СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА, ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СТРУИ, УГЛЕВОДОРОДНЫХ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PROCEDURE FOR COMPLEX UTILISATION OF MINE METHANE, AIR FLOW, AND HYDROCARBON WASTES OF COAL MINING AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE (VERSIONS)

Изобретение относится к теплоэнергетике, энергоресурсосберегающим процессам рационального использования угольного метана, добываемого дегазационными системами из углепородной массы, использованию шахтного метана, метана вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи.
3
4
Рентабельные запасы метана в пределах шахтных полей в России, которые могут быть извлечены с помощью существующих технологий ведения дегазационных работ, оцениваются в 40-65 млрд м, являются наиболее доступными для добычи и рационального использования. Извлечение метана из угольных пластов дегазационными системами методом вакуумирования с отводом каптируемой смеси на поверхность является наряду с вентиляцией подземного пространства наиболее распространенным способом создания безопасных условий ведения горных работ при разработке газоопасных пластов. Дегазационные газопроводы на угледобывающих шахтах имеют большую разветвленную протяженность, подземные газопроводы монтируются из труб с фланцевыми соединениями, через которые при некачественном соединении поступает воздух из окружающей среды. Подсосы воздуха в дегазационный газопровод также осуществляются через трещины дегазационных скважин, пробуренных в углепородном массиве, и места соединения дегазационных скважин с газопроводом. В ряде случаев дегазационные трубы соединяются скважинами, пробуренными в углепородном массиве. Устранить полностью поступление воздуха в газопроводы проблематично из-за конструктивных особенностей дегазационной системы. На большинстве шахт концентрация метана на дневной поверхности составляет менее 25%, что исключает использование такого рода смесей согласно существующим нормативным документам, потому они удаляются в атмосферу. На практике получение кондиционного состава (СН>25%) не является приоритетной задачей на шахтах РФ, качеству дегазационной системы не уделяется должного внимания, а потому создание технологии, обеспечивающей утилизацию некондиционных метановоздушных смесей, является актуальной задачей.
4
Использование отработанной вентиляционной струи в качестве дутья в энергетических установках является наиболее целесообразным способом ее утилизации, что подтверждает зарубежный опыт. В России данная технология не практикуется. Для утилизации отработанной шахтной вентиляционной струи должна быть модернизирована система вентиляции. Выход отработанной шахтной вентиляционной струи на дневную поверхность действующих шахтных полей должен быть сосредоточенный, что имеет место на ограниченном числе шахт России. Должна быть организована подача отработанной вентиляционной струи в энергетические установки, которые в свою очередь должны быть модернизированы с учетом содержания в дутье топлива - метана. Стехиометрическое соотношение топливо-окислитель (дутье), вблизи которого, как правило, осуществляется сжигание природного газа, энергетического угля и других углеводородов близко 1:10. Даже незначительное содержание метана в отработанной вентиляционной струе (CH≤0,75%) вносит существенный вклад в энергетический баланс сжигаемого топлива и должно учитываться при организации процесса горения в энергетической установке.
Удаление в атмосферу парникового газа метана является негативным моментом угледобывающей отрасли. Разработка технологий, минимизирующих выбросы в атмосферу метана, находятся в русле действующих Киотского протокола и внутригосударственных экологических документов.
Известен способ получения электроэнергии при бесшахтной дегазации углей скважинами с поверхности и подземной газификации углей с получением генераторного газа, заключающийся в том, что одновременно с подземной газификацией на одних участках угольного массива, на других близлежащих участках осуществляют дегазацию с удалением метана (RU 2100588, 1997).
Известен способ, основанный на процессе фильтрационного горения, позволяющий утилизировать некоторые виды органических веществ, к числу которых углеводородные отходы угледобычи не относятся (RU 2116570, 1998).
Известен способ утилизации кондиционного шахтного метана в автономной модульной котельной. Некондиционные смеси в установках данного типа не утилизируются (RU 67181, 2007).
Известен способ использования отработанной вентиляционной струи в качестве дутья в энергетических установках. Используется в Австралии, но в России не практикуется (А.Д.Рубан, B.C.Забурдяев, Г.С.Забурдяев и др. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование. М.: ИПКОН РАН, 2006, с.312).
4
Наиболее близким к предложенному способу, выбранному в качестве прототипа, является способ использования шахтного метана, включающий транспортировку и применение кондиционной метановоздушной смеси шахтного метана в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, флегматизацию продуктами сгорания некондиционной метановоздушной смеси шахтного метана с установленными верхним и нижним концентрационными пределами содержания метана СН в ней, транспортировку, разбавление воздухом и использование ее также в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке (RU 2306423, 2006).
4
В способе прототипа флегматизируют метановоздушные смеси при начальном содержании метана 21%≤CH≤25% продуктами полного сгорания углеводородного топлива, являющимися смесью инертных газов, для безопасного транспорта смесей по газопроводам до энергетической установки, в которой эти смеси утилизируются, превращаясь в горючие за счет увеличения доли дутья или топлива.
Известно устройство для использования шахтного метана, включающее вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси, блок подготовки метановоздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метановоздушной смеси, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана и систему автоматического управления (RU 2306423, 2006).
Недостатками известных способов и устройства являются:
1. Невозможность утилизации некондиционного шахтного метана при любой концентрации метана в каптируемой смеси, количество которого на шахтах России существенно превышает количество кондиционного шахтного метана.
