USE OF UNCONDITIONED COALMINE METHANE

Удалова Н.П.¹ Коликов К.С.², Ельчанинов Е.А.³

¹ORCID:0000-0002-3996-7695, Старший преподаватель, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Горный институт, г. Москва

²ORCID: 0000-0001-8831-1927, Доктор технических наук, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Горный институт, г. Москва

³ORCID: 0000-0003-4155-3130, Доктор технических наук, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Горный институт, г. Москва

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕКОНДИЦИОННОГО ШАХТНОГО МЕТАНА

Аннотация

Рассмотрены основные направления использования некондиционного шахтного метана для получения тепловой энергии. Предложены основные направления применения низкоконцентрированных метановоздушных смесей с использованием серийно выпускаемого оборудования. Предложен способ совместного сжигания отходов углеобогащения с низкоконцентрированной метановоздушной смесью с использованием котла ДКВР-6,5/13 и газомазутных горелок. Представлены сравнительные данные расчетов выбросов загрязняющих веществ при сжигании угля и при совместном сжигании угля и газа.

Ключевые слова: метан, метановоздушные смеси, низкоконцентрированные, дегазация, установки непосредственного сжигания, отходы углеобогащения, тепловая энергия, совместное сжигание.

Udalova N.P.¹ Kolikov К.S.², Elchaninov Е.А.³

¹ORCID: 0000-0002-3996-7695, Senior lecturer , National research technological University «MISiS», Mining institute, Moscow

²ORCID: 0000-0001-8831-1927, PhD in Engineering, National research technological University «MISiS», Mining institute, Moscow

³ORCID: 0000-0003-4155-3130, PhD in Engineering, National research technological University «MISiS», Mining institute, Moscow

USE OF UNCONDITIONED COALMINE METHANE

Abstract

The paper describes the directions of use of unconditioned coalmine methane to produce heat energy. The main directions of usage of low-concentration methane-air mixtures with the help of commercially available equipment are proposed. Authors proposed the method of co-combustion of waste coal with low-concentration methane methane-air mixture using boiler-DKVR 6.5/13 and the oil-gas burner. The comparative data of emission calculations from coal combustion and co-combustion of coal and gas are presented as well.

Keywords: methane, a methane-air mixture, low concentration, decontamination, installation of direct combustion, waste coal, thermal energy, co-combustion.

Извлечение метана угольных месторождений позволяет решить одновременно несколько задач: использовать метан для выработки электроэнергии, тепла или химических продуктов; уменьшить выбросы метана в атмосферу; снизить объем выделения метана в горные выработки и, тем самым, повысить безопасность и эффективность добычи угля [1, 232].

Указ Президента Российской Федерации №752 от 30.09.2013 г. конкретизирует  Климатическую доктрину РФ (распоряжение Президента Российской Федерации № 861–рп 17.12.09 г.) и требует обеспечить к 2020 году сокращение объема выбросов парниковых газов до уровня ≤ 75 % объема указанных выбросов в 1990 г. При разработке угольных месторождений средствами вентиляции и дегазации в нашей стране удаляется около 2 млрд.м³ метана, являющегося вторым по значимости парниковым газом. При этом утилизируется менее 10% извлекаемого метана. Основная часть метана (около 65%) удаляется средствами вентиляции. Так в 2012 г. дегазацией извлечено около 23,5% метана, на газоотсос приходится чуть более 13%. Следует отметить, что значительный объем этих метановоздушных смесей имеет некондиционную концентрацию метана (менее 25%). Поэтому вопрос его использования представляет значительный практический интерес.

Для использования некондиционного шахтного метана возможно применить технологическую схему по подготовке метановоздушной  смеси (МВС) безопасной концентрации до 2,5% на газоподготовительной станции ГПС [2,34]. Суть безопасного метода заключается в том, что в воздушный поток подается газ дегазации, что обеспечивает снижение концентрации метана до 2,5%. Использование МВС в качестве дутья (подслоевое сжигание) уменьшает расход угля.

При применении низкоконцентрированных МВС (НК МВС) до 2,5% для получения тепловой энергии можно выделить три направления:

1) Использование для дутья при слоевом сжигании угля в топках  паровых и водогрейных котлов;

2) Использование НК МВС в качестве основного вида топлива в установках непосредственного сжигания для получения тепла;

3) Использование совместного сжигания отходов углеобогащения  с НК МВС с целью получения тепла и сырья для строительной индустрии и закладки.

Использование НК МВС в качестве дутья для топок котлов позволяет сжигать уголь с повышенной зольностью (до 60%), улучшить качество сгорания угля, существенно снизить потери от химической и механической  неполноты сгорания, повысить теплопроизводительность котла.

Проведенные исследования показали, что обогащенное метаном дутье с концентрацией 1,5 – 1,9% повышает К.П.Д. котла на 25 – 41%, за счет снижения потери тепла с химическим и механическим недожогом, повышает паропроизводительность котла на 25 – 40% и высвобождает  до 35 – 40% угля [3,151]. Горение в топке котла получается полным при более высокой температуре, а выбросы дымовых газов  в атмосферу становится экологически более чистым.

В установке непосредственного сжигания (УНС) НК МВС могут быть использованы в качестве основного топлива. Суть метода заключается в том, что для того, чтобы НК МВС можно было сжечь, ее необходимо подогреть до определенной температуры.

УНС состоит из двух элементов: теплообменника и камеры горения.

В теплообменнике происходит нагрев МВС приблизительно до 400 ^оС продуктами сгорания. В камере горения, состоящей из двух труб, происходит противоточный догрев МВС до: состояния воспламенения, собственно горения и подачи продуктов сгорания в теплообменник, где отбирается  около 40% химической энергии метана. Остальные 60% энергии с температурой 500-600 ^оС могут быть использованы для любых технологических нужд шахты в непосредственных теплообменных устройствах, либо в серийно выпускаемых котлах – утилизаторах для получения пара или перегретой воды.

УНС компактна по габаритам, не требует больших капитальных затрат, как это имеет место  при  строительстве котельной, может быть передвижной, мобильной. УНС не металлоемка и не энергоемка. Недостатком УНС является то, что сама камера горения  изготавливается из жаропрочной легированной стали.

Получение тепла и сырья для стройиндустрии в установке совместного сжигания отходов углеобогащения и НК МВС (УСЖ). Известно, что отходы углеобогащения (флотационные хвосты, шламы и др.), органическая часть которых составляет до 30%, при воздушном дутье не горят. Суть способа совместного сжигания отходов с НК МВС состоит в том, что в зависимости от количества органической части отходов и температуры плавления золы подается определенная концентрация МВС, заданная автоматически на ГПС. В специально сконструированное топочное устройство сверху подаются отходы, которые сжигаются в низкотемпературном кипящем слое при дутье, обогащенном метаном.

Из всех существующих технических решений совместного сжигания наиболее эффективным является совместное сжигание угля и метана с подачей газа через боковые щелевые форсунки.

Рабочим проектом предусмотрен развод радиационного экрана, в области завершения тракта горения угля, через который в топку вводятся щелевые горелки. Через форсунки подается метановоздушная смесь, которая в сечении исхода горения угля отсекает в дымовой струе недожог угля. Из всех существующих технических решений совместного сжигания наиболее эффективным является последний, т.е. ввод смеси через форсунки.

Предлагается промышленная эксплуатация технологии на котле  ДКВР-6,5/13 с применением газомазутных горелок типа ГМГ-4,5 (рисунок 1.). Технология, как выше отмечалось, не имеет аналогов за рубежом. Новизна ее заключается в том, что серийные горелки монтируются на боковых стенках котлов с предварительной разводкой боковых радиационных экранов.

Рис. 1 – Опытно-промышленная установка

1 – Топка котла ДКВР-6,5/13; 2 – Цепная решетка-ЛЦР; 3 – Горелка-ГМГ-4М; 4 – Взрывной клапан; 5 – газопровод метановоздушной смеси; 6 – воздуховод от дутьевого вентилятора; 7 – трубопровод; 8 – воздуховод для топки ПМЗ-ЛЦР

Технические характеристики:

1. Тип котла (Бийский котельный завод) - ДКВР-6,5/13
2. Тип горелки - ГМГ-4М
3. Номинальная теплопроизводительность, Гкал/ч - 4
4. Расход твердого топлива, т/г -7630
5. Расход топлива в год: угля – 3815 т, метана – 1,6 млн.м³
6. Нормальный режим работы при совместном сжигании угля и метана по теплоте сгорания – 1:1

Таким образом, эффективность от совместного сжигания угля и шахтного метана можно оценить как:

а) экономический эффект от экономии угля, газа и от дополнительной реализации тепла полученного за счет повышения производительности котла;

б) экономический эффект от снижения вредных выбросов в атмосферу – летучей золы, угольной пыли, окислов серы, окиси углерода, окислов азота и метана.

