Обогащение метановоздушных смесей метаном до концентраций, требуемых промышленными установками

© Е.А. Ельчанинов, Н.П. Удалова, Е.А. Ельчанинова, О.О. Поссрясва, 2012

УДК 622.411.33

Е.А. Ельчанинов, Н.П. Удалова, Е.А. Ельчанинова, О.О. Посеряева

ОБОГАЩЕНИЕ МЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ МЕТАНОМ ДО КОНЦЕНТРАЦИЙ, ТРЕБУЕМЫХ ПРОМЫШЛЕННЫМИ УСТАНОВКАМИ

Рассмотрены способы и средства обогащения метановоздушных смесей дегазационных и вентиляционных систем для наиболее эффективной утилизации шахтного метана. Выбраны наиболее эффективные технологии для обогащения МВС метаном до требуемых концентраций.

Ключевые слова: метан, адсорбция, мембрана, газоразделение, абсорбция, обогащение.

Ресурсы метана в угольных пластах в пересчете на условное топливо занимает по разным опенкам третье-четвертое место среди запасов горючих ископаемых на земном шаре после угля, нефти и природного газа.

Принимая во внимание то, что метан — экологически чистое, высоко энергетическое топливо, а также хорошее химическое сырье, его необходимо извлекать и использовать для улучшения топливно-энергетического баланса страны, повышая безопасность добычи угля и улучшая экологию.

В связи с этим разрабатываются способы и средства повышения концентрации метана в МВС дегазационных и вентиляционных систем с применением мембранного, сепарационного, сепарационно-мембранного, вихревого, адсорбционного, абсорбционного методов. Созданы, изготовлены и испытаны лабораторные образцы установок разделения (обогащения) МВС.

Цель: обеспечить эффективную утилизацию шахтного метана с концентрацией 0,3—3,5 %; 4,0-25 %;

25-50 % и более 50 %. с использованием по следующим направлениям:

— 0,3-3,5 % - для сжигания в топках котлов и для получения рабочего тела в выносных камерах горения для ГТУ, для выработки тепла и электроэнергии;.

— 4,0-25 % - для сжигания в топках и для использования в газодизелях и ДВС;

— 25-50 % - использование в энергетических и химических установках для получения энергии и химических продуктов;

— 50 и более - для быта, химии и энергетики.

В силу того, что извлекается метан не стабильного качества - концентрация, дебит, давление и примеси — он не может быть на прямую использован как энергоноситель или исходный ресурс для химических технологических установок.

Обогащение может быть осуществлено несколькими путями:

• добавлением метана из центральных газопроводов;

• разделением бинарных газовых потоков с выделением потока с по-

вышенной концентрацией метана и воздушного потока с минимальным содержанием метана;

• получение газогидратов метана из газовоздушной смеси с низшим содержанием в ней метана;

• низкотемпературное разделение МВС с получением 98-99 % метана в газообразном или жидком виде;

• механическое разделение мембранными, центробежными, центро-бежно-мембранными и вихревыми установками;

• адсорбционными и абсорбционными методами с использованием жидких углеводородных сорбентов;

• выделение метана сорбентами.

Обогащение из государственных

газопроводов может быть осуществлено только при наличии магистрального газопровода. Шахты, как правило, не имеют подвода газа от государственных газопроводов, поэтому данный способ может найти применение в единичных случаях.

Получение газогидратов технически решается, но экономически пока не выгодно. С изменением цен на энергоносители, очевидно, этот способ обогащения и утилизации метана метановоз-душных смесей, в перспективе, найдет свою область применения.

Установки, работающие на принципе молекулярных мембран, как показали наши исследования, не достаточно эффективны для разделения метана и кислорода. Эти установки могут дать надежный эффект лишь в случае формирования основного процесса дополнительными технологическими мероприятиями.

Наибольший эффект может быть достигнут с помощью центробежных вихревых аппаратов. Существующие центробежные аппараты для обогащения метановоздушных смесей экономически не приемлемы.

Оценив все возможные варианты аппаратов обогащения метановоз-душных смесей, был сделан вывод о необходимости разработки аппаратов, использующих комбинации принципов: мембранно-центробежный, цен-тробежно-вихревой, центробежно-сепарационный, которые позволяют выделять и повышать концентрацию метана из вентиляционных и не кондиционных дегазационных потоков до 2,5-3 %, что позволяет использовать их в газовых турбинах для получения электроэнергии и тепла.

Существует необходимость обогащения метановоздушных смесей с концентрацией метана ниже 25 %, которое может быть решено методом безна-гревной адсорбции, с доведением концентрации СН4 до 33-65 %. В качестве адсорбента применяются активированные угли. Полученная метановоздушная смесь может быть использована для сжигания в котельных, теплоагрегатах, дизелях, турбинах, но не может быть передана в государственные газопроводы и принята для транспортирования на значительные расстояния.

