книги из ГПНТБ / Морев, А. М. Дегазация угольных шахт и использование метана

60

азот (N2). С увеличением балласта качество горючих га­ зов снижается. Для сравнения в табл. 14 дан состав га­ за, отобранного для анализа из дегазационных скважин различных шахт Донбасса.

Из сопоставления следует, что газ, извлекаемый дега­ зационными установками угольных шахт, по составу бли­ зок к природным газам и отличается от них в основном значительным содержанием негорючих компонентов N2 и 0 2, которые снижают его теплотворную способность.

В газе угольных месторождений отсутствуют агрес­ сивные ядовитые п механические примеси, и поэтому он не оказывает вредного воздействия на применяемое обо­ рудование и контрольно-измерительную аппаратуру. В этом отношении он очень выгодно отличается от искус­ ственных газов. Так, например, основным горючим про­ дуктом газа подземной газификации является сероводо­ род (H2S) и окись углерода (СО), которые очень ядови­ ты для человека. К тому же H2S разъедает металл.

Основной характеристикой горючего газа считается его теплотворная способность нлн калорийность, т. е. ко­ личество тепла, которое выделяется при полном сгора­ нии единицы объема или веса топлива. В последнее вре­ мя чаще всего за единицу количества топлива прини­ мается один нормальный кубометр газа ■— 1 нм3 (т. е. при 20°С и 760 мм рт. ст.). В связи с этим теплотворная спо­ собность газа измеряется в ккалінм3. Различают высшую и низшую теплотворную способность газа. Хотя первая из них — стандартная величина, обычно в реальных рас­ четах используют низшую теплотворную способность. Дело в том, что одним из продуктов полного сгорания га­ зов являются водяные пары, с которыми при открытом сжигании уносится определенное количество тепла (око­ ло 600 ккал!кг). Если учитывают это тепло, то имеют в виду высшую теплотворную способность, а если нет — то низшую. Теплотворная способность определяется опыт­ ным путем пли по формуле

61

QltQo...Qn — высшая пли низшая теплотворная спо­ собность компонента, ккал/нм3.

С достаточной для практики точностью низшую теп­ лотворную способность (Q"c) при температуре около 10°С можно определить по формуле

где Н2, СО, СН4 и т. д. — объемный процент отдельных газов в смеси. В табл. 14 приведены результаты расчета высшей и низшей теплотворной способности шахтного газа при 0°С.

Учитывая, что газ угольных месторождений влажный и содержит из горючих компонентов в основном метан с незначительной примесью высших углеводородов, его теплотворную способность при t=20°C с достаточной для практики точностью можно определять по формуле

где СН4 — объемный процент метана в смеси.

Удельный вес отсасываемого при дегазации газа так­ же является функцией содержания составляющих газов п может быть определен по формуле

си, проц.

Анализ многочисленных проб шахтного газа позво­ ляет предложить простую формулу для определения удельного веса отсасываемой смеси при / = 20°С только в зависимости от содержания метана.

62

Опыт и возможные направления использования каптируемого газа

Внастоящее время на шахтах СССР и ряда зарубеж­ ных стран уже накоплен достаточный опыт утилизации метана в промышленности н в быту [1, 6]. Этот опыт од­ нозначно свидетельствует о широкой перспективе и вы­ сокой экономической эффективности использования газа. Область применения каптированного газа очень широ­ ка: переработка его в крекинг-установках, применение как топлива в паровых котлах, в коксовых и доменных печах, в газовых турбинах, в качестве горючего для дви­ гателей и сырья для химической промышленности.

ВАнглии, Бельгии, ФРГ действуют установки для пе­ реработки рудничного газа для бытовых нужд. Преобра­ зуют его в основном двумя способами — путем каталити­ ческого крекинга метана с водяным паром по методу «ГЭЗ Машннери» и способом автоматического крекинга метана с воздухом. В первом случае метан превращают

впреобразованный газ путем крекинга на катализаторе при температуре около 850°С согласно реакции

СНА+ Н гО - 3Н2 + СО - 49,3 кал.

