Рекомендации по утилизации шахтного метана для угольных шахт Кузбасса (стр. 7 из 12)
Мембранное разделение газов и жидкостей вступает в следующий этап своего развития - в эру направленного дизайна новых высокопроницаемых полимерных и керамических материалов, сверхтонких мембран на их основе, отличающихся химической и биостойкостью, стабильностью при повышенных температурах, новыми функциями. Разрабатываются активные мембранные системы с подвижными и фиксированными переносчиками, отличающиеся высоким уровнем избирательности газоразделения и возможностью одностадийного разделения многокомпонентных смесей.
С появлением новых типов керамических мембран связывают развитие новых каталитических нанореакторных технологий, обеспечивающих экономичные и легко управляемые процессы переработки жидкого и газообразного сырья в ценные химические продукты. В связи с этим активно ведутся исследования и разработки функциональных мембранных систем для катализа (каталитические мембранные реакторы) и биотехнологии (активные мембранные системы с подвижными химическими и микробиологическими носителями). Сочетание микробиологических процессов с мембранными позволит смоделировать и реализовать, например, циклическую биоутилизацию СО2 с получением энергоносителей.
Особое внимание уделяется разработке прямых и обратных «сквозных» экспертных подходов в иерархии «полимер-мембрана-модуль-система-процесс», что, в целом, даст возможность значительно расширить круг задач, решаемых мембранной технологией[6].
 | Мембранная азотная установка |
 | Мембранная кислородная установка |
 | Схематическое изображение работы мембраного картриджа |
 | Производительность мембранного модуля в зависимости от чистоты азота при различных давлениях |
 | Чистота азота в зависимости от отношения потоков на входе и выходе мембранного модуля при различных давлениях |
Мембранные азотные установки
Одним из основных видов продукции, выпускаемых компанией ГРАСИС, являются азотные установки на базе технологии мембранного разделения воздуха.
Установка азотного пожаротушения предназначена для тушения пожара при возгорании различных горючих веществ, горение которых не может происходить без доступа воздуха, например нефти, нефтепродуктов или газового конденсата, в замкнутых объемах и помещениях, а также для предотвращения возникновения пожаро- и взрывоопасных ситуаций на нефтегазодобывающих предприятиях.
Принцип работы установки азотного пожаротушения основан на инертных свойствах создаваемой воздушной смеси с содержанием азота 95–99%. При таком содержании азота в воздухе процесс горения становится невозможным. Газообразный азот, производимый газоразделительным мембранным блоком азотной установки пожаротушения, подаётся под давлением в ресивер, объём которого рассчитывается исходя из объема помещений и резервуаров, пожаробезопасность которых обеспечивает установка[10].
В случае возгорания происходит автоматическая подача азота в объём, где возник пожар. Это обеспечивает быстрое и надёжное тушение пожара без причинения какого-либо ущерба оборудованию и персоналу. Конструкция азотной установки пожаротушения также позволяет использовать вырабатываемый азот для продувки технологических объёмов, при этом происходит его автоматическое восполнение.
Азотное пожаротушение имеет ряд объективных преимуществ, которые связаны с простотой установки, легкостью обслуживания и ее высокой экономической эффективностью.
Техническая характеристика
| Наименование параметра | Значение |
| Параметры азота на выходе из установки | |
| –чистота азота, % | 95–99,95 |
| –объемный выход газовой смеси, нм³/ч* | 5–5000 |
| –давление, ати | 5–40 |
| –точка росы, °С | −40…−60 |
| Температура окружающей среды | |
| –во время работы, °С | +5…+40 |
| –во время хранения, °С | −20…+50 |
| Время выхода на рабочий режим не более, мин | 10 |
| Ресурс работы мембранных модулей (уменьшение производительности на 10%), тыс. часов | 130–180 |
* производительность приведена к нормальным условиям (t=20° C, P=1 атм.)
Кислородные мембранные установки
Компания ГРАСИС производит на базе мембранной технологии высокоэффективные системы для получения кислорода из воздуха. Мембранные кислородные установки позволяют получать кислород чистотой до 50%, применение таких систем оказывается с экономической точки зрения очень эффективным. Заказчик получает воздух, обогащенный кислородом в требуемой концентрации (от 30 до 50%) и не переплачивает за ненужную ему высокую чистоту.