2. Отсутствие возможности полезного использования углеводородных отходов угледобычи, которые на территории большинства шахт хранятся в отвалах, в то же время являясь ценным углеводородным сырьем.
3. Каталитическая утилизация отработанной вентиляционной струи из-за низкой рентабельности не внедряется на практике.
4
4. Мал концентрационный интервал (21%≤СН≤25%) некондиционной метановоздушной смеси (МВС), подлежащий использованию в соответствии с технологией, изложенной в прототипе (RU 2306423, 2006).
5. Отсутствие возможности комплексного использования некондиционного шахтного метана, отработанной вентиляционной струи, углеводородных отходов угледобычи.
4
В предложенной группе изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, ставится задача создания технологии и технических средств (технологических схем) ее реализующих, обеспечивающих получение технического результата, выражающегося в рациональном использовании некондиционного шахтного метана от 2,5 до 25% СН в исходной МВС при безопасном его транспорте по газопроводам, использовании совместно с вентиляционной струей в энергетических установках с вовлечением углеводородных отходов угледобычи, как при их сжигании в энергетических установках, так и в результате газификации с получением и использованием синтез-газа и с привлечением МВС совместно с вентиляционной струей в качестве дутья.
4
4
4
Технический результат достигается тем, что в способе использования шахтного метана (СН), включающем транспортировку и применение кондиционной метановоздушной смеси в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, флегматизацию продуктами сгорания некондиционной метановоздушной смеси с установленными верхним и нижним концентрационными пределами содержания CH в ней, транспортировку, разбавление воздухом и использование ее также в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, согласно изобретению некондиционную метановоздушную смесь с содержанием СН в ней ниже установленного нижнего концентрационного предела разбавляют вентиляционной струей, транспортируют и используют ее в качестве дутья при сжигании углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа, причем полученный синтез-газ используют при сжигании углеводородных отходов угледобычи и/или применяют в качестве резервного газового топлива для, по меньшей мере, одной энергетической установки, выполненной в виде теплового аппарата.
Способствует достижению технического результата то, что:
4
4
4
- флегматизацию части некондиционной метановоздушной смеси шахтного метана осуществляют с учетом концентрационных пределов воспламенения разбавленной воздухом флегматизированной продуктами сгорания метановоздушной некондиционной смеси СН в зависимости от содержания флегматизатора в смеси с воздухом при каждом значении содержания СН в смеси для транспортировки и необходимого количества воздуха при последующем разбавлении метановоздушной некондиционной смеси СН;
4
4
4
4
4
4
4
- устанавливают верхний концентрационный предел содержания СН в некондиционной метановоздушной смеси СН, флегматизируемой продуктами сгорания, СН≤25%, а нижний - СН≥18%, при этом некондиционную метановоздушную смесь СН с содержанием в ней СН ниже установленного нижнего концентрационного предела разбавляют вентиляционной струей до значения содержания СН в смеси не более 2,5%;
- сжигание углеводородных отходов угледобычи осуществляют в энергетической установке, оборудованной котлом-газогенератором, или в энергетической установке и в рекуперативном газогенераторе, а получение синтез-газа - в рекуперативном газогенераторе;
- сжигание углеводородных отходов угледобычи в энергетической установке, оборудованной котлом-газогенератором, осуществляют в две стадии, на первой из которых проводят воздушную конверсию с получением синтез-газа и конденсированного остатка при коэффициенте расхода дутья α=0,5, а на второй стадии сжигают синтез-газ и дожигают не прореагировавшие на первой стадии твердые остатки углеводородных отходов угледобычи при коэффициенте расхода дутья α=1,05-1,1;
- сжигание углеводородных отходов угледобычи в рекуперативном газогенераторе осуществляют в режиме газогенерации при коэффициенте расхода дутья α=0,5 и температуре Т=1200 К;
- в качестве теплового аппарата используют воздухонагреватель. Технический результат достигается также тем, что в одном из вариантов устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метано-оздушной смеси и связанную с линией подвода дутья, блок подготовки метановоздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метановоздушной смеси, расположенный в линии подвода дутья, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией с газоанализатором и узлом обработки некондиционной метановоздушной смеси, и систему автоматического управления, причем узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого и второго смесителей, один вход каждого из которых соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у первого смесителя - с линией подвода инертного разбавителя, а у второго смесителя - с линией подвода вентиляционной струи, выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси, выход второго смесителя - с линией подвода дутья, при этом энергетическая установка оборудована котлом-газогенератором и выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи.
В частных случаях реализации устройства линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора продуктов сгорания энергетической установки.
Целесообразно, чтобы на выходах первого и второго смесителей были установлены газоанализаторы, причем на выходе первого смесителя установлен газоанализатор на кислород, а на выходе второго смесителя - газоанализатор на метан.
4
4
4
4
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН) в смеси в пределах 18%≤СН≤25% - в первый смеситель узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (СН) в смеси в пределах 2,5%<СН<18% - во второй его смеситель.
