Шахтный газ метан и его концентрирование с помощью мембранных установок «Грасис»

 
 
Наряду  с широкоизвестным Постановлением Правительства об утилизации не менее 95 % попутного нефтяного газа (ПНГ) на государственном уровне рассматривается  вопрос об обязательной дегазации шахт и утилизации выделяющегося метана. В мире процессы получения товарного метана из шахтных (угольных) газов достаточно хорошо отработаны. В России эти вопросы находятся, по сути, в стадии обсуждения, и отработанных технологий его получения нет, в том числе из-за часто низкого содержания метана. Компанией «Грасис» разработана мембрана для разделения углеводородных газов, позволяющая в числе прочих эффективно решать проблему концентрирования метана из шахтных газов или его осушки.  
 
Компания «Грасис» является ведущим в России и одним из крупнейших в Европе разработчиков и производителей промышленных газоразделительных установок на основе некриогенных методов. В последние годы компания занимается разработкой процессов разделения углеводородных газов. Специалистами компании была разработана принципиально новая мембрана для разделения углеводородных газов. Одно из направлений ее применения – концентрирование метана из шахтных (угольных, рудничных) газов.

Актуальность  задачи обусловлена значительными  и нарастающими объемами добываемого  шахтного метана. При этом в настоящее  время используется всего 10–15 % выделяющегося  из угольных пластов метана, а объем выбросов в атмосферу (в пересчете на метан) составляет более 1 млрд м3 в год для России и около 3 млрд м3 в год для всех стран СНГ. По имеющимся оценкам, при благоприятных условиях только один Кузбасс способен к 2020 г. выйти на уровень добычи 20 млрд м3 в год угольного метана.

Ограниченное  использование угольного метана обусловлено, в том числе, тем, что  объемная доля собственно метана в таких газах часто достаточно низкая (30–50 %), что снижает теплотворную способность газа (рис. 1) и ограничивает его применение в энергетических целях.  
 
Разработанные компанией «Грасис» мембраны позволяют с высокой эффективностью концентрировать метан из смеси с азотом и кислородом. Концентрирование метана из шахтных газов мембранным методом основано на преимущественном проникании сквозь мембрану (поток низкого давления, пермеат) метана и паров воды и концентрировании в остаточном потоке (поток высокого давления, ретентат) азота и кислорода. Принципиальная схема распределения газовых потоков в мембранном модуле на основе мембраны «Грасис» приведена на рис. 2.  
 
Мембранные модули на основе мембраны «Грасис» позволяют повышать объемную долю метана на 10–35 % в зависимости от параметров процесса. Причем степень концентрирования возрастает с уменьшением коэффициента отбора и увеличением давления на входе в мембранный блок. На рис. 3 приведены зависимости объемной доли метана в подготовленном газе от давления при различных исходных содержаниях метана и коэффициентах отбора 30 и 50 %. Видно, что при давлении на входе ГРБ ниже 1 МПа эффективность разделения существенно падает, т. е. процесс подготовки желательно проводить при давлении не ниже 1,0–1,2 МПа.

 
Добываемый шахтный метан изначально имеет давление, близкое к атмосферному, и, как правило, насыщен по влаге (обусловлено тем, что в большинстве  случаев откачка газа из скважин  ведется жидкостно- (водо-) кольцевыми насосами). Это обстоятельство обусловливает компоновку установки концентрирования метана. Все установки концентрирования метана из шахтного газа работают по напорной схеме. При этом подготовленный газ (обогащенный по метану) концентрируется в пермеатном потоке, т. е. с давлением, близким к атмосферному. Соответственно, подготовленный газ должен быть повторно компримирован до давления, необходимого потребителю. Схема подготовки шахтного газа в целях повышения концентрации метана приведена на рис. 4.  
 
Еще одной возможной задачей, связанной с угольными газами, является их осушка без изменения остального компонентного состава. Задача актуальна при подготовке для ГТЭС газа с изначально высоким содержанием метана (может достигать 75–90 %), и для ее решения применяется схема, приведенная на рис. 5. Отличительной особенностью данной схемы является подготовка 100 % поступающего на установку газа с сохранением его исходного состава. Степень осушки определяется требованиями конкретного потребителя, и температура точки росы на выходе установки может достигать –20... –45 °С. Объем потока рецикла может составлять 8–17 %, что ведет к увеличению мощности компрессора на 9–20 %. Для реализации задачи используются специально разработанные модули, обеспечивающие эффективную осушку при минимальных коэффициентах отбора. Процесс может быть востребован при подготовке топливного газа для турбинных приводов. В отличие от традиционных методов осушки мембранный метод не требует реагентов и вспомогательного оборудования.  
 
Для рассматриваемых задач мембранные установки обладают одним важным достоинством: они легко адаптируются к изменению требуемого объема подготавливаемого газа и изменению состава исходного газа (что весьма актуально, так как содержание метана в шахтных газах непостоянно). Мембранные установки компании «Грасис» поставляются в блочно-модульном исполнении максимальной заводской готовности. Установка может быть полностью смонтирована на площадке и готова к работе в течение 1–3 недель. Мембранные установки исключительно просты в обслуживании, надежны (в мембранной установке отсутствуют движущиеся элементы), не требуют постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала, имеют всю необходимую разрешительную документацию для работы на объектах нефтяной и газовой промышленности.

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Проблемы использования шахтного метана
• 2. Установка утилизации шахтного газа
• 3. Использование промышленных отходов в качестве гранулированных материалов
• Заключение
• Список источников

Введение

Наряду с выбросами  промышленных предприятий и автотранспорта в угледобывающих районах Украины, в первую очередь в Донбассе, существенную долю составляют выбросы шахтного метана от вентиляционных и дегазационных систем угольных шахт. Выбросы шахтного метана невидимы и не имеют запаха, поэтому об их наличии малоизвестно общественности и им недостаточно уделяется внимания.

1. Проблемы использования шахтного  метана

Доля выбросов шахтного метана в Донбассе весьма значительна. По имеющимся данным, на примере  шахты «Суходольская-Восточная», которая относится к газоносным шахтам Донбасса выбросы метана в атмосферу за 2009 год составили 26,28 млн.м³. А таких шахт в Донбассе около сотни. В настоящее время при разработке газоносных угольных пластов вентиляционными и дегазационными системами шахт России извлекаются от 1,2 до 1,4 млрд.м³ шахтного метана, однако лишь около 25% извлекается системами дегазации, из которых только около 45-50 млн.м³ утилизируется, остальное выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее устойчивым парниковым газом. Примерно такое же состояние по шахтному метану имеется и на Украине [1].

Киотский протокол, принятый в дополнение к Рамочной конвенции ООН о смене климата, обязывает сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов. Парниковый газ — газ, задерживающий инфракрасное излучение земной поверхности, что приводит к глобальному потеплению на планете. К основным парниковым газам относятся: двуокись углерода (СО₂), метан (СН₄), окись азота (N₂O) и другие. Метан — второй по значимости парниковый газ, регламентируемый Киотским протоколом. Шахтный метан является сильнейшим загрязнителем окружающей природной среды, одним из разрушителей озонового слоя атмосферы планеты и в то же время содержит примеси, которые ухудшают его качество как топлива. В связи с этим необходимо создавать агрегаты и материалы, позволяющие обеспечить необходимое качество этого ценного энергоносителя для дальнейшего использования. Для решения этой проблемы предлагается использовать установку для утилизации шахтного газа и сорбентов в виде гранулированных материалов на основе переработки различных отходо [2].

2. Установка утилизации шахтного  газа

Рассмотрим установку  подготовки шахтного газа, используемую технику и технологию для очистки этого газа от загрязнений с помощью гранулированных материалов (адсорбентов).

В составе шахтного газа, помимо метана, обычно входят в тех  или иных пропорциях диоксид углерода, азот, кислород, вода и незначительное количество других примесей.

Различают шахтный газ угольных пластов, на которых разработка угля не ведется, газ закрытых шахт и газ работающих угольных шахт. Шахтный газ угольных пластов, на которых разработка угля не ведется, а производится дегазация угольных пластов, отличается высоким качеством, содержит до 90% и более метана и минимальное количество примесей. Технология его переработки весьма проста. Как правило, это сепарация и фильтрация от твердых включений. Газ закрытых шахт содержит 50–70% метана и не является взрывоопасным, что облегчает его переработку с целью концентрирования метана [3].