Принцип работы мембранных кислородных установок повторяет основу функционирования азотных мембранных систем — он заключается в различной скорости проникновения азота и кислорода через материал мембраны. Отличие заключается в том, что в отличие от азота кислород является целевым продукт, который выходит под небольшим избыточным давлением.
Кислород чистотой до 50%, вырабатываемый воздухоразделительные мембранными установками, может использоваться в различных отраслях промышленности для решения широкого круга задач. Например, кислород такой чистоты применяется в тех. процессах на металлургических предприятиях, при сварке и резке металлов. Компании, занимающиеся разведением рыбы, выращиванием креветок, крабов и мидий используют мембранные кислородные установки в инкубационных целях.
Общие технические характеристики
| Наименование параметра | Значение |
| Параметры кислорода на выходе из установки | |
| чистота, % | 30–45 |
| производительность, нм³/ч* | 3–5000 |
| давление, ати | 0,03–0,3 |
| точка росы, °С | -60 – -70 |
| Температура окружающей среды | |
| во время работы, °С | +5 – +40 |
| во время хранения, °С | -20 – +50 |
| Время выхода на рабочий режим не более, мин | 10 |
| Ресурс работы мембранных модулей (уменьшение производительности на 10%), тыс. часов | 130–180 |
6 Утилизация каптируемого шахтного метана
6.1 Утилизация вентиляционного газа
Выбросы метана через систему вентиляции в шахтах составляют наибольшую пропорцию от общего выброса метана процессе добычи угля. Ежегодно выбрасывается в атмосферу около 1,5 млрд. куб.м метана, что является эквивалентом 200 млн. т СО2.
В силу низкой концентрации метана в вентиляционном потоке (как правило, ниже 1 % СН4) полезное использование вентиляционного газа является затруднительным.
В вентиляционных выбросах угольных шахт содержится малоконцентрированный шахтный метан в количестве 0,5…2% от вентиляционного воздуха[11]. Утилизация метана является актуальной задачей, особенно для угольных регионов с шахтной добычей угля, таких как Кузбасс.
Малоконцентрированный шахтный метан можно использовать в системах подачи воздуха в топочных устройствах. Достаточно обоснованных предложений по сжиганию вентиляционного метана не существует, и технология его энергетического использования является новой и перспективной. Потенциальные объемы использования метана угольных шахт в Кузбассе в 2004 г. составляли 890 млн. м3 или около 2% по тепловому эквиваленту от добываемого на этих шахтах угля. Объемы каптажа метана на порядок меньше общей эмиссии и составляли в 2004 г. 52,6 млн. м3, т.е. в топливно-энергетический баланс региона по предварительным оценкам может быть потенциально вовлечено около 60 тыс. т.у.т высококалорийного экологически чистого топлива – газа с применением малозатратных технологий и свыше 900 тыс. т.у.т с применением новых технологий извлечения метана.
Прямое сжигание метана при этом практически невозможно и наиболее приемлемый путь – совместное сжигание с другими видами топлива и, прежде всего, с углем в котлах «малой» и «большой энергетики» на энергетических объектах, находящихся на приемлемом по технико-экономическим показателям расстоянии от шахты.
Предлагаемая технология должна разрабатываться по трем направлениям:
1) для улучшения горения рядового угля в традиционных угольных котлах;
2) для совместного сжигания в газомазутных котлах с углем ультрамелкого помола (до 15-20 мкм);
3) в котлах «большой энергетики» - подача воздуха с вентиляционным метаном в пылеугольную топку.
Каждое из направлений требует отработки технологии и технико-экономического обоснования её эффективности применительно к конкретным условиям.
При применении технологии сжигания вентиляционного метана, может быть достигнут ряд положительных эффектов в том числе:
- экологический эффект: сократятся прямые выбросы метана в атмосферу и при замещении им угля в котлах снизятся выбросы загрязняющих веществ СО2, NO, SO;
- энергетический эффект: улучшатся энергетические характеристики горения угля за счет поддува воздуха с дополнительным высококалорийным топливом, замещающим по эквиваленту сжигаемый уголь, что приведет к повышению к.п.д. оборудования;