В другом варианте выполнения устройства для осуществления способа технический результат достигается тем, что оно включает вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси и связанную с линией подвода дутья, блок подготовки метановоздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метановоздушной смеси, расположенный в линии подвода дутья, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией с газоанализатором и узлом обработки некондиционной метановоздушной смеси, рекуперативный газогенератор, связанный с линией подвода дутья, и через блок подготовки синтез-газа - с энергетической установкой и тепловым аппаратом, и систему автоматического управления, причем узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого и второго смесителей, один вход каждого из которых соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у первого смесителя - с линией подвода инертного разбавителя, а у второго смесителя - с линией подвода вентиляционной струи, выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси, выход второго смесителя - с линией подвода дутья, при этом энергетическая установка выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи.
В частных случаях реализации устройства линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора продуктов сгорания энергетической установки.
Целесообразно, чтобы на выходах первого и второго смесителей были установлены газоанализаторы, причем на выходе первого смесителя установлен газоанализатор на кислород, а на выходе второго смесителя - газоанализатор на метан.
4
4
4
4
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН) в смеси в пределах 18%≤СН≤25% - в первый смеситель узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (СН) в смеси в пределах 2,5%<СН<18% - во второй его смеситель.
На фиг.1 показаны пределы воспламенения (ВКП, НКП - верхний и нижний, соответственно, концентрационные пределы) воспламенения метана в воздухе, разбавленного продуктами сгорания; Фиг.2 - температура горения каменного угля с переменным содержанием метана в дутье; Фиг.3 - температура горения угля в дутье с переменным содержанием метана при коэффициенте расхода окислителя α=1,05÷1,1; Фиг.4 - первый вариант выполнения устройства для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи; Фиг.5 - зависимость теплоты сгорания синтез-газа от коэффициента расхода окислителя α; Фиг 6 - второй вариант выполнения устройства для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи; фиг.7 - камера горения котла-газогенератора.
Способ включает: стадию флегматизации некондиционного шахтного метана при начальном содержании метана от 18% до 25% продуктами сгорания или отработанной вентиляционной струей при начальном содержании метана менее 18%; стадию транспортировки флегматизированной смеси до энергетической установки; стадию разбавления воздухом (превращение флегматизированной продуктами сгорания смеси в горючую) и использование ее также в качестве газового топлива в процессе сжигания с помощью специальных горелочных устройств, обеспечивающих получение требуемых характеристик: тепловой мощности, длины факела, нормативного содержания токсичных компонентов в продуктах сгорания. В качестве дутья используется отработанная шахтная вентиляционная струя с переменным содержанием метана.
2
2
2
На Фиг.1 иллюстрируется флегматизация (кривая СН4ф) метановоздушной смеси продуктами сгорания состава 18,94% HO+71,59% N+9,47% CO и разбавление ее вентиляционной струей (кривая СН4в). Концентрация метана в исходной МВС варьировалась от 7 до 25%.
При флегматизации метановоздушной смеси концентрация метана на верхней кривой (СН4ф) более чем в 1,7-2 раза превышает соответствующие значения верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКП) для каждого значения по оси абсцисс - содержание разбавителя в смеси с воздухом. Данный результат согласуется с требованием о 2-кратном превышении содержания метана в разбавленной газовоздушной смеси по отношению к верхнему концентрационному пределу воспламенения для исключения воспламенения горючей смеси (СНиП 2.04.08-87. Газоснабжение. Москва, 1991).
Флегматизированная МВС безопасно транспортируется от источника до энергетической установки. В энергетической установке осуществляется процесс разбавления данной смеси вентиляционной струей, которая (кривая СН4в) при начальном содержании метана в МВС в пределах от 18% до 25% располагается внутри «полуострова воспламенения», что гарантирует воспламенение и сгорание смесей указанного состава. Количество флегматизатора, добавляемого в исходную метановоздушную смесь (МВС) при различных значениях начальной концентрации метана, и количество дополнительного воздуха для разбавления определяется в таблице 1.
4
4
Технология сжигания углеводородных отходов угледобычи (обычно это забалластированный уголь или как его еще называют «промпродукт») в энергетических установках предполагает использование в качестве дутья метановоздушной смеси с содержанием СН≤2,5%, получающейся в результате разбавления некондиционного шахтного метана с содержанием метана менее 18%, отработанной шахтной вентиляционной струей с содержанием CH в пределах 0÷0,75%.
Эксперименты по сжиганию твердого углеводородного топлива в дутье с переменной концентрацией метана выявили режимы вибрационного горения. Получено изменение температуры (фиг.2), теплонапряженности топочного пространства и выходной мощности установки при вариации концентрации метана в дутье.
Причиной нестабильности процесса горения является различие температур горения и удельного тепловыделения метана и забалластированного угля, отражающееся на изменении среднемассовой температуры в топке на 150-200 градусов цельсия и сопровождающиеся изменениями теплонапряженности в топке более чем в 2 раза при изменении концентрации метана в дутье от 0,2% до 2,5% (фиг.2). Вариации температуры горения, совпадающие с частотой пульсаций концентрации метана в дутье, составляющие 3-5 Гц, приводят к явлениям вибрационного горения, регулярным изменениям выходной мощности энергетической установки и проблемам при ее эксплуатации.
Экспериментально получен способ сжигания угля в дутье с переменным содержанием метана, заключающийся в том, что при изменении концентрации метана в дутье автоматика энергетической установки обеспечивает подачу воздуха в количестве, обеспечивающем сжигание горючей массы (уголь + метан дутья) при постоянном коэффициенте расхода окислителя α=1,05÷1,1.
Способ сжигания угля в дутье с переменным содержанием метана иллюстрируется фиг.3, где представлены экспериментальные результаты горения угля в дутье с переменным содержанием метана при α=1,05÷1,1 для каждого значения концентрации метана в дутье.
Сопоставление 2-х режимов работы угольной котельной (фиг.2 и фиг.3) демонстрирует существенное снижение перепада температур при максимальном и минимальном содержании метана в дутье во 2-м случае (фиг.3). Теплонапряженность во 2-м случае при изменении концентрации метана в дутье от 0,2% до 2,5% меняется на 15%.
Углеводородные отходы угледобычи могут быть востребованы для получения синтез-газа, являющегося резервным топливом для установок, работающих на шахтном метане (имеющим штатный источник газового топлива), и/или основным видом топлива для установок, работающих на синтез-газе.
4
4
В одном из вариантов (фиг.4) устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает связанную входом с подземной системой 1 сбора шахтного метана вакуум-насосную станцию 2. Электороприводная задвижка (заслонка) 3, электромагнитный клапан 4, ручная задвижка 5, сбросная свеча 6 образуют отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана. Вакуум-насосная станция 2 имеет газоанализатор 7. В линии подвода шахтного метана расположен блок 8 подготовки метановоздушной смеси. К блоку 8 подходит линия для пропуска кондиционного шахтного метана (СН>25%) и параллельно ей - линия для пропуска некондиционного шахтного метана (18%≤СН≤25%). Узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого смесителя 9, на выходе которого установлен газоанализатор 10 на кислород, и второго смесителя 11. Один вход каждого из смесителей 9, 11 соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у смесителя 9 - с линией подвода инертного разбавителя, а у смесителя 11 - с линией подвода вентиляционной струи. Выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси 8, выход второго смесителя - с линией подвода дутья. Отвод расположен в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией 2 и узлом 9 обработки некондиционной метановоздушной смеси.
В линиях подвода вентиляционной струи и инертного разбавителя установлены вентиляторы 12, 13, соответственно. В энергетической установке 14 используют синтез-газ (СГ), полученный в рекуперативном газогенераторе 15, связанном с линией подвода дутья. Вакуум-насосная станция 2 сообщена выходом с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку 14. Рекуперативный газогенератор 15 связан через блок 16 подготовки синтез-газа - с энергетической установкой 14, оснащенной горелками 17, 18 для сжигания синтез-газа, кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси, включая флегматизированную переменного состава, соответственно. Рекуперативный газогенератор 15 оснащен рекуператором 19, в который может поступать синтез-газ. В линии подвода дутья расположен блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси. Входящие в систему автоматического управления регулирующие заслонки 21, 22 установлены в линиях подвода инертного разбавителя и вентиляционной струи, соответственно, шибер 23 - в линии отвода продуктов сгорания (дымовой трубе 25), 3-ходовые краны 24 - в линиях подвода дутья, вентиляционной струи. Рекуперативный газогенератор 15 может быть связан через отдельный блок 26 подготовки синтез-газа - с тепловым аппаратом 27, либо так же, как и энергетическая установка 14, через блок 16 подготовки синтез-газа с использованием ответвляющейся линии и запорно-регулирующей арматуры (не показано). Энергетическая установка 14 выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи. В конкретном случае линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора 13 продуктов сгорания (ПГ) энергетической установки 14.
4
4
4
4
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН) в смеси в пределах 18%≤СН≤25% - в первый смеситель 9 узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (СН) в смеси в пределах 2,5%<СН<18% - во второй его смеситель 11. В установке предусмотрены технологические линии, оборудованные ручными задвижками 5, и связывающие линию подачи вентиляционной струи с линией подачи дутья, минуя смеситель 11 и блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси.
Способ осуществляется с помощью устройства, выполненного по одному из вариантов (фиг.4), следующим образом. При коэффициенте расхода окислителя α=0,5 воздушная конверсия углеводородных отходов угледобычи (например, забалластированного угля) без внешнего подвода тепла обеспечивает достижение температуры Т=980°К. Рост температуры конверсии в пределах 980°К<Т≤1200°К Т, обеспечиваемый рекуператором 19 газогенератора 15, где сгорает часть синтез-газа, образованного в газогенераторе 15, приводит к изменению состава синтез-газа и увеличению его калорийности. Дальнейший рост температуры конверсии практически не повышает калорийность синтез-газа.
2
2
2
2
2
Состав синтез-газа при α=0,5 и температуре конверсии Т=1200°К, следующий: Н=8,0%; СО=24,3%; N=61,74%; CO=4,05%; HO=1,84%; HS=0,056%.
