 25 атм. Синтез - газ после шахтного реактора имеет факториал f (Н2-С02) / (СО + С02) = 1,52, что значительно ниже оптимальной величины (2,0-2,3). Кроме того, газ содержит значительное количество азота и метана, это ухудшает его использование как синтез-газа для метанола.

Второй вариант получения синтез-газа предусматривает двухступенчатую конверсию шахтного газа. Первая ступень - шахтная конверсия при давлении 25 атм., температуре 300 °С и

соотношении пар/метан равном 2. Затем газ поступает на вторую ступень конверсии - трубчатую печь. Газ после трубчатой печи имеет оптимальный факториал F = 2,18. Этот вариант на наш взгляд является оптимальным и принят за базовый. При этом варианте производительность установки 1,15 т/час стопроцентного метанола, расходный коэффициент - 4416,23 нм3 (свежего - газа)/т, давление синтеза -100 атм, кратность циркуляции -11,0.

Окисление метана в метанол при давлении 30-40 атм. и температуре 300-500 °С осуществляется некаталитическим и каталитическим путем. При использовании цеолитовых катализаторов удается достичь селективности 75 % при конверсии 5-10 %. Себестоимость 1 т равна 54,3 долл., реализация - 90 долл. за 1 т.

В настоящее время в промышленности разных стран процесс получения ацетилена окислительным пиролизом имеет наибольшее применение по сравнению с другими способами его получения. Прямое получение ацетилена из шахтного газа окислительным пиролизом не возможно из-за большого содержания в нем инертного газа - азота. Поэтому процесс получения ацетилена в данном случае осуществляется в два этапа.

Установка получения ацетилена состоит из двух основных узлов -производства пиролизного газа и выделения ацетилена. Годовая производительность 60 т, что соответствует заполнению 36-37 баллонов ацетилена в сутки. Расход газа при этой производительности 403 м3/ч.

Термоокислительный пиролиз метана с образованием ацетилена происходит при температуре 1300-1500 °С в реакционной камере. Для предотвращения разложения образовавшегося ацетилена газы пиролиза подвергают закалке обратной водой грязного цикла.

В 1 баллоне под давлением 16 кг/см2 и температуре 20 °С находится 4,2 м3 ацетилена (4,85 кг). Для получения 1 баллона ацетилена необходимо 564 м3 МВС с концентрацией метана 25 %, т.е. по метану 141 м3 (9,4 м3/мин. МВС или 2,35 м3/мин. СН4).

Теплотворная способность ацетилена 13400-14000 ккал/м3, температура горения ацетилена в воздухе 2350

°С, в кислороде 3150 °С. Температура самовоспламенения чистого ацетилена при атмосферном давлении 335 °С.

Себестоимость 1 баллона емкостью 4,2 м3 - 5,97 долл..

Себестоимость 1 баллона с учетом затрат на заполнение, проверку и ремонт - 18,5 долл..

Цена реализации 1 баллона ацетилена - 42,25 долл..

Годовая прибыль от реализации -274873 долл..

Срок окупаемости - пять месяцев.

При окислении метана получается два продукта. При окислении при повышенном давлении (свыше 30 атм.) основным продуктом реакции является метанол, при давлении близком к атмосферному образуется главным образом формальдегид.

Прямая конверсия метана в формальдегид является перспективным методом переработки МВС. Только при получении формальдегида возможно использование МВС с малой концентрацией метана. Метан, выделенный из вентиляционных потоков может быть переработан в формалин. При низких конверсиях h = 0,05-2 % селективность достигает 79 %, начальное содержание метана 1-3 %, повышение концентрации метана увеличивает максимально содержание формальдегида и это необходимо учитывать при выборе условий для технологического процесса.

Для получения формальдегида при низкой концентрации метана в метановоздушной смеси 1-3 % необходима температура 900-1000 К.

При производстве альдегидов есть возможность получать 6-10 % объема от используемого метана, т.е. с каждого миллиона м3 60-100 т альдегидов. На рынке спрос на альдегиды постоянно растет. Сегодня 1 т формалина на мировом рынке стоит 5 тыс. долларов.

Комплекс выполненных работ по созданию технологий малой химии позволяет использовать до 90-95% извлекаемого метана из угольных пластов. Все технологии базируются на серийно выпускаемом оборудовании, производимом АО "Пензахиммаш" и АО "Уралхиммаш".

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------

Ельчанинов Евгений Александрович — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.