Особенности подготовки шахтного метана к полезному использованию

УДК 377.44 В.А. Малашкина

ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ШАХТНОГО МЕТАНА К ПОЛЕЗНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

Рассмотрена проблема подготовки метана к полезному использованию, методы влагоудаления и предложены технические устройства для осуществления этого процесса.

Ключевые слова: системы дегазации, шахтный метан, газовыделение, концентрация метана.

Дальнейший технический прогресс в угольной промышленности связан с освоением новых месторождений и развитием действующих предприятий с безопасными условиями труда. В нынешних условиях углубление шахт, интенсификация производства и расширение добычных работ должны непременно сопровождаться повышением эффективности использования систем дегазации.

Обеспечение безопасных условий труда шахтеров и увеличение производственной мощности угольных шахт возможны при непрерывной, эффективной и надежной работе дегазационных установок.

Известно, что шахтный метан является ценным химическим сырьем и высококалорийным топливом. В современных условиях экономического и социального развития стран СНГ необходимо особенно бережно и экономно использовать топливноэнергетические ресурсы, что включает в себя более полную утилизацию вторичных энергоресурсов. В частности, последнее относится к газу метану, добываемому при ведении дегазационных работ в угольных шахтах.

Показатель использования шахтного метана находится в прямой зависимости от эффективности использования дегазационной установки, производительность, которой существенно зависит от стабильности функционирования ее элементов.

В связи с техническим перевооружением добывающей угольной промышленности научные исследования по дегазации и управлению газовыделением в горные выработки в настоящее время

проводятся применительно к условиям работы выемочных участков с высокими нагрузками, достигающими 30 тыс. т/сутки. В таких условиях существующие средства и способы не в состоянии обеспечить снижение газовыделения в горные выработки до безопасного уровня, поэтому осуществляется разработка способов интенсификации дегазации с целью дальнейшего повышения ее эффективности [1, 2, 3].

При использовании потребителем метана, каптируемого из угольных шахт дегазационными установками, необходимо обеспечить требуемый уровень концентрации метана в отсасываемой смеси, являющийся основным ее параметром. Вторым, не менее важным параметром извлекаемой метановоздушной смеси является дебит метана.

Суммарный дебит метана, извлекаемого на выемочных участках шахты, определяется по известной формуле [1, 2]

бо6щ =ІQa,+ІQ«,,

/=1 /=1

где Qо6щ - суммарный дебит метана, извлекаемого на выемочных участках средствами вентиляции и дегазации, м3/мин; Q - дебит

метана, каптируемого из источника метановыделения с помощью дегазации м3/мин; Qв. - газовыделение в вентиляционную сеть /-го участка, м3/мин; k - число дегазируемых участков; / - индекс дегазируемого участка.

Для эффективной дегазации шахт и возможности использования шахтного метана потребителем дегазационная установка должна обеспечивать поддержание заданных технологических условий:

- необходимое разрежение в устьях дегазационных скважин, обеспечивающее отсос расчетного количества метана;

- поддержание уровня концентрации метана в каптируемой смеси на выходе из дегазационной установки не менее 25 % - в качестве топлива для промышленных установок (котельных), не менее 50 % - при использовании метановоздушной смеси для бытовых нужд [1, 2];

- поддержание величины давления в начале наземного трубопровода, определяемой техническими данными системы потребителя;

- стабильность параметров каптируемой метановоздушной смеси - величины дебита и концентрации метана в смеси, и бесперебойную работу дегазационной системы.

Основными компонентами газовой смеси, каптируемой шахтной дегазационной установкой, являются метан и воздух. Изменение параметров каптируемой смеси происходит в следующих пределах [3, 4]:

- разрежение у устья дегазационной скважины - 0 ... 27 (33) кПа, в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе - 0 ... 53 кПа;

- концентрация метана в смеси: до 100 %;

- концентрация углекислого газа: 0 . 2 %;

- относительная влажность газовоздушной смеси: до 100 %;

- скорость движения трехфазной смеси: от 0,5 до 20-25

м/с;

- среднее значение температуры смеси на выходе из скважин: 30-35 °С, на конечном участке подземного трубопровода: 16-18 °С.

К основным особенностям эксплуатации дегазационной установки относятся:

- необходимость создания и поддержания требуемой величины разрежения в дегазационных скважинах и подземной трубопроводной системе для каптирования метановоздушной смеси из скважин на поверхность или к потребителю;

- необходимость поддержания величины концентрации метана в каптируемой смеси (при транспортировании последней по вакуумному газопроводу) не ниже норм, установленных «Методическими рекомендациями ...» [1, 2]

- необходимость оперативного контроля параметров метановоздушной смеси у вакуум-насосов и проведения диагностики функционирования всей дегазационной системы для предотвращения аварий и неэффективной работы установки;

- прокладка параллельных участков газопровода для капти-рования требуемой величины дебита метана из дегазационных скважин;

- для слива воды из газопровода дегазационная установка останавливается, как правило, на 1,0-1,5 ч один раз в сутки [4];

- определение и устранение неплотностей соединений звеньев дегазационного трубопровода и разгерметизации устьев

дегазационных скважин, являющихся причиной ненормированных подсосов воздуха в дегазационную систему [4];

- применение установленного оборудования во взрывобезопасном исполнении.

Эксплуатация дегазационных систем осуществляется в соответствии с «Методическими рекомендациями ...» [1, 2]. Согласно указанной Инструкции концентрация каптируемого метана в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе должна быть не менее 25 %. Содержание метана менее 25 % в каптируемой смеси допускается лишь в отдельных случаях, с принятием и соблюдением мер, согласованных с МакНИИ или ВостНИИ. При использовании каптируемого газа потребителем концентрация метана на входе в вакуум-насосную станцию должна быть не менее 25 %, а для бытовых нужд - 50 % [2].

Все вышесказанное определяет ряд требований как к конструктивным параметрам дегазационной установки, учитываемых при проектировании, так и к технологии извлечения и транспортирования метановоздушной смеси от скважин на поверхность и подготовки ее для использования потребителем.

В настоящее время наиболее известными являются газоподготовительные станции ГПС-1, ГПС-2 и ГПС-3 [5, 6, 7] - непрерывно действующие автоматические системы, не требующие постоянного обслуживающего персонала. Необходимые параметры устанавливаются с помощью ручного задатчика и автоматически поддерживаются системой регулирования. Станции ГПС-1 и ГПС-2 успешно эксплуатируются уже несколько лет. На данный момент станция ГПС-3 конструктивно не представлена, разработана лишь ее схема, а также необходимая комплектация узлов станции оборудованием.

Все газоподготовительные станции предназначены для подготовки к использованию метановоздушных смесей с любым содержанием метана к полезному использованию в качестве моторного топлива, химического сырья, топлива котельных и др.

Станции ГПС-1, 2, 3 включают в себя три линии:

• линию подачи каптируемого газа;

• линию подачи атмосферного воздуха (ГПС-2 и ГПС-3) или природного газа (ГПС-1);

• линию подготовленного газа.

Газоподготовительные станции комплектуются как серийным стандартным оборудованием так и специальным нестандартным.

Первой стадией подготовки метановоздушной смеси является процесс влагоудаления на линии подачи каптируемого газа. Снижение содержания влаги осуществляется в специальном теплообменнике-водоотделителе циклонно-сепарационного типа. Своевременный отвод конденсата из устройства очень важен при этом. Более совершенные конденсатоотводчики - это конденсатоотводчики поплавкового типа. Самыми технологичными являются электронные конденсатоотводчики, которые можно запрограммировать на различные режимы работы и подключить к единой компьютерной сети, дистанционно осуществляя слив конденсата.

Второй особенностью подготовки метановоздушной смеси является выравнивание давления в подаваемой газовой смеси. Этот процесс осуществляется в демпфирующих емкостях, Объем емкости определяется расчетным путем в зависимости от дебита метановоздушной смеси. Особенностью конструкции является наличие разделительных перегородок расположенных таким образом, чтобы направление движения газа и его скорость изменялись несколько раз.

Поддержание стабильной концентрации метана в подаваемой потребителю метановоздушной смеси осуществляется автоматической системой, в состав которой кроме ряда стандартных датчиков входит смеситель оригинальной конструкции, обеспечивающий при минимальных габаритах устройства качественное смешение по сечению транспортного газопровода метана и воздуха. Эта проблема является особенно существенной при небольших длинах подающего газопровода.

Воздух, подаваемый из атмосферы в смеситель в ГПС-2 и ГПС-3 также проходит стадии осушения до требуемой влажности и очистки от пыли и различных мелкофракционных включений.

В заключение можно сделать вывод, что обеспечение стабильной работы потребителей шахтного метана зависит не только от количества газовой смеси, но и от качества ее подготовки к использованию.

1. Методические рекомендации о порядке дегазации угольных шахт (РД-15-09-2006). Серия 05. Выпуск 14. /А.Д.Рубан, В.С. Забурдяев и др.. - М.: Открытое акционерное общество «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2007. - 256 с.

2. Руководство по дегазации угольных, / АН СССР, Ин-т горного дела им А. А. Скочинского. - Люберцы, 1990. - 192 с.

3. Карпов Е.Ф., Рязанов А.В. Автоматизация и контроль дегазационных систем. - М.: Недра, 1983. - 196 с.

4. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. 2-е издание. -М.: Изд-во МГГУ, 2007.

5. А.С. 767363 (СССР). Дегазационная установка /Лаврик В.Г., Гаязов Н.И., Мирончак О.П. и др. - Опубл. в Б.И., 1980, №36.

6. А.С. 1209898 (СССР). Дегазационная установка /Лаврик В.Г., Мирончак О.П., Гаязов Н.И. - Опубл. в Б.И., 1986, №5.

7. Патент № 2299331 (РФ). Установка для подготовки шахтного метана к утилизации / Пучков Л.А., Малашкина В.А., Каледина Н.О..- Опубл. в Б.И., 2007, № 14. [ДЩ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -------------------------------------------

Малашкина Валентина Александровна - доктор технических наук, профессор, кафедра «Аэрология и охрана труда» Московского государственного горного университета, ud@msmu.ru