4
4
4
4
p
Из подземной системы 1 сбора шахтного метана последний поступает в вакуум-насосную станцию 2. Газоанализатором 7 контролируется концентрация метана в откачиваемой метановоздушной смеси (МВС). Сбросная свеча 6, электроприводная задвижка 3, электромагнитный клапан 4 и ручная задвижка 5 обеспечивают, когда это необходимо, удаление некондиционного шахтного метана в атмосферу. Блок 8 подготовки кондиционной (СН>25%) или флегматизированной (18%≤СН≤25%) МВС осуществляет подготовку МВС перед подачей ее в энергетическую установку 14. Смесителем 9 флегматизируется МВС продуктами сгорания при содержании метана в смеси в пределах 18%≤СН≤25%. Вентилятор 13 обеспечивает необходимую подачу флегматизатора МВС. Газоанализатор 10 определяет содержание кислорода в смеси. Смеситель 11 служит для разбавления взрывоопасной МВС отработанной вентиляционной струей при содержании метана в пределах 2,5%<СН<18% до нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ). Вентилятор 12 подает вентиляционную струю на разбавление. Энергетическая установка 14 - угольный котел шахтной котельной переоборудован для работы на углеводородных отходах угледобычи (например, на забалластированном угле) и синтез-газе. В данном случае в качестве энергетической установки принят угольный котел, поскольку является в настоящее время наиболее распространенным на действующих шахтах, в котором осуществляется слоевое сжигание твердого топлива. При коммерческом использовании шахтного метана точка росы газа в зимнее время должна быть равна t=(-10)÷(-20)°С.
Рекуперативный газогенератор 15, где вырабатывается синтез-газ, также приспособлен для работы на углеводородных отходах угледобычи (в частности, на забалластированном угле). В устройстве могут быть задействованы оба блока 16, 26 подготовки синтез-газа, либо один из них. Для теплового аппарата 27 подготовленный синтез-газ является резервным газовым топливом.
Метановоздушная смесь, поступающая из подземных горных выработок, анализируется газоанализатором 7 на содержание в ней метана.
4
В случае кондиционного состава (СН>25%) смесь подается в энергетическую установку 14, предварительно пройдя стадию осушки от капельной влаги и паровой влаги, очистки от минеральной и угольной пыли в блоке подготовки газа 8.
4
4
4
В случае некондиционного состава (СН≤25%) метановоздушная смесь поступает в смеситель 9, если содержание метана укладывается в интервал 18%≤СН≤25%, либо в смеситель 11 при содержании метана в пределах 2,5%<СН<18%. В смесителе 9 осуществляется флегматизация МВС продуктами сгорания от энергетической установки 14. Количество флегматизатора (инертного разбавителя) зависит от начального состава метановоздушной смеси и определяется в табл.1. Флегматизированная смесь из смесителя 9 подается в энергетическую установку 14, где она сжигается. Подачу флегматизатора в смеситель 9 и флегматизированной смеси в энергетическую установку 14 осуществляет вентилятор 13. На выходе из смесителя 9 газоанализатором 10 фиксируется содержание кислорода в смеси.
4
4
При содержании метана в смеси в пределах 2,5%<СН<18% метановоздушная смесь из вакуум-насосной станции 2 подается в смеситель 11, где она разбавляется вентиляционной струей с помощью вентилятора 12 до концентрации СН≤2,5%. Полученная смесь через блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси может поступать в качестве дутья в энергетическую установку 14 и/или в рекуперативный газогенератор 15. В рекуперативном газогенераторе 15 при оптимальных условиях, обеспечиваемых подачей определенной доли синтез-газа в рекуператор 19 газогенератора 15, вырабатывается синтез-газ, поступающий в энергетическую установку 14, пройдя стадию очистки в блоке подготовки синтез-газа 16, и/или в тепловой аппарат 27, пройдя стадию очистки в блоке подготовки синтез-газа 26. В качестве теплового аппарата 27 могут служить воздухонагреватели смесительного или рекуперативного типа.
Система автоматики безопасности, управляющая газовыми транспортными коммуникациями устройства, исключает распространение пламени в газовой смеси и попадание взрывоопасной смеси как в систему дегазации.
В рекуперативном газогенераторе 15 при нагревании углеводородных отходов угледобычи до 700-1200°К последовательно протекают реакции полукоксования, коксования, неполного горения. Состав синтез-газа и его калорийность зависят от вида дутья, качества топлива и условий проведения процесса. Производительность газогенератора 15 зависит от массы загруженного забалластированного угля, теплопотерь в окружающее пространство и времени выхода на стационарный режим, определяемые в табл.2.
3
Экспериментально установлены условия образования синтез-газа максимальной калорийности  кДж/м в процессе воздушной конверсии углеводородных отходов угледобычи, соответствующие α=0,5 и температуре конверсии Т=1200°К (фиг.5).
Причиной падения калорийности синтез-газа при α<0,5 (фиг.5) является наличие в продуктах конверсии сажи, а при α>0,5 калорийность газа падает из-за снижения содержания водорода и окиси углерода - основных энергоносителей синтез-газа.
При α=0,5 воздушная конверсия углеводородных отходов угледобычи без внешнего подвода тепла обеспечивает достижение температуры Т=980°К. Рост температуры конверсии в пределах 980°К<Т≤1200°КТ, обеспечиваемый рекуператором газогенератора, где сгорает часть синтез-газа, образованного в газогенераторе, приводит к изменению состава синтез-газа и увеличению его калорийности. Дальнейший рост температуры конверсии практически не повышает калорийность синтез-газа.