В результате проведенной опытно-промышленной проверки в котельных шахты “Комсомольская” ОАО “Воркутауголь” на котле ДКВР-10/13 и  шахты “Чертинская” ОАО “Беловуголь” на котле ДКВР-6,5/13 (КЕ), установлены следующие параметры улучшения работы котла за счет совместного сжигания метановоздушной смеси подаваемой в топку через форсунки:

а) повышение производительности котла до 40% от номинала;

б) снижение потребления угля на 40%;

в) повышение к.п.д. котла на 19%.

г) снижение выбросов загрязняющих веществ более чем в два раза. В таблице 1 приведены сравнительные данные расчетов выбросов загрязняющих веществ при сжигании угля и при совместном сжигании угля и газа.

Таблица 1 – Количество выбросов загрязняющих веществ при работе котлоагрегата ДКВР-6,5/13 (КЕ-10)

Характеристика выбросов	Количество выбросов, т/год
	при сжигании угля	при сжигании угля и метана	разность
Частицы летучей золы	200,00	24,00	176,00
Частицы угольной пыли (недожог)	160,00	96,00	64,00
Диоксид серы в пересчете на SO2	205,40	123,24	82,16
Оксид углерода	238,00	162,60	75,40
Оксиды азота	58,85	43,62	15,23

Таким образом можно говорить о высокой экологической эффективности данной технологии.

 

Список литературы/ References

1. Ельчанинов Е.А., Удалова Н.П. Эколого-технологическая оценка различных технологий использования метана не кондиционных МВС для промышленной утилизации// ГИАБ. 2011. Отдельный выпуск №8 «Экология, метанобезопасность» С. 231-248

1. Зозуля А.Д., Топтыгин М.И., Филлипов Г.А. Безопасное сжигание некондиционного шахтного метана // Безопасность труда в промышленности. –1987. -№12. –С.34-35.
2. Шмидт М.В. Снижение эмиссии парниковых газов при  метанобезопасной разработке углегазовых месторождений с энергетическим использованием метана. Дисс. … докт. техн. наук. : 25.00.36, 05.26.03 : защищена 29.06.06 : утверждена 15.11.06 / Шмидт Михаил Викторович ­Москва: МГГУ. 2005. ­363 с.

Список литературы на английском языке/ References in English

1. Elchaninov E. A., Udalova N. P. Ekologo-tehnologicheskaya otsenka razlichnyih tehnologiy ispolzovaniya metana ne konditsionnyih MVS dlya promyishlennoy utilizatsii [Environmental and technological assessment of various technologies for the use of methane of the standard MVS for industrial utilization]/ E.A. Elchaninov, N. P.Udalova [mining information analytical Bulletin] 2011. Otdelnyiy vyipusk [Separate issue] No. 8 «Ekologiya, metanobezopasnost» ["Ecology, methane safety"] P. 231-248 [in Russian]
2. Zozulya, A. D., Toptygin, I. M., Filippov G. A. Bezopasnoe szhiganie nekonditsionnogo shahtnogo metana [the Safe combustion of low-quality mine methane] / D.Zozulya, I. M. Toptygin, , G. A Filippov // // Bezopasnost truda v promyishlennosti [labour Safety in industry]. -1987. - No. 12. –P. 34-35.[in Russian]
3. Schmidt M. V. Snizhenie emissii parnikovyih gazov pri metanobezopasnoy razrabotke uglegazovyih mestorozhdeniy s energeticheskim ispolzovaniem metana [Reduction of greenhouse gases in metan-air the development of coal-gas fields with energy use of methane]. ... of PhD in Engineering. 25.00.36, 05.26.03 : defense of the tesis 29.06.06 : approved 15/11.06 / Shmidt Mihail Viktorovich ­ Moscow : Moscow state mining University, 2005. ­352 P. [in Russian]