Подготовка шахтного метана к полезному использованию

© В.А. Малашкина, П.В. Баловцев, 2009

УДК 622.831

В.А. Малашкина, П.В. Баловцев

ПОДГОТОВКА ШАХТНОГО МЕТАНА К ПОЛЕЗНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ

Рассмотрен вопрос повышения эффективности использования дегазационных установок угольных шахт путем увеличения количества полезно используемого шахтного метана. Любой способ утилизации метана требует организации системы подготовки метановоздушной смеси, а также создания системы контроля и управления процессом. В зависимости от направления использования определяется перечень требований к шахтному метану и его параметрам. Проблему подготовки смесей решают газоподготовительные станции ГПС-1, ГПС-2 и ГПС-3 — непрерывно действующие автоматические системы, не требующие постоянного обслуживающего персонала. Необходимые параметры устанавливаются с помощью ручного задатчика и автоматически поддерживаются системой регулирования.

Ключевые слова: шахтный метан, метановоздушная смесь, природный газ, га-зотепловозы.

Метан представляет собой не только основную опасность в газовых шахтах и глобальную экологическую вредность (метан - один из ряда газов, создающих парниковый эффект), но в то же время является высококачественным источником топлива и химического сырья.

По ориентировочным подсчетам ежегодно в угольных шахтах мира при добыче угля выделяется 25-28 млрд. м3 метана [1]. Главная особенность метана, содержащегося в угольных пластах - его чистота (отсутствие агрессивных примесей), что отличает его от газа нефтяных, газоконденсатных и газовых месторождений.

Объем запасов угольного метана и его сходство с природным газом по энергетическим показателям (теплота сгорания угольного метана и природного газа практически одинакова) определяют его потенциальную привлекательность как самостоятельного полезного ископаемого.

Утилизация шахтного метана позволит снизить себестоимость добычи угля на шахтах в зависимости от конкретных условий на 34%. Кроме того, это положительно скажется и на других показате-

лях хозяйственной деятельности угледобывающих предприятий. Во-первых, увеличится масса прибыли на единицу продукции, поскольку возрастает разница между существующей ценой и себестоимостью добычи угля или, что одно и то же - снизятся убытки и, во-вторых, сократится расход первичного топлива (угля) на внутренние нужды, в результате чего соответственно возрастут угольные товарные ресурсы и стоимость их реализации.

Наиболее доступные способы утилизации шахтного метана: сжигание метановоздушных смесей в котельных шахт; обеспечение высококонцентрированными по метану газовыми смесями предприятий и населения; выработка электроенергии и тепла; продажа метана в баллонах для автотранспорта шахт и прилегающих предприятий, частных домов и дач; поставка концернам и компаниям, наращивающим выпуск продукции с обильными объемами вредных выбросов в атмосферу. К числу наиболее экономичных технологий утилизации шахтного метана относятся, прежде всего, выработка электроэнергии и тепла, продажа метана автохозяйствам и владельцам частных автомашин как наиболее дешевого вида топлива по сравнению с бензином, подача высококонцентрированных метановоздушных смесей предприятиям и населению взамен природного газа [4].

Метан, получаемый из угленосной толщи практически не содержит серы, что позволяет использовать его в газотурбинных установках и двигателях внутреннего сгорания. Самые высококачественные краски черной гаммы изготавливают, используя сажу, полученную из метана угольных месторождений. Для получения 1 т сажи требуется 80000 м3 метана [3]. Вследствие своей чистоты метан может использоваться в качестве исходного продукта для получения хлористого метилена и его производных: хлороформа, четыреххлористого углерода, а также аммиака, ацетилена, метанола, азотной кислоты и т.д. Также метан можно использовать для получения высококачественного белка [3].

В России имеется более 180 газозаправочных станций для сжатого природного газа и налажен выпуск газобаллонных автомобилей и газобаллонного оборудования. Система газозаправки транспорта компримированным природным газом включает автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. В России накоплен многолетний опыт в области конструирования и эксплуатации автомобилей, работающих на

Направление использования Параметры

Содержание, % Дебит, м3/мин. Влажность, г/м3

Котельные 30 13 -

Метанол 85 10 -

Моторное топливо 95 18 0,009

Белковая масса 4 600 м3 -

Г азовые турбины 1,6 45 кг/с -

сжатом природном газе. Производятся передвижные автомобильные газозаправочные станции, передвижные установки для проверки газобаллонного оборудования автомобилей, стенды для проверки и ремонта их, налажен серийный выпуск металлостеклопластиковых баллонов 13 типов размеров. Возможно, переход на газовое топливо из метановоздушной смеси открыл бы новые пути решения проблем в энергетике России.