4
4
В соответствии с другим вариантом (фиг.6) устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает связанную входом с подземной системой 1 сбора шахтного метана вакуум-насосную станцию 2. В устройстве отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана характеризуется наличием электороприводной задвижки (заслонки) 3, электромагнитного клапана 4, ручной задвижки 5, сбросной свечи 6. Вакуум-насосная станция 2 имеет газоанализатор 7. В линии подвода шахтного метана расположен блок 8 подготовки метановоздушной смеси. К блоку 8 подходит линия для пропуска кондиционного шахтного метана (СН>25%) и параллельно ей - линия для пропуска некондиционного шахтного метана (18%≤СН≤25%). Узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого смесителя 9, на выходе которого установлен газоанализатор 10 на кислород, и второго смесителя 11. Один вход каждого из смесителей 9, 11 соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у смесителя 9 - с линией подвода инертного разбавителя, а у смесителя 11 - с линией подвода вентиляционной струи. Выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси 8, выход второго смесителя - с линией подвода дутья. В линиях подвода вентиляционной струи и инертного разбавителя установлены вентиляторы 12, 13, соответственно.
Отвод расположен в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией 2 и узлом 9 обработки некондиционной метановоздушной смеси.
Вакуум-насосная станция 2 сообщена своим выходом с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку 14, которая оснащена горелками 17, 18 для сжигания синтез-газа, кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси, включая флегматизированную переменного состава, соответственно. Энергетическая установка 14 оборудована котлом-газогенератором, в I-й части которого имеется наклонная решетка 19. В линии подвода дутья расположен блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси. Входящие в систему автоматического управления регулирующие заслонки 21, 22 установлены в линиях подвода инертного разбавителя и вентиляционной струи, соответственно, дымосос 25 - в линии отвода продуктов сгорания (дымовой трубе), 3-ходовой кран 24 - в линии подвода дутья. Энергетическая установка 14 выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа, причем полученный синтез-газ используют также при сжигании углеводородных отходов угледобычи в ней. В конкретном случае линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора 13 продуктов сгорания энергетической установки 14.
4
4
4
4
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН) в смеси в пределах 18%≤СН≤25% - в первый смеситель 9 узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (CH) в смеси в пределах 2,5%<СН<18% - во второй его смеситель 11.
4
4
4
Камера горения котла-газогенератора (фиг.7) является, по сути, струйной эжекторной установкой, содержащей сопловой аппарат 28, камеру смешения 29, жаровую трубу 30 и диффузор 31. Сопловой аппарат 28 имеет два канала, расположенные под прямым углом друг относительно друга для подачи активной эжектирующей метановоздушная струи (СН≤2,5%). Имеется также подвод пассивной эжектируемой струи синтез-газа, подвод МВС (CH>25% и 18%≤СН≤25%) не показан. Диффузор 31 камеры горения соединяется с выходным коллектором - дымовой трубой, внутри которой располагается дымосос 25, обеспечивающий необходимое разрежение в котле-газогенераторе энергетической установки 14 и тягу в дымовой трубе.
Способ реализуется с помощью описанного во втором варианте выполнения устройства (фиг.6), которое работает следующим образом.
4
4
4
4
Из подземных горных выработок с помощью подземной системы 1 сбора шахтного метана отбирается метановоздушная смесь и поступает на дневную поверхность в вакуум-насосную станцию 2, аналогично, как и в первом варианте, производится ее анализ на содержание метана и подача в энергетическую установку 14 в случае кондиционного состава (СН>25%), при содержании метана в пределах 18%≤СН≤25% некондиционная МВС флегматизируется продуктами сгорания от энергетической установки 14. Кондиционная (СН>25%) и некондиционная (18%≤СН≤25%) МВС используется в качестве газового топлива.
4
4
При содержании метана в пределах 2,5%<СН<18% метановоздушная смесь разбавляется отработанной вентиляционной струей до концентрации СН≤2,5% и используется в качестве дутья в энергетической установке 14.
В котле-газогенераторе (в I-ой части котла-газогенератора энергетической установки 14) при α=0,5 осуществляется воздушная конверсия углеводородных отходов угледобычи с получением синтез-газа и конденсированного остатка (шлака).
Шлак ссыпается через наклонную решетку 19 на транспортер (не показан) и удаляется из энергетической установки 14.
4
Поток синтез-газа поступает в камеру горения (во II-ю часть котла-газогенератора), где синтез-газ сгорает в метановоздушном дутье (CH≤2,5%) при α=1,05÷1,1.
Камера горения находится под разрежением, обеспечиваемым дымососом 25 для исключения попадания в атмосферу токсичных компонентов синтез-газа.
Камера горения котла-газогенератора (фиг.7), представляя собой струйную эжекторную установку с активной закрученной эжектирующей метановоздушной струей и пассивной струей синтез-газа, обеспечивает необходимую степень предварительного перемешивания горючей смеси, что позволяет регулировать длину факела и тепловую мощность энергетической установки 14.
Система автоматики безопасности, управляющая газовыми транспортными коммуникациями при реализации способа, исключает попадание взрывоопасной смеси в систему дегазации.
Поток продуктов сгорания после энергетической установки 14 может быть направлен в теплообменник (не показан), откуда в паротурбинный агрегат (не показан) и далее в теплообменник и на газоочистные сооружения (не показаны), либо удаляется в атмосферу.
Указанный способ конверсии углеводородных отходов угледобычи непосредственно в энергоустановке обеспечивает минимальные теплопотери, т.к. отсутствуют теплотрассы и промежуточный теплоноситель.
Примеры осуществления способа.