Преобразованный газ (с теплотворной способностью около 3000 ккалІмъ) добавляют к некоторому количеству необработанного рудничного газа и таким образом полу­ чают бытовой газ с теплотворной способностью 4250—4300 ккалім3. Газ, преобразованный при помощи пара, лег.че и содержит более высокий процент водорода. Но реакция крекинга является эндотермической, что тре­ бует дополнительного количества тепла и снижает коэф­ фициент полезного действия. Автотермическпй процесс дает газ с меньшей теплотворной способностью п более плотный, зато легче осуществим и более экономичен. Промышленное использование каптированного газа в наибольших масштабах осуществлено в Бельгии и ФРГ,

вменьших размерах — во Франции и Англин.

ВБельгии рудничный газ используют на металлурги­ ческих заводах (заводы Жилсона в Круайере). Ведутся промышленные опыты по использованию «метанового

воздуха», т. е. воздуха с малым содержанием метана. Во многих странах рудничный газ широко используют в топках котлов.

В Англии на шахте «Хэйг» почти весь каптируемый

G3

метай (272 тыс. м3 в неделю) использовался для нагрева паровых котлов шахты. Группа котлов состояла нз пяти ланкаширских и двух водотрубных. Переоборудование котлов на питание метаном осуществлено путем приме­ нения горелок «Гако». Это позволило сэкономить 1240 т угля в месяц.

На шахте «Пейнит оф Эйр» паровую энергию замени­ ли электрической от генераторов переменного тока, при­ водимых в движение газовыми двигателями. Электроцен­ траль имеет пять газовых двигателей, каждый из кото­ рых соединен с трехфазным генератором переменного то­ ка мощностью 700 кет напряжением 330 в. Четырехтакт­ ные вертикальные восьмицилиндровые двигатели могут также использовать в качестве топлива нефть или руд­ ничный газ, но чтобы обеспечить зажигание, в руднич­ ный газ добавляют 5% нефти. Переход на питание нефтью (или, наоборот, газом) осуществляется без оста­ новки двигателя. Во время опытной эксплуатации при работе на полную мощность (990 л. с.) в течение 24 час требовалось 171 м3 газа.

Опыт использования в Сааре рудничного газа в кок­ совых исчах показывает, что это значительно рентабель­ нее, чем сжигание его в топках котлов. Даже при боль­ ших расстояниях между шахтой и коксовым заводом, ка­ питаловложения по прокладке газопровода полностью окупаются. В Сааре, например, имеются компрессорные установки, в которых рудничный газ сжимается до 300 кгіем2 и затем переводится в баллоны под давлением 200 кгіем2. Каждый баллон может вместить 12. м3 газа, приведенного к 0°С и к давлению 760 мм рт. ст. Этот газ используют в качестве горючего для двигателей внутрен­ него сгорания. В Кларентале, где расположена наиболее крупная станция, рудничный газ содержит 80% метана, 2—3% кислорода, что не вызывало затруднений при его использовании. Стоимость горючего для автотранспорта снизилась при этом в два раза. Рудничный газ может конкурировать с бензином, но уступает дизельному топ­ ливу.

Использование каптируемого метана в химической промышленности практически трудно осуществимо из-за непостоянства дебита и качества рудничного газа. Ста­ бильность молекулы метана затрудняет его использова­ ние в качестве исходного вещества для химического син­ теза.

64

Из метана можно получать сажу, водород, аммиак, ацетилен, производные хлора, азотную кислоту, метанол, формалин и различные производные, служащие базой для изготовления пластмасс и искусственного волокна. Все это требует регулярного снабжения газом, содержа­ щим не менее 90% метана. Очевидно, что в этом случае речь может идти о сравнительно небольших установках, работающих на рудничном газе. Создание химической индустрии, базирующейся только на рудничном газе, ве­ роятно, будет нерентабельным.

Утилизация каптированного газа из года в год растет. Так, в период с 1949 г. по 1965 г. из шахт Бельгии капти­ ровано 1176 млн. ж3 метана, из них в товарный продукт превращено 790 млн. ж3 (снижение каптажа газа в 1965 г. по сравнению с 1957 г. связано с прекращением работы некоторых газообильных шахт). В ЧССР дегаза­

лизировано. Во многих западно-европейских странах газ, полученный при дегазации, помимо использования на месте в котельных шахт продается национальным газо­ вым компаниям (в Бельгии — компании Дистригаз, а в Англии и Франции — национальным газовым компа­ ниям). Для получения стабильных показателей по коли­ честву газа и содержанию в нем метана производится кольцевание отдельных шахт в пределах района (в Бель­ гии компанией Дистригаз подключены к сборному газо­ проводу дегазационные установки 43 шахт).

Значительные успехи в использовании каптируемого газа достигнуты в последнее время в Польской Народной Республике. Здесь используется 80% газа, извлекаемого дегазационными установками.

В СССР впервые газ начали использовать в 1954 г. в Донбассе на шахте «Красная Звезда», затем на шахтах им. XVII Партсъезда, шахтоуправлении № 17; № 3-бис, «Давыдовка» и др. В основном это были шахты ТорезскоШахтерского района Донбасса, разрабатывающие антра­ цитовые угли и имеющие высокую газообильность выра­ боток. Позже газ начали потреблять на шахтах «Киров­ ская» (бывшая № 17— 17-бис) в Рутченково, «Пролетар-

ского, разрабатывающей крутые пласты. Периодически

66

5'

67

использовался газ в Карагандинском п Воркутинской бассейнах.

В СССР извлекаемый газ применяется только в шахт­ ных котельных установках, кроме Шахтерска, где на шахтоуправлении № 11 газ подавали для отопления сто­ ловой и общежития. Во всех случаях его применяли без предварительной подготовки (осушка, очистка, разбав­ ление). Длительное время в Донбассе потребляли только незначительную часть извлекаемого газа. В зимнее вре­ мя сжигалось до 30% метана от общего количества. В последние годы этому вопросу стало уделяться больше внимания и количество шахт, использующих метан, зна­ чительно увеличилось (табл. 15). В настоящее время в зимний период извлекаемый газ на ряде шахт исполь­ зуется полностью. К ним относятся шахтоуправление им. Калинина, шахты «Петровская», «Кировская», им. га­ зеты «Социалистический Донбасс» комбината «Доиецкуголь», шахтоуправление нм. Бажанова комбината «Макеевуголь» и др.

При сжигании газа в топках котельных установок содержание метана должно быть не менее 30%• Если оценивать возможности утилизации метана по его до­ пустимой концентрации, то из приведенных в табл. 16 данных следует, что без дополнительных мероприятий метан можно использовать только на 43 шахтах.

Т а б л и ц а 16. Распределение шахт Донбасса по концентрации метана в извлекаемой смеси

Однако необходимо учитывать и количество добывае­ мого газа. Согласно табл. 9 на этих шахтах метана добы­ вается около 990 тыс. м3/сцт, или более 80% от общего количества. Минимальная производительность паровых котлов типа ДКВ, применяемых в шахтных котельных, около 2 тічас. Расчеты показывают, что для обеспечения такой паропроизводптельностп необходимо около 3,5 мЧмин метана, пли около 5 тыс. м3/сут. Чаще встре­ чаются котлы с производительностью 4 тічас, в которых метана расходуется 7 мЧмин, или около 10 тыс. м31сут.

68

По минимальному расходу газ в котельных можно сжи­ гать на 39 шахтах вместо 43, а при паропронзводительпости котлов 4 тічас — только на 31 шахте. Количество потребляемого газа в последнем случае составит около 930 тыс. м31сут, или около 78% •

Приведенные цифры в сопоставлении с данными табл. 9 позволяют выявить возможность использования метана, извлекаемого при каждом из ранее рассмотрен­ ных способов дегазации. Выгодными в этом отношении можно считать различные способы дегазации спутников угольных пластов. Применение этих способов даже на одном из участков шахты, дает основание положительно рассматривать вопрос об использовании газа в топках паровых котлов. При дегазации разрабатываемых пла­ стов его можно организовать, когда скважины регулярно бурят на 2—3 участках.

Использование газа, добываемого при дегазации вы­ работанных пространств, осложняется из-за низкой кон­ центрации метана в смеси и сравнительно малого его ко­ личества. Поэтому в качестве дополнительного меро­ приятия при дегазации спутников необходимо учитывать возможное снижение концентрации метана в отсасывае­ мой смеси. Использование газа значительно повышается, если закольцевать, т. е. соединить, шахты районов в еди­ ную систему (табл .17).

Т а б л и ц а 17. Сравнительные данные использования метана

69