С начала 30-х годов в России ведутся научно-исследовательские и конструкторские работы по использованию сжиженного и компримированного газа и на железнодорожном транспорте. Создан ряд полноразмерных образцов газотепловозов, маневровых и магистральных, работающих на сжиженном или компримирован-ном газе. Предпочтительное топливо для газодизелей — газ на основе метана.

Наконец, использование газопоршневых электростанций и теплоэлектростанций для утилизации углеводородных газов низкого давления является одним из перспективных направлений. Промышленность России выпускает широкий спектр таких станций, созданных на базе дизель-электрических агрегатов мощностью до 1500 кВт.

В зависимости от направления использования определяется перечень требований к шахтному метану и его параметрам (таблица) [1].

Более 70 шахт Кузбасса ежегодно выбрасывают в атмосферу более миллиарда кубометров метана, причем только 150-170 млн. м3 используется. Большинство шахт в РФ сверхкатегорийные. Поэтому наиболее перспективна в ближайшее время утилизация метана, уже каптируемого дегазационными системами шахт. Это обеспечит безопасность ведения горных работ и повысит их экономическую эффективность.

Сегодня область получает 1,5 трлн м3 природного газа, в основном для промышленности (около 70 процентов его используют черная и цветная металлургия). То, что он поступает по магистральному газопроводу, дает возможность поставлять метан угольных пластов (после соответствующей подготовки) непосредственно в газопровод.

Перевод котельных на комбинированное сжигание угля и метана позволит снизить загрязнение атмосферы (например, окисью углерода на 3,7 тыс. т).

Добыча угля является энергоемким производством: в 1995 году угледобывающие АО затратили 3500,4 млн. кВт*ч. Использование шахтного метана для получения электрической энергии с применением газопоршневых электростанций и газогенераторов при нынешних тарифах позволяет реально снизить расходы.

В Кузбассе действуют четыре автомобильные газонаполнительные станции на природном газе (в Кемерове и Новокузнецке). Спрос на газомоторное топливо устойчив. Использование шахтного метана на транспорте в компримированном и сжиженном виде на базе существующих систем газозаправки и газобаллонного оборудования вполне реально.

Дефицитность и дороговизна дизельного топлива позволяют рассматривать и перевод карьерных маневровых тепловозов на газ с переоборудованием их в газотепловозы.

Газ угольных пластов более чем на 95% состоит из метана. Это позволяет применять традиционные технологии и существующее газовое оборудование. Каковы наиболее перспективные направления использования шахтного метана? В котельных прежде всего. В Кузбассе работают десять крупных тепловых электростанций, 2000 котельных. Перевод их на газ или одновременное сжигание угля и газа — самый простой способ утилизации. Но он требует организации системы подготовки метановоздушной смеси и создания системы контроля и управления процессом.

Проблему подготовки смесей решают газоподготовительные станции ГПС-1, ГПС-2 и ГПС-3 - непрерывно действующие автоматические системы, не требующие постоянного обслуживающего персонала. Необходимые параметры устанавливаются с помощью ручного задатчика и автоматически поддерживаются системой регулирования.

Рис. 1. Схема ГПС-1: 1 - вакуум-насос; 2 - газопровод; 3 - нагнетательный газопровод; 4 - влагоотделитель; 5 - регулятор давления; 6 - трубопровод; 7 - свеча; 8 - управляемая задвижка; 9 - управляемая задвижка; 10 - трубопровод; 11 - клапан-отсекатель; 12 - блок управления системой защиты; 13 - газоанализатор; 14 - сигнализатор давления; 15 - трубопровод; 16 -клапан-отсекатель; 17 - демпфирующая емкость; 18 - смеситель; 19 - трубопровод подачи природного газа; 20 - клапан-отсекатель; 21 - регулятор давления; 22 - регулируемая задвижка; 23 - газоанализатор; 24 - трубопровод; 25 - регулятор концентрации; 26 - демпфирующая емкость

Рис. 2. Схема ГПС-2: 1 - вакуум-насос; 2 - газопровод; 3 - нагнетательный газопровод; 4 - влагоотделитель; 5 - регулятор давления; 6 - трубопровод; 7 - свеча; 8 - газопровод; 9 - управляемая задвижка; 10 - трубопровод; 11 - клапан-отсекатель; 12 -дутьевой вентилятор; 13 - блок управления системой защиты; 14 - газоанализатор; 15 - сигнализатор давления; 16 - трубопровод; 17 - клапан-отсекатель; 18 - демпфирующая емкость; 19 - регулируемая задвижка; 20 - смеситель; 21 - регулятор концентрации; 22 - газоанализатор; 23 - трубопровод; 24 - демпфирующая емкость; 25 - воздухозаборник; 26 - входной воздухопровод