Пример 1. Метановоздушная смесь (фиг.4) из вакуум-насосной станции 2 направляют в газоанализатор 7 для измерения концентрации метана и регулирования расхода флегматизатора. В результате измерений смесь содержит по объему 24% метана и 76% воздуха. Смесь взрывоопасна, транспортировка до энергетической установки запрещена, не обеспечен необходимый (1,7 раза) запас по концентрации метана относительно верхнего концентрационного предела воспламенения (табл.1) 24%/ВКП=24%/15%=1,6<1,7.
На первой стадии поступающую от вакуум-насосной станции 2 смесь с целью снижения пределов ее взрываемости превращают во взрывобезопасную с помощью флегматизатора - продуктов сгорания, подаваемых из дымохода энергетической установки 14.
фл
фл
фл
4
Величина флегматизатора V, добавляемая к МВС, определяется концентрацией метана во флегматизированной смеси  (табл.1), и рассчитывается из соотношения: 22,7/100=24/(100+V). В данном случае необходимо добавить V=5,73% влажных продуктов сгорания от 100% объема МВС. Флегматизация снижает верхний концентрационный предел воспламенения данной смеси (табл.1) до величины ВКП=12,8% CH, обеспечивая необходимый запас по концентрации, т.к. /ВКП=22,7/12,8=1,77>1,7.
д.в.
д.в.
Полученная взрывобезопасная смесь направляется в энергетическую установку 14, предварительно пройдя очистку в блоке 8 подготовки метановоздушной смеси. В энергетической установке 14 в смесь добавляется воздух, дополнительное количество которого определяется концентрацией метана в сжигаемой смеси  (табл.1) и рассчитывается из соотношения: 10,68/100=22,7/(100+V). В результате получаем V=112,55% от 100% флегматизированной МВС. Разбавление смеси воздухом уменьшает долю флегматизатора, повышает энтальпию смеси, обеспечивает ее воспламенение и сгорание.
4
4
Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения данной флегматизированной смеси соответственно равны (табл.1) ВКП=12,8% СН, НКП=5,4% СН. Концентрация метана в разбавленной смеси  (табл.1), которая располагается между указанными пределами воспламенения и гарантирует ее воспламеняемость.
Пример 2. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 18% метана и 82% воздуха.
Транспортировка до энергетической установки запрещена, не обеспечен кратный запас по концентрации метана (.
Осуществляют процедуру флегматизации смеси продуктами сгорания, подаваемыми из дымохода энергетической установки 14.
фл
4
Концентрация метана во флегматизированной смеси  (табл.1) и соответствующее количество флегматизатора равно V=5,3% (продуктов сгорания) от 100% объема МВС. Верхний концентрационный предел воспламенения данной флегматизированной смеси (табл.1) ВКП=9,9% CH.
Отношение концентрации метана во флегматизированной МВС к его верхнему концентрационному пределу воспламенения равно , смесь может безопасно транспортироваться.
Полученная взрывобезопасная смесь направляется в энергетическую установку 14, предварительно пройдя очистку в блоке 8 подготовки метановоздушной смеси. В энергетической установке 14 осуществляется разбавление смеси воздухом.
д.в.
Концентрация метана в разбавленной смеси (табл.1)  и соответствующее количество дополнительного воздуха V=163,1% от 100% флегматизированной МВС.
4
4
Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения данной флегматизированной смеси соответственно равны (табл.1) ВКП=9,9% СН, НКП=5,4% СН. Между указанными величинами располагается концентрация метана в разбавленной смеси , гарантируя ее воспламеняемость.
Пример 3. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 20% метана и 80% воздуха. Транспортировка до энергетической установки запрещена, т.к. не обеспечен кратный запас по концентрации метана относительно верхнего концентрационного предела воспламенения (табл.1) .
Осуществляют процедуру флегматизации смеси продуктами сгорания, подаваемыми из дымохода энергетической установки 14.
фл
Концентрация метана во флегматизированной смеси  (табл.1) и соответствующее количество флегматизатора равно V=6,95% влажных продуктов сгорания от 100% объема МВС.
4
Верхний концентрационный предел воспламенения данной флегматизированной смеси (табл.1) ВКП=10,8% СН, создавая необходимый концентрационный запас , смесь не воспламеняется.
Полученная взрывобезопасная смесь направляется в энергетическую установку 14, предварительно пройдя очистку в блоке 8 подготовки метановоздушной смеси. В энергетической установке 14 осуществляется дефлегматизация смеси.
д.в.
Концентрация метана в разбавленной смеси (табл.1)  и соответствующее количество дополнительного воздуха V=135,5% от 100% флегматизированной МВС.
4
4
Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения данной флегматизированной смеси соответственно равны (табл.1) ВКП=10,8% СН, НКП=5,4% СН. Концентрация метана в разбавленной смеси  (табл.1), которая располагается между указанными пределами воспламенения и гарантирует ее воспламеняемость.
4
4
4
Пример 4. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 10% метана и 90% воздуха. Смесь взрывоопасна, транспортировке не подлежит. Флегматизация продуктами сгорания и разбавление воздухом не правомочна. По действующим нормативам смесь с содержанием 10% СН должна быть удалена в атмосферу через отвод (сбросную свечу 6). Данная смесь направляется в смеситель 11, для чего должны быть закрыты задвижка 5, электроприводная задвижка 3 и электромагнитный клапан 4, а также электромагнитные клапаны в линии для пропуска кондиционного шахтного метана (СН>25%) и параллельно ей расположенной линии для пропуска некондиционного шахтного метана (18%≤СН≤25%).
Узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого смесителя 9, на выходе которого установлен газоанализатор 10 на кислород, и второго смесителя 11.
4
д.в.
д.в.
В смесителе 11 смесь разбавляется отработанной шахтной вентиляционной струей (CH≤0,75%) и используется в качестве дутья при сжигании углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа. Необходимое количество вентиляционной струи определяется из соотношения 2,5/100=10/(100+V) и равно V=300% от объема исходной МВС и направляется в качестве дутья в рекуперативный газогенератор 15 и/или в энергетическую установку 14.
4
4
Пример 5. Подогрев вентиляционного воздуха в холодный период года на шахте осуществляется с помощью воздухонагревателей рекуперативного или смесительного типа, которые могут рассматриваться как тепловой аппарат 27. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 15% метана и 85% воздуха. Смесь данного состава направляется в смеситель 11, где она разбавляется отработанной шахтной вентиляционной струей (СН≤0,75%) в количестве 500% от первоначального состава до концентрации метана в смеси (СН≤2,5%) и используется в воздухонагревателях в качестве дутья.
Пример 6. Воздухонагреватели как рекуперативного, так и смесительного типа (энергетическая установка-тепловой аппарат) имеют в качестве топлива независимый источник газового топлива, либо аналогичный, как у описанной энергетической установки - кондиционный и некондиционный шахтный метан. Для обеспечения безостановочной работы теплового аппарата (воздухонагревателя) в качестве резервного газового топлива для него служит синтез-газ, поступающий из газогенератора 15.
При отсутствии синтез-газа нагрев вентиляционного воздуха в воздухонагревателе осуществляется с использованием штатного источника газового топлива.
Примеры расчета количества флегматизатора и дополнительного воздуха.
4
1. СН=24%
Флегматизация
В соответствии с данными табл.1
Тогда
Фл.=0,215*Возд.
=0,357*Возд.
Сумма концентраций приведена к 100% +Фл+Возд=100%.
Результаты решения системы уравнений
=22,7%, Возд=63,65%, Фл=13,65%.
Отношение концентрации метана во флегматизированной смеси к верхнему концентрационному пределу воспламенения при заданной доле флегматизатора в смеси с воздухом  равно . Смесь не воспламеняется и может безопасно транспортироваться.
Количество добавленного флегматизатора равно Фл.=13,65%.
Дефлегматизация
Согласно данным табл.1
Тогда
Фл=0,2145*Возд
=0,1452*Возд
+Фл+Возд=100%.
В результате получаем
=10,68%, Возд=73,55%, Фл=15,77%.
Концентрация метана в дефлегматизированной смеси =10,68% укладывается в концентрационные пределы воспламенения (5,4%<=10,68%<12,8%), что гарантирует ее воспламеняемость и сгорание.
Количество воздуха и флегматизатора, добавленных во флегматизированную смесь равны
ΔВозд=73,55-63,65=9,9%.
ΔФл=15,77-13,65=2,12%
4
2. СН=18,5%
Флегматизация
По данным табл.1
Тогда
Фл=0,486*Возд
=0,302*Возд
+Фл+Возд=100%
Результаты решения:
=16,9%, Возд=55,92%, Фл=27,18%.
Отношение концентрации метана во флегматизированной смеси к верхнему концентрационному пределу воспламенения при заданной доле флегматизатора в смеси с воздухом  равно . Смесь не воспламеняется и может безопасно транспортироваться до энергетической установки.
Количество добавленного флегматизатора равно Фл=27,18%.
Дефлегматизаиия
Согласно данным табл.1
Тогда
Фл=0,486*Возд
=0,105*Возд
+Фл+Возд=100%.
В результате получаем =6,6%, Возд=62,85%, Фл=30,55%.
Концентрация метана в дефлегматизированной смеси =6,6% укладывается в концентрационные пределы воспламенения (5,4<=6.6%<10%), следовательно, смесь способна к воспламенению и горению.
Количество воздуха и флегматизатора, добавленных во флегматизированную смесь, равны
ΔВозд=62,85-55,92=6,93%.
ΔФл=30,55-27,18=3,37%.
Приведенными примерами не исчерпываются все возможные варианты реализации способа использования шахтного метана, метана вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи.
4
4
Технико-экономический смысл предложения заключается в возможности рационального использования некондиционного шахтного метана (2,5%<CH≤25%) за счет его флегматизации продуктами сгорания при начальной концентрации метана от 18% до 25%, а при концентрации метана от 18% до 2,5% - вентиляционной струей (СН≤0,75%), что гарантирует безопасный транспорт взрывоопасных метановоздушных смесей по трубопроводам до энергетических установок различного типа, где осуществляется их использование. Углеводородные отходы угледобычи, ограниченно востребованные в настоящее время, могут служить топливом в энергетических установках и/или органическим топливом для получения синтез-газа. Синтез-газ обеспечивает резервное газоснабжение энергетических установок, работающих на шахтном метане. Получение синтез-газа осуществляется как в рекуперативных газогенераторах, так и в специальных котлах-газогенераторах при 2-стадийном сжигании углеводородных отходов угледобычи. Существенный экономический эффект на горнодобывающих предприятиях достигается при замене тепловых аппаратов (традиционной калориферной системы нагрева вентиляционного воздуха в зимнее время) на воздухонагреватели смесительного или рекуперативного типа.