По этим соображениям разработаны технологические решения обеспечивающие низкотемпературное разделение смеси с получением метана в газообразном виде концентрацией 9899 % с давлением 0,4 МПа и дальнейшим дожатием его на АГНКС до 25 МПа с целью использования в качестве моторного топлива и второй вариант — низкотемпературное разделение смеси с получением метана в жидком виде и дальнейшей регазификацией:

• с давлением 25 МПа для использования в качестве моторного топлива;

• с давлением 0,6 МПа для снабжения населенных пунктов.

Компоновка технологической линии осуществляется стандартным оборудованием. Энергопотребление уста-

Таблица 3

Характеристика метанообогатительных аппаратов

Тип аппарата Коэффициент Рабочее Коэф. повы- Степень

потерь давление шения концен- извлечения

энергии трации мета- метана, %

на, %

Мембранный аппарат с ци- 10 % 0,2 - 0,3 1,2 10

линдрическим модулем

Мембранный аппарат со 20 % 0,2 - 0,7 1,8 30

спиральным модулем

Газораспределительные

сепараторы:

центробежный 10 % 0,02 - 0,2 1,3 20

центробежно- 5 % 0,02 - 0,1 4,0 80

мембранный

вихревой 5 % 0,02 - 0,1 7,2 80

новок 800 кВт. Объем метана, получаемого из мета-новоздушной смеси 925 м3/ч и 475 м3/ч азота.

Обогащение некондиционной газовоздушной смеси методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) под давлением 1,5 кг/см2 с начальной концентрацией горючего газа 1625 % обогащается за цикл продолжительностью 3 мин. до концентрации 3365 %. В качестве адсорбента КБА используется серийно выпускаемые во-докольцевые вакуум-

насосы и другое стандартное оборудование. С помощью этого метода можно получить газовоздушную смесь с концентрацией метана 50 % и более.

Такая смесь пригодна для использования в коммунальном хозяйстве. Метод КБА может найти широкое применение в районах, не обеспеченных природным газом.

Рис. 1. Общий вид газоразделительного сепаратора: 1 — корпус сепаратора; 2 — пластина; 3 — вертикальный коллектор для метана; 4 — канал для поступления исходной смеси; 5 — клапан; 6 — внутренняя часть сепаратора; 7 — мембрана; 8 — канал для МВС; 9 — переборки; 10 — мембранный слой; 11 —13 — выход очищенного воздуха; 14—16 — выход обогащенного метана

Рис. 2. Общий вид вихревой газоразделительной установки

Характеристика метанообогатитель-ных аппаратов представлена в табл. 3.

Общий вид сепарационного газоразделителя, представлен на рис. 1 разработан в ИГД им. A.A. Скочинского, экспериментальный образец изготовлен на дочернем предприятии ЦИАМ «Алитет». Установка рассчитана на производительность от 50 до 100 м3/мин.

Для подготовки и обогащения больших потоков метановоздушных смесей создана вихревая газоразделительная установка, общий вид которой представлен на рис. 2, опытно промышленный образец изготовлен

фирмой «Алитет» и врто-летным заводом им Миля. Установка предназначена для подготовки и обогащения метановоздушных потоков от 300 и более м3/мин. С ее помощью можно все вентиляционные потоки, выдаваемые из шахт центральными вентиляторами, очищать на 8590 % от примесей метана и пыли.

Следующим звеном в подготовке к использованию метановоздушных смесей является обеспечение необходимого давления в транспортном трубопроводе от источника до потребителя метановоздушной смеси. Для этих целей ИГД им. А.А.Скочинского совместно с институтом теплофизики СО РАН и его дочерним предприятием «Экодом» созданы струйные аппараты. В настоящее время изготовлено два аппарата по 10 м3/мин. на заводе «Калибр» Москва и прошли испытания на стенде МВТУ им. Баумана, применены на шахте «Комсомольская» ПО «Ворку-тауголь». По полученным результатам применения ведется разработка струйного аппарата производительностью 25 м3/мин и более.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чекалов Ё.Н., Талакин О.Г. и др. Тезисы докладов 2 Всесоюзной конференции по мембренным методам разделения смесей. Владимир 1977, с.251-253.

2. Проблемы разработки угольных пластов, извлечения и использования шахтного

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

метана в Печорском бассейне. - М.: ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского, 2002, - 350 с.

3. Банков В. И., Примак Н. В. Скорость проницания при се лективном мембранном газоразделении//ИФЖ. 2008. Т. 81. № 3. с. 421—426. 530

Ельчанинов Е.А., Удалова Н.П., Ельчанинова Е.А., Посеряева О.О. — Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru.