Возможности получения тепловой энергии из исходящей шахтной метано-воздушной струи

Сокращение выбросов метана представляет собой международный приоритет, в реализации которого угольные шахты играют важную роль. На метан приходится 14% глобальных антропогенных выбросов парниковых газов, а на угольные шахты – 6% выбросов метана, или приблизительно 400 млн. т СО2-экв. в год [1]. Объем выбросов угольного метана меньше по сравнению со сжиганием угля на тепловых электростанциях, однако его нельзя назвать несущественным. На современном уровне развития науки весьма важным является то, что технологии извлечения и использования угольного метана уже разработаны и в ряде случаев доказали свою экономическую и экологическую эффективность, что делает эти технологиивесьма перспективными в краткосрочном и среднесрочном плане для угольной промышленности.В России стимулом для утилизации метана служит государственный налог, или «Плата за вредные выбросы», которая за последний год была сильно увеличена и в настоящий момент является ощутимой статьей расходов для угольной промышленности.

В настоящее время более интенсивными темпами продвигаются технологии утилизации и энергетического использования шахтного метана с концентраций более 25%. Как правило, шахтный метанпри условии предварительной очистки и сушкииспользуют в газовых двигателях или турбинах при концентрации свыше 25% . Каптируемый газ наиболее часто используют в двигателях внутреннего сгорания, которые способны производить тепло- или электроэнергию. Наилучшие результаты достигнуты в Австралии, Германия, Япония, Великобритания и США, где эксплуатируются установки для получения тепловой и электрической энергии производственной мощностью от 150 кВт до 94 МВт.

В России в течение последних 20 лет большой опыт сжигания шахтного метана для производства тепловой энергии для нужд шахты накоплен в Печорском угольном бассейне. Тем не менее наилучшийрезультат, достигнут в Кузнецком угольном бассейне на шахте "Им. Кирова",где начиная с 2008 года,реализован первыйпроект использованию шахтного метана в рамках реализации Киотского протокола. На шахте запущена вакуумно-насосная установка, которая обеспечивает добычу метана, установлен газогенератор, который вырабатывает 3 МВт электроэнергии, также на газ переведена котельная тепловой мощностью 1 МВт. Второй аналогичный проект реализован в 2012 году на шахте «Комсомолец» в Кузбассе, гдепроведены промышленные испытания новой стационарной установки по утилизации метана мощностью 400 кВт [2].

Горение метановоздушных смесей представляет собой химический процесс окисления горючего вещества и окислителя. Окислителем выступает содержащийся в воздухе кислород в смеси с азотом. Химическая реакция горения метана в воздухе имеет следующий вид:

CH4 + 2O2 + 7,52N2 = CO2 + 2H2O + 7,52N2 + Выделение тепла

Азот, присутствующий в парах в отношении 70-75%, является балластом, понижающим КПД, вследствие рассеивания значительной доли тепла через дымоход. В энергетических установках для сгорания метан должен находиться при достаточном уровне температуры, что составляет основную техническую проблему, требующую более эффективного решения.

Наибольшую пропорцию от общего выброса метана в процессе добычи угля составляют выбросы метана через систему вентиляции в шахтах с содержанием метана в воздухе менее 1%.Несмотря на низкие концентрации, в структуреглобальных выбросов метана является крупнейшим отдельным источником выбросов. Ежегодно в мире выбрасывается в атмосферу около 1,5 млрд. м3вентиляционного метана, что является эквивалентом 200 млн. т парникового газа СО2.

В последние годы разработаны технологии, которые позволяют утилизировать и энергетически эффективно использовать метан сочень низкой концентрацией в вентиляционном воздухе шахт путем термического окисления на катализаторах.Некоторыеиз этих технологий могут комбинироваться с системами предназначеннымидля использования на централизованном теплоснабжении либо генерирующих электроэнергию.На нескольких рекуперации тепла, шахтах или при в паровыхтурбинах, предприятиях мира (в

Австралии, США, Китае) в целях борьбы с такими выбросами в демонстрационных и коммерческих масштабах внедрены технологии сжигания вентиляционного метана для производства электрической и тепловой энергии. Последний крупнейший проект реализован в Китае в 2010 г. с применением шести установок "VOCSIDIZER", разработчик "MEGTEC Systems", с обработкой вентиляционного метана расходом 235000нм³/час (3916 нм³/мин) [4]. Система обеспечивает снижение выбросов парниковых газов массой более 200 тыс. т СО 2 -экв. в год.

Применение технологий энергетического использования вентиляционного метана было продемонстрировано в полном масштабе в экспериментальных установках с концентрацией метана более 0,2%.При использовании МВС для производстваэлектроэнергии требуется оптимизация входных концентраций и повышениеконцентрации МВС на входе в устройство для окисления. Одним из применявшихся методовявляется обогащение газа метаном из других источников, например, газом извыработанных пространств или газом, полученным в результате предварительной дегазационнойподготовки.

К другим разрабатываемым технологиям использования МВС относятся каталитическиемонолитные реакторы (КМР), турбины для сжигания бедной топливной смеси, в которых сжигается МВС при концентрациях 1,5% и ниже, и роторные печи, вкоторых МВС смешивается с мелкими отходами угледобычи.

Перспективная технология утилизации вентиляционного метанаразвивается 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.

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 КПД оборудования;

• -    экономический эффект: в зависимости от концентрации вентиляционного метана может снизиться расход основного топлива, снизятся ущербы от выбросов метана, снизятся ущербы за счёт улучшения структуры топливно-энергетического баланса региона, снизится топливная составляющая в тарифе за счет использования «бросового» энергоресурса.

Значимые результаты в технологии «VAM» достигнуты в Австралии [4]. На практике реализована технология получения электричества из исходящей вентиляционной струи, в результате сжигания низко концентрированного метана в каталитических горелках. Доказано, что вентиляционная струя угольной шахты расходом 255000 м3/час может дать приблизительно в 5 МВт электричества. Австралийский проект «WestVAMP» преобразовывает в тепло и электричество приблизительно одну пятую часть вентиляционной струи. Доказано, что энергосистемы «VOCSIDIZER» могут работать с низкими концентрациями метана, даже 0,1%, без дополнительных затрат энергии. Тепловая энергия извлекается из агрегата с помощью рекуперативных труб с возможностью получения, например, горячей воды или перегретого пара. Пар может использоваться для вращения турбины, составляя тем самым основу электростанции.

«VOCSIDIZER» представляет также интерес для пользователя низкотемпературной энергии, без выбросов оксидов азота. Эффективность использования энергии (тепло  и  электричество) энергосистемы

«VOCSIDIZER» - приблизительно 98%. Конструктивная реализация энергоустановок предусматривает стальной контейнер с блоком керамического материала и тепловыми элементами в центре блока. В процессе прохождения вентиляционного воздуха через установку центральная часть керамического блока, в результате окисления метана, нагревается до температуры 1000˚С и полученная энергия передается в периферийную часть блока. Теплообмен весьма эффективен: в балансе системы различие в температурах входящего и выходящего воздуха составляет не более 40˚С. Для повышения эффективности теплообмена направление потока регулярно меняют. Отсутствие пиков температуры в зоне окисления исключает появление оксидов азота. Показано, что энергия струи расходом 800 000 м3/час с концентрацией метана 1% может генерировать 72 МВт тепловой энергии. Эта энергия может быть трансформирована в 18 МВт электрической энергии.

Выполним оценочный расчет эффективности реализации технологии «Вентиляционный метан в электричество» в условиях шахт РФ.

Исходные данные :

Расход метана вентиляционной струи - 800 000 м3/час (222 нм3/сек);

Количество автономных установок -4 шт

Объемная концентрация метана в струе, средняя – 0,5% Теплота сгорания метана - 35,9 МДж/м3

Молекулярная масса 100% метана равна 0,717 кг/м3

Молекулярная масса 100% углекислого газа – 1,97 кг/м3

• 1    млн.м³ 100%-ного метана эквивалентен выбросам парниковых

  газов в количестве 15057 т СО 2 ,

Следовательно, 1 млн. м3 рудничного газа вентиляционной струи с объемной концентрацией метана 0,5 % соответствует выбросамСО2, эквивалентным

15057*0,5/100=75,285 т

Энергетическая мощность метана, содержащегося в метана вентиляционной струи вычислим сопоставлением с пионерскими проектами.При расходе вентиляционной струи 800000 м3/час с концентрацией метана 0,5% энергетическая установка может генерировать 36 МВт тепловой энергии.и 9 МВт электрической энергии.

Тогда годовое сокращение выбросов СО 2 -эквивалента при условии сжигания метана вентиляционной струи:

800000∙0,005∙24∙364 15,057=526,2∙106кг (526200 т).

При продаже квот на выбросы СО 2 по цене 7 Є/т получим годовую выручку

7∙526 200=3 683 400 Є/год (Є3,68 млн/год)

При продаже электроэнергии по цене 0,8 руб/(кВт*час) получим 9000∙0,8∙24∙364=62,9∙106руб/год(Є1,8 млн/год)

Если использовать тепловую энергию для собственных нужд, вместо угля, то при КПД=0,8 преобразования теплоты сгорания угля (30∙106Дж/кг) в тепловую энергию горячей воды будет достигнута годовая экономия угля 36∙106∙3600∙24∙364∙0,8/(30∙106)=30,19∙106 кг/год (30190 т/год)

При себестоимости угля 10 Є/т экономия составит

30190∙10=301900 Є/год (Є0,3 млн./год)

Таким образом, суммарная экономия, за счет трех статей дохода (квоты за выбросы + электроэнергия + тепловая энергия) составит

3,68 + 1,8 +0,3 =Є5,78 млн. /год.

Исходя из представленного оценочного расчета, можно предположить экономически выгодную стоимость энергосистемы «VOCSIDIZER». В частности, при стоимости установок "под ключ"Є15 млн. энергосистема окупится за 3-4 года.Очевидно, расчет является приблизительным и конечный результат должен уточняться для каждого конкретного случая.