Могилева Е.М.

ОАО «СУЭК-Кузбасс»,

Егорова Е.А., Коликов К.С.

НИТУ «МИСиС», Россия

Анализ методов утилизации некондиционных метановоздушных  смесей

При подземной разработке газоносных угольных пластов на каждую тонну добычи выделяется около 20 кубометров метана, являющегося вторым по значению парниковым газом. Накапливаясь в атмосфере метан CH4, как и СО2, N2O и водяной пар создают парниковый эффект. В соответствии с указом Президента Российской Федерации от 30 сентября 2013 г. № 752 "О сокращении выбросов парниковых газов" предусматривается к 2020 году обеспечить сокращение выбросов парниковых газов до уровня не более 75 процентов от выбросов в 1990 году.

В настоящее время используется только метан, извлекаемый системами дегазации. Но даже при дегазации доля некондиционного метана в зависимости от способа дегазации достигает 50%, вентиляционный же метан не используется вообще, а по ряду бассейнов его доля достигает 70%.

По всем сценариям развития мирового производства и потребления энергоресурсов до 2025 г. прогнозируется рост добычи угля, причем по ряду сценариев значительно увеличивается и его доля в энергобалансе [1]. В этом случае возрастает как абсолютная эмиссия шахтного метана, так и относительная (на 1 т добычи) из-за увеличения газоносности угля.

Содержание метана в вентиляционных потоках угольных шахт как правило не превышает 0,5-0,6%, однако значительный объем этих потоков позволяет, в настоящее время, считать их основным источником эмиссии метана в атмосферу при подземной отработке угольных месторождений. Ежегодно в мире вентиляционные системы угольных шахт выбрасывают в атмосферу порядка 32 миллиардов м3 метана[2].

Кроме вентиляционных потоков значительные объемы метана выбрасываются в атмосферу некондиционными дегазационными смесями (концентрация метана от 2,5 до 25%). Утилизация шахтного метана осложнена тем, что метановоздушная смесь, удаляемая из шахт, имеет переменный состав и расход.

На сегодняшний день существует несколько способов утилизации метана, содержащегося в вентиляционных потоках угольных шахт [3]:

§        использование метановодушной смеси вентиляционных потоков в качестве дополнительного топлива (воздуха для горения): в двигателях внутреннего сгорания; в турбинах; в промышленных паровых котлах;

§        использование метановодушной смеси вентиляционных потоков в качестве основного топлива: в окислительных установках с реверсируемыми потоками с производством энергии или без него (тепловых или каталитических); в газовых микро турбинах (30 кВт) и турбинах (>0,5 МВт); в комбинированной барабанной печи/газовой турбине.

Окислительные установки с реверсируемыми потоками

На сегодняшний день существуют следующие перспективные технологии утилизации метана вентиляционных потоков угольных шахт в атмосферу [4]:

§        термический реактор с реверсируемыми потоками «VOCSIDIZER», разработанный компанией «MEGTEC Systems» (De Pere, Wisconsin, United States);  

§        термический реактор с реверсируемыми потоками «VAMOX», разработанный компанией «Biothermica Technologies Inc.» (“Biothermica”,  Montreal, Canada); и

§        каталитический реверсивный реактор разработанный компанией «Canadian Mineral and Energy Technologies» (CANMET—Varennes, Quebec, Canada) специально для вентиляционных потоков угольных шахт.

Все упомянутые реакторы используют принцип окисления метана, содержащегося в вентиляционных потоках угольных шахт.

Теоретически реакторы могут поддерживать процесс окисления при постоянной концентрации метана в метановоздушной смеси около 0,1%.

Термический реактор с реверсируемыми потоками «VOCSIDIZER»

Реактор данного типа является беспламенным. Полное окисление метана происходит при температуре около 900°С. Реактор использует принцип регенеративного теплообмена между газом и пластинами теплообменника, которые предварительно нагреваются до температуры около 1000°С.

Первый реактор системы «VOCSIDIZER» был построен в 1994 году на шахте «Thoresby», Nottinghamshire, Англия, и продемонстрировал эффективное снижение эмиссии метана в атмосферу.

В 2001 году, второй реактор был продемонстрирован на шахте Appin Colliery, BHP, Австралия. Данный реактор, работая в течение 12 месяцев, показал эффективное получение теплоэнергии и работоспособность в условиях переменной концентрации метана в подаваемой метановоздушной смеси.

В феврале 2007 года, на заброшенной шахте Windsor Mine, West Liberty, West Virginia, США, был запущен новый демонстрационный проект на базе реактора «VOCSIDIZER». Его целью было показать эффективность разложения метана очень низкой концентрации окислительной установкой на углекислый газ и воду, и определить количество энергии, которое может быть выработано реактором.