В противоположность  этому газ работающих шахт содержит от 25 до 40% метана и значительное количество кислорода, что с учетом возможных колебаний состава и последующего обогащения кислородом, одновременно с метаном, сопряжение с возможностью возникновения взрывоопасных условий при переработке. Присутствие в этом газе азота в количестве 40–60% еще больше усложняет задачи переработки, вызывая значительное увеличение удельного расхода энергии на единицу товарного газа. В этом смысле технологии переработки такого газа являются наиболее сложной. Остановимся более подробно на технологии переработки шахтного газа работающих шахт.

Принципиальная схема  подготовки шахтного газа работающих шахт показана на рисунке №1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема блока удаления кислорода, очистки от  СО₂ и осушки:

1 – жидкостно-кольцевой вакуум-компрессор; 2,6 – ресиверы; 3 – рекуперативный теплообменник; 4 – каталитический реактор; 5 – дожимающий компрессор; 7-9 – адсорберы. 

Шахтный газ по газосборной сети поступает на установку подготовки газа. Перед входом в жидкостно-кольцевой вакуум-компрессор газ сепарируется и очищается от угольной пыли и твердых включений во входных сепараторах. После дожатия в вакуум-компрессоре газ попадает в ресивер, который необходим для определенного запаса шахтного газа и плавности процесса подготовки. После ресивера шахтный газ нагревается в рекуперативном теплообменнике, который использует тепло от каталитического реактора. После рекуперативного теплообменника газ поступает в каталитический реактор, в котором происходит процесс каталитического окисления углеводородов на катализаторе. В качестве катализатора используется двуокись марганца, активированная азотнокислым серебром. Процесс окисления углеводородов метанового ряда протекает в соответствии с реакцией:

Выделяемая теплота  реакции отводится из реактора системой водяного охлаждения, а выходящий из реактора при температуре 300°С газ охлаждается в рекуперативном теплообменнике и направляется в промежуточный ресивер и далее дожимается в компрессоре до 0,8 МПа и направляется на установку адсорбционной очистки и осушки газа.

Установка очистки и  осушки газа построена по схеме стремя адсорберами, заполненными угольным адсорбентом. В каждом из адсорберов происходят циклические процессы адсорбции примесей СО₂ и Н₂O при рабочем давлении десорбции (при атмосферном давлении). Газ десорбции сбрасывается в атмосферу, а продувочный газ, содержащий значительное количество метана, возвращается на вход дожимного компрессора. Переключение адсорберов осуществляется набором клапанов, установленных на входе и выходе адсорберов. Продуктовая смесь метана и азота, выходящая из адсорберов направляется на дальнейшую переработку для последующего охлаждения газа, выделения азота и получения товарного метана в жидком виде. Для этих целей применяется азотный, криогенный цикл с предварительным охлаждением и турбодетандер - компрессорным агрегатом. Разделение метана и азота осуществляется методом криогенной ректификации [6].

Адсорбер представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, в котором в качестве насадки используется адсорбент на основе активного угля, который поглощает из шахтного газа Н₂O и СО₂. Исходный газ входит в адсорбер снизу, а очищенный газ выходит из верхней части адсорбера [1].

3. Использование промышленных отходов  в качестве гранулированных материалов 

Остановимся несколько  подробнее на использовании промышленных отходов в качестве гранулированных  материалов (сорбентов). К многочисленным отходам относятся: отход гидролизной промышленности — лигнин, в огромных количествах выбрасываемый в отвалы и так называемые смывочные нефтяные отходы, которые на протяжении десятилетий накапливаются в прудах-отстойниках промывочно-пропарочных станций в районах нефтеперерабатывающих заводов и железнодорожных станций. Оба вида отходов - ценное углеводородное сырье, рациональное и экологически грамотное использование, которых сулит немалые экономические выгоды. В Украине также разведаны большие запасы низкосортного соленого угля, для которого найдено немало рациональных и экологически приемлемых путей использования. Одним из них является производство гранулированных материалов, используемых в качестве сорбентов.

Известно, что в условиях роста загрязнения окружающей среды, потребность в активном угле во всем мире неуклонно растет, так как они в первую очередь используются в качестве поглотителей. В то время как ежегодное производство активных углей на Украине оценивается в несколько десятков тонн, потребность в нем только в промышленном Донбассе составляет примерно около 2-5 тыс. тонн/год. Для сокращения дефицита необходимо освоение новых источников сырья, а также разработка новых способов получения активного угля [4].

В этой связи углеродосодержащие отходы - весьма перспективное, естественное, доступное и дешевое сырье  для получения пористых углеводородных материалов (сорбентов). Кроме вышеуказанных  отходов, пригодных для производства пористых углеводородных материалов весьма перспективно использование твердых отходов углеобогатительных фабрик и коксохимических заводов. Анализ литературных данных по этому вопросу свидетельствуют о том, что совместная термопереработка этих отходов позволит повысить эффективность их утилизации и улучшить экологическую обстановку в стране. Использование смесей отходов может минимизировать недостатки одного сырья и усилить достоинства другого. Сочетание различных типов углеродных структур, спаянных между собой связующим, позволит синтезировать активные угли с высокой пористостью, сорбционными центрами различной природы и механической прочностью.

Далее, создание поликомпонентных систем, содержащих наряду с углеродом  каталитически активные металлы, – это путь получения адсорбентов селективного действия либо подложек для эффективных катализаторов.

В настоящее время  ресурсы лигнина в Украине  составляют более 5 млн. тонн, запасы низкосортных соленых углей – более 10 млрд. т, запасы смывочно-нефтяных отходов по Украине – не менее 500 тыс. тонн, кроме этого имеются довольно большие количества твердых отходов углеобогатительных фабрик (УФ), коксохимических заводов (КХЗ), около 25 млрд. т, которые являются сырьевой базой для получения активных углей (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Количество промышленных отходов в Украине 

Расширение сырьевой базы для получения активных углей  и оптимизация условий переработки  дешевых и легкодоступных на Украине  низкосортных углей в дешевые  сорбенты, а также утилизация лигнина и накопленных смывочных нефтяных отходов и твердых мелкодисперсных отходов углеобогатительных фабрик, шахт и коксохимических заводов – весьма актуальная и перспективная для Украины задача.

Утилизация шахтного метана из дегазационных скважин  обеспечит:

-   снижение загазованности горных выработок и как следствие этого повышение производительности угольных шахт и обеспечение безопасных условий труда;

-    снижение выбросов метана, который относится к парниковым газам;

-    снижение потребности Украины в дефицитном и дорогом природном газе;

-    выработка собственной электрической энергии и тепла угледобывающими предприятиями.

Утилизация и использование  шахтного метана решает не только экологические  проблемы, но и важна по экономическим  соображениям, поскольку позволяет использовать существенно более дешевое – газообразное топливо для выработки тепловой (в котельной) и электрической энергии [5].

Заключение

В заключение следует отметить, что для снижения выбросов шахтного метана,  необходимо активно внедрять установки по его утилизации для получения электроэнергии, тепла и сжатого газа для заправки автомобилей. Внедрение таких установок позволит улучшить экологическую обстановку в Донбассе.

При написании данного  реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Шендрик Т.Г., Пащенко Л.В., Симонова В.В., Дроздов В.А. Донбас-2020: охорона довкілля та екологічна безпека: Науково-практична конференція / Т.Г. Шендрик и др. – м. Донецьк – 21-22 листопада 2001 р.
2. Шахтный метан в России // IEA – Международное энергетическое агентство. – Январь 2010. – 73 с.
3. Кузьменко И.Ф., Рубцов А.И., Довбиш А.Л. Технология комплексной переработки шахтного газа с получением товарного сжиженного метана // Технические газы. – 2010. – №3. – c. 36-37.
4. Zahradnik R. Conversion оf Соаl Міnе Methane tо LNG for Heavy Vehicle Fuel / R. Zahradnik // Western States Coal Mine Methane Workshop. – Арrіl 19. – 2005. – 30 р.
5. Utaki Т. Development of coal mine methane concentration technology for reduction of greenhouse gas emissions / T. Utaki // Science China Technological Sciences. – January 2010. – Vol. 53. – № 1. – p. 28-32.
6. Coal Mine Methane and LNG // EPA – Environmental Protection Agency USA / Air and Radiation 6207J. – November 2008. – 5 р.
7. Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Сборник трудов международной научно-практической конференции. – Донецк, ДонНТУ Министерства образования и науки Украины, 2011 – с. 124–127.