Рис. 3. Схема ГПС-3: і - вакуум-насос; 2 - всасывающий газопровод; 3 - нагнетательный газопровод; 4 - влагоотделитель; 5 -регулятор давления; 6 - трубопровод; 7 - свеча; 8 - газопровод; 9 - управляемая задвижка; І0 - трубопровод; ІІ - клапан-отсекатель; І2 - потребитель шахтного метана; ІЗ - блок управления системой защиты; І4 - газоанализатор; І5 - сигнализатор давления; І6 - входной трубопровод; І7 - клапан-отсекатель; І8 - демпфирующая емкость; І9 - регулируемая задвижка; 20 -смеситель; 2І - регулятор концентрации газовой смеси; 22 - первичный газоанализатор; 23 - выходной трубопровод; 24 - демпфирующая емкость; 25 - воздухозаборник ; 26 - входной воздухопровод; 27 - фильтр мокрой очистки; 28 - одоратор; 29 - вторичный газоанализатор; 30 - клапан-отсекатель; Зі - регулятор-стабилизатор давления; 32 - регулирующая задвижка; 33 - регулирующая задвижка

Газоподготовительная станция ГПС-1 (рис. 1.) [5] предназначена для подготовки к использованию метановоздушной смеси с низким содержанием метана (менее 30%) путем ее обогащения природным газом.

Газоподготовительная станция ГПС-1 включает в себя три линии: I - линию подачи метановоздушной смеси из шахты в смеситель; II - линию подачи природного газа от постороннего источника в смеситель; III - линию подачи метановоздушной смеси заданных параметров в котельную.

Газоподготовительная станция ГПС-2 (рис. 2.) [6] предназначена для приготовления метановоздушных смесей с содержанием метана не более 2,5% с целью использования их в котельной вместо дутьевого воздуха

Станция ГПС-2 включает в себя три линии: I - линию подачи каптируемого газа; II - линию подачи атмосферного воздуха; III -линию смешанного газа.

Газоподготовительная станция ГПС-3 (рис. 3.) [7] предназначена для подготовки к использованию метановоздушных смесей с повышенным содержанием метана (от 50 до 100%) к полезному использованию в качестве моторного топлива, химического сырья, топлива котельных и др.

Станция ГПС-3 включает в себя три линии: I - линию подачи каптируемого газа; II - линию подачи атмосферного воздуха; III -линию смешанного газа.

Был проведен анализ проблемы утилизации метана, рассмотрены варианты систем подготовки метановоздушных смесей, позволяющих использовать метан в ряде направлений. Рассматриваемый вопрос является актуальным и требует дальнейшего развития с целью повышения эффективности использования метана в будущем.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сухоченков А.С. Анализ работ по использованию метана угольных месторождений. Горный информационно-аналитический бюллетень // Тематическое приложение: Метан. - М.: МГГУ, 2006.

2. Забурдяев В.С., Забурдяев Г.С. Зарубежный опыт извлечения и использования шахтного метана. Горный информационно-аналитический бюллетень // Тематическое приложение: Метан. - М.: МГГУ, 2005.

3. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: МГГУ, 2002.

4. Рyбaн А.Д., Зaбypдяeв B.C., Зaбypдяeв Г.С., Mamвиeнко Н.Г. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование. - М.: ИПКОН РAН,

5. А.С. 767363 (СССР). Дегазационная установка /Лаврик В.Г., Гаязов Н.И., Мирончак О.П. и др. - Опубл. в Б.И., 1980.

6. А.С. 1209898 (СССР). Дегазационная установка /Лаврик В.Г., Мирончак О.П., Гаязов Н.И. - Опубл. в Б.И. , 1986.

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.

8. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. 2-е издание. -М.: Изд-во МГГУ, 2007. \£Ш

Malashkina V.A., Balovtsev P. V.

PREPARATION OF MINE METHANE FOR EFFECTIVE USAGE It is considered the question of coal mines degassing installations use efficiency increase by quantity increase of useful used mine methane.

Key words: mine methane, aeromethane mix, natural gas, gas diesel locomotive.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------

Maлaшкинa B.A. - доктор технических наук, профессор кафедры AOТ, Бтовщв n.B. - студент,

Московский государственнфй горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

200б.