Почему стоит задача сконцентрироваться на улавливании метана и использовании его в качестве энергетического ресурса?

Вопрос снижения эмиссии метана имеет энергетические, экономические преимущества, а также преимущества связанные с вопросами безопасности угледобