СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАНА ИЗ ШАХТНОЙ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF EXTRACTING METHANE FROM MINE METHANE-AIR MIX AND INSTALLATION TO THIS END

Изобретение относится к горной, в первую очередь - угольной, промышленности и может использоваться для выделения метана из шахтной метановоздушной смеси и выдачи его потребителям в качестве товарного продукта.
Важнейшей задачей при проведении горных работ, в частности при добыче угля, является обеспечение безопасности, в первую очередь исключение возможности образования в забоях и других зонах шахты метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации.
Кроме того, целесообразно обеспечить выделение метана из шахтной метановоздушной смеси, что позволяет получить ценный продукт, а также уменьшить загрязнение метаном окружающей среды. Решение последней задачи особенно важно потому, что парниковый эффект метана в 23 раза превышает этот показатель диоксида углерода.
Основным методом поддержания в шахтах взрывобезопасной воздушной среды является принудительное их проветривание с помощью вентиляционных установок, установленных на поверхности. Требования к системам вентиляции шахт установлены разделом III «Правил безопасности в угольных шахтах» № ПБ 05-618-03. Эти «Правила …» регламентируют организацию вентиляции, значения предельной концентрации метана в воздушной среде шахты и другие параметры. Однако они не предусматривают пути и возможности выделения метана из шахтного воздуха с целью его последующего использования, а также защиты окружающей среды.
Существует большое количество публикаций и патентов, посвященных вопросам поддержания взрывобезопасной воздушной среды в подземных выработках.
Известен способ удаления метана вместе с исходящей струей воздуха и выбрасывания его вентиляторами, многократно описанный в литературе (см., например, Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. - М.: Углетехиздат, 1959, с.260-263). Недостатком способа является отсутствие полезного использования метана, содержащегося в смеси, и, как следствие, большое загрязнение окружающей среды.
Известен способ улавливания метановоздушной смеси с помощью дегазационной сети трубопроводов, подсоединенных к устьям скважин, с последующей выдачей смеси на поверхность вакуумными насосами (Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. - М.: Недра, 1981, с.67). Недостатки способа заключаются в больших затратах на изготовление и монтаж дегазационных труб и вакуумных насосов, а также выброс метана в атмосферу.
Известен способ утилизации шахтной метановоздушной смеси (патент RU №2096626, Кл. E21F 7/00, опубл. 20.11.97, бюл. №32), предусматривающий всасывание метановоздушной смеси вентиляционной струи шахты, центробежное разделение ее на три потока - с высоким содержанием метана (более 80%), обогащенного метаном (до 5%) и с низкой концентрацией метана (менее 0,05%), причем первые два потока раздельно сжимают с помощью компрессоров до давления 0,5-0,7 МПа, после чего направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, а третий поток выбрасывают в атмосферу. На валу двигателя может быть установлен электрический генератор или иной потребитель энергии вращательного движения вала. Недостатками этого способа являются следующие:
- не предотвращается возможность транспортировки через рабочую зону шахты и вентиляционные каналы метановоздушной смеси, имеющей взрывоопасную концентрацию метана;
- исключается возможность выдачи метана в качестве товарного продукта потребителю;
- предусматривается сброс части метана, содержащегося в метановоздушной смеси, в атмосферу;
- установка, в которой реализуется данный способ, содержит ряд сложных дорогостоящих и требующих обслуживания составных частей (газотурбинного двигателя, компрессоров и др.).
Известен также способ улавливания метана на вентиляционном горизонте угольной шахты (патент RU №2109959, Кл. E21F 1/00, 1/14, опубл. 27.04.98, бюл. №12), согласно которому к вентиляционному окну в перемычке, расположенной в исходящей из лавы струе воздуха, периодически подсоединяют гибкие емкости с зажимами на концах и заполняют их проходящей метановоздушной смесью для последующей выдачи емкости на поверхность шахты, причем скорость и количество воздуха в очистном забое регулируют изменением степени открытия двери, установленном в вентиляционном окне. Способ имеет следующие недостатки:
- недостаточная эффективность способа, т.к. заполнение емкостей метановоздушной смесью осуществляется периодически, а в остальное время смесь выбрасывается на поверхность без обработки, загрязняя атмосферу метаном;
- сложность организации работы устройства, связанная с необходимостью многократной доставки на поверхность заполненных емкостей и возврата их после опорожнения в вентиляционную выработку, а также с обеспечением своевременной и надежной стыковки емкостей с окном и с управлением зажимами.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ извлечения метана из угольного пласта (патент RU №2256079, E21F Кл. 7/00, 43/00, опубл. 10.07.04, Бюл. №19), предусматривающий создание замкнутой циркуляционной системы, образуемой нагнетательной и добычной скважинами, имеющими перфорированные по длине горизонтальные участки с расположенными между ними фильтрационными каналами, станцией сепарации метана и насосной станцией, соединенными системой наземных трубопроводов. В угольный пласт по нагнетательной скважине закачивают сорбент в виде широкой фракции жидких легких углеводородов с последующим отводом его вместе с сорбированным метаном через добычную скважину на поверхность в станцию десорбции, где метан отделяют и направляют потребителю, а освобожденный от газа сорбент вновь закачивают в пласт по нагнетательной скважине. Недостатки данного способа заключается в следующем:
- по мере выработки угольного пласта необходимо бурить новые нагнетательные и добычные скважины с горизонтальными участками и фильтрационными каналами, что существенно увеличивает трудоемкость и стоимость работ по утилизации шахтного метана, особенно при добыче угля на больших глубинах;
- нагнетание сорбента в угольный пласт, прокачка его через фильтрационные каналы и подъем насыщенного метаном сорбента на поверхность шахты до станции сепарации связаны с большими энергозатратами на привод циркуляционных насосов;
- неизбежны потери сорбента при прокачке его через угольный пласт, а также через нагнетательную и добычную скважины, что увеличивает эксплуатационные расходы;
- затруднено удаление метана из тупиковых выработок.
Задачей предложенного способа выделения метана из шахтной метановоздушной смеси является повышение уровня безопасности эксплуатации угольных шахт, загазованных метаном и предотвращение образования взрывоопасных смесей воздуха и метана в подземных выработках.
Задачей способа является также обеспечение возможности выделения метана из шахтной метановоздушной смеси для его полезного использования в качестве товарного продукта.
Задачей способа является также снижение выброса метана в атмосферу и тем самым - снижение техногенной нагрузки на окружающую среду.
Поставленные задачи решается тем, что в способе выделения метана из шахтной метановоздушной смеси исходную метановоздушную смесь всасывают вентилятором из подземных выработок, подвергают водной пылеочистке, затем подают в абсорбер, где метановоздушная смесь вступает в контакт с поглощающим метан сорбентом, воздух, очищенный от пыли и метана, возвращают в рабочую зону шахты или выбрасывают в атмосферу, а насыщенный метаном сорбент нагревают до температуры 60-80°С, выделяющийся при этом метан очищают от капель сорбента, после чего направляют для последующего использования в качестве товарного продукта, а регенерированный сорбент вновь подают в абсорбер, причем тепло нагретого в десорбере регенерированного сорбента рекуперируют, передавая его в обратном теплообменнике поступающему в десорбер насыщенному метаном сорбенту.
В качестве сорбента можно использовать нефтяные фракции с температурой кипения не выше 350°С или минеральные масла.
Решение поставленных задач достигается также тем, что установка для выделения метана из шахтной метановоздушной смеси, в которой реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные трубопроводами вентилятор, всасывающий из подземных выработок метановоздушную смесь; водяной пылеуловитель с патрубком подвода исходной метановоздушной смеси, патрубком отвода очищенной от пыли метановоздушной смеси, патрубком подвода воды и патрубком для выгрузки осадка; абсорбер с патрубком подвода очищенной от пыли метановоздушной смеси, патрубком подвода регенерированного сорбента, патрубком сброса воздуха, очищенного от пыли и метана, в рабочую зону шахты или в атмосферу и патрубком отвода насыщенного метаном сорбента, соединенным с всасывающим патрубком насоса насыщенного сорбента; обратный теплообменник; одна полость которого соединена входным патрубком с напорным патрубком насыщенного сорбента, а выходным патрубком - с патрубком подвода насыщенного сорбента к десорберу; десорбер, снабженный установленным в нижней части нагревателем, а в верхней части - каплеотбойником и патрубком отвода чистого метана, а также патрубком подвода насыщенного сорбента и патрубком отвода регенерированного сорбента, соединенным с входным патрубком второй полости обратного теплообменника; насос регенерированного сорбента, всасывающий патрубок которого соединен с выходным патрубком второй полости обратного теплообменника, а напорный патрубок - с патрубком подвода регенерированного сорбента к абсорберу.
Кроме того, если в сорбенте содержатся легкокипящие фракции, то перед каплеотбойником целесообразно установить конденсатор с водяным охлаждением для конденсации паров этих фракций и предотвращения их уноса с метаном.
Кроме того, для обеспечения эффективной рекуперации тепла путем передачи его от потока регенерированного сорбента к потоку насыщенного сорбента целесообразно применять обратный теплообменник радиально-спирального типа, отличающийся от теплообменников других типов компактностью и небольшим гидравлическим сопротивлением.
Кроме того, для обеспечения эффективной очистки метановоздушной смеси от пыли и других твердых частиц, а также высокой степени улавливания метана сорбентом целесообразно применять пылеуловитель и абсорбер пенного типа, имеющие весьма небольшое гидравлическое сопротивление.
Такие установки могут размещаться как непосредственно в подземных выработках, так и на поверхности шахты.
На чертеже показана принципиальная технологическая схема установки, выполненной с использованием предложенного способа.
На схеме обозначены следующие элементы:
1 - вентилятор,
2 - пылеуловитель,
3 - абсорбер,
4 - насос насыщенного сорбента,
5 - обратный теплообменник,
6 - десорбер,
7 - нагреватель,
8 - каплеотбойник,
9 - конденсатор,
10 - насос регенерированного сорбента,
11-22 - линии подвода-отвода рабочих сред.
Предложенный способ и установка на его основе работают следующим образом.
Метановоздушная смесь всасывается вентилятором 1 из различных рабочих зон шахты и по линии 11 подается в водяной пылеуловитель 2 преимущественно пенного типа, где промывается водой и отделяется от пыли и других твердых частиц, которые опускаются в нижнюю часть аппарата и периодически, по мере накопления, выводятся наружу через патрубок 12. Для компенсации утечек воды предусмотрена подпитка по линии 13.
Очищенная в пылеуловителе 2 метановоздушная смесь по линии 14 поступает в абсорбер 3 преимущественно пенного типа, где вступает в контакт с регенерированным сорбентом, подаваемым в абсорбер 3 по линии 15. Метан поглощается сорбентом, а чистый воздух по линии 16 сбрасывается в рабочую зону шахты или в атмосферу. Насыщенный метаном сорбент забирается из абсорбера по линии 17 насосом 4, прокачивается по линии 18 через обратный теплообменник 5, после чего подается по линии 19 в десорбер 6, в нижней части которого установлен нагреватель 7, с помощью которого насыщенный метаном сорбент нагревается до 60-80°С, в результате чего метан выделяется из сорбента, поднимается в верхнюю часть десорбера 6, отделяется в каплеотбойнике 8 от капель сорбента и по линии 20 выводится наружу в виде товарного продукта. При наличии в сорбенте легкокипящих фракций, выделяющихся из сорбента при его нагреве, в верхней части десорбера 6, перед каплеотбойником 9 должен быть установлен конденсатор с водяным охлаждением для конденсации паров легкокипящих фракций. Регенерированный сорбент из десорбера 6 по линии 21 подается во вторую полость обратного теплообменника 5, отдает тепло потоку насыщенного сорбента, после чего по лини 22 охлажденный регенерированный сорбент забирается насосом 10 и вновь по линии 15 подается в абсорбер 3.
В качестве обратного теплообменника применен теплообменный аппарат радиально-спирального типа, в котором обеспечивается эффективный теплообмен между потоками насыщенного и регенерированного сорбента.
Предложенный способ и установка на его основе имеют следующие существенные преимущества:
а) обеспечивается отвод метановоздушной смеси из участков шахты с наиболее интенсивным выделением метана, благодаря чему существенно повышается безопасность работ в шахте;
б) выделение метана из метановоздушной смеси может производиться непосредственно на уровне горных выработок, где осуществляется добыча угля или другого продукта, благодаря чему исключается опасность транспортировки на поверхность шахты метановоздушной смеси с взрывоопасной концентрацией метана;
в) существенно сокращается количество метана, выбрасываемого в атмосферу, что существенно улучшает экологическую обстановку в районе добычи угля;
г) метан, выделенный из метановоздушной смеси, выдается на поверхность шахты в виде товарного продукта.