В процессе эксперимента были протестированы 6 вариантов комбинаций параметров метановоздушного потока и концентрации метана в нем на параметры реактора: температура пластин теплообменника, окисление метана и падение давления на пластине. По результатам эксперимента, наиболее эффективная работа реактора достигается при концентрации метана в метановоздушной смеси 0,6% и скорости потока 50000 м3/час [5]. Однако концентрация метана в вентиляционных струях, как правило, несколько ниже. По оценке авторов проекта «CONSOL Energy», США, промышленная установка сможет генерировать от 3,3 до 8,2 МВт электроэнергии (или от 11 – 27 МВт теплоэнергии).

В апреле 2007 года на шахте «West Cliff Colliery», Новый Юный Уэльс, Астралия, была запущена промышленная электростанция на базе комбинации реактора «VOCSIDIZER» с паровой турбиной, работающей на перегретом паре. Мощность данной электростанции составляет 6 МВт при потреблении 250000 м3 метановоздушной смеси в час и концентрации метана в ней 0,9% [2].

Термический реактор с реверсируемыми потоками «VAMOX»

В 2008 году компания «Biothermica» начала строительство опытной установки «VAMOX» в Алабаме, США. Целью этого проекта было показать эффективность установки для снижения эмиссии метана вентиляционных потоков в атмосферу и получить технические, эксплуатационные и экономические данные для оптимизации параметров системы.

Данная установка разработана для метановоздушных смесей с концентрацией метана в них от 0,4 до 1,2%. При мощности 50000 м3/ч уменьшение эмиссии метана в атмосферу эквивалентно 40000 тоннам СО2 в год [6].  

Каталитический реверсивный реактор компании «CANMET»

Компанией была построена 500 мм опытная установка для оценки эффективности получения тепловой энергии из метановоздушных смесей с низкой концентрацией метана (до 0,1%). Реактор использует принцип каталитического горения.

Действие катализаторов в процессе полного окисления (или гетерогенного "горения") топливно-воздушных смесей схематически можно представить как химическое взаимодействие компонентов топлива с поверхностным кислородом катализатора с последующей регенерацией восстановленной поверхности катализатора кислородом газовой фазы. В зависимости от активности катализатора, которая определяется энергией связи кислорода с активным компонентом катализатора, процесс полного окисления многих веществ может протекать при температурах 300-700°С. Таким образом, присутствие в реакционной системе катализатора снижает температуру сжигания органического топлива с 1000-1200°С до 300-700°С, сохраняя при этом высокие скорости горения и обеспечивая полное сгорание как бедных, так и стехиометрических топливно-воздушных смесей.

Результаты работы экспериментальной установки показывают, что реактор может работать в автотермическом режиме (без внешней подачи тепла) при концентрации метана 0,1%. Однако получение энергии возможно при больших значениях концентраций метана. При концентрации метана в метановоздушной смеси 0,3 – 1,0%, эффективность получения теплоэнергии составляет 50 – 95%. При обычной концентрации метана в метановоздушных смесях вентиляционных потоков угольных шахт 0,5%, эффективность составит 75% [7]. Следует отметить, что вопрос эффективной утилизации отработанного катализатора не решен, но очень важен.

Таким образом, использование установок термического окисления метана и каталитического сжигания на угольных шахтах позволит снизить эмиссию метана в атмосферу. Однако для эффективной выработки энергии концентрация метана в метановоздушной смеси должна быть достаточно высокой  - порядка 0,7% и выше. При этом температура той части реактора, где осуществляется теплообмен, должна быть около 800°С. Так как на сегодняшний день температурные границы теплообменников первичных промышленных установок ниже упомянутого значения, эффективность трансформации энергии невысока.

Литература

1.   Глобальная энергетика и устойчивое развитие (Белая книга). –М.: Изд. МЦУЭР. 2009. – 374 с.

2.   Thermal oxidation of coal mine ventilation air methane. J. M. Somers, H. L. Schultz. 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium 2008.

3.   Mitigation of Methane Emissions from Coal Mine Ventilation Air. Peter Carothers Workshop “New Trends in Coalmine Methane Recovery and Utilization”, Szczyrk, Poland, 27-29 February, 2008

4.   Ventilation Air Methane oxidation using a VAMOX™ system at an active coal mine in the USA. Nicolas Duplessis, Director of Development, Biothermica Technologies Inc.Montreal, Canada. International Coal Bed and Shale Gas Symposium, 2009

5.   Assessment of the Worldwide Market Potential for Oxidizing Coal Mine Ventilation Air Methane. EPA 430-R-03-002, July 2003. Us Environmental Protection Agency

6.   Ventilation Air Methane oxidation using a VAMOX™ system at an active coal mine in the USA. Nicolas Duplessis, Director of Development, Biothermica Technologies Inc. Montreal, Canada. International Coal Bed and Shale Gas Symposium, 2009.

7.   Catalytic Flow Reversal Reactor Technology: An opportunity for Heat recovery and Greenhouse gas elimination from Mine Ventilation Air. H. Sapoundjiev, F. Aubé. CANMET Energy Diversification Research Laboratory. 1999-51 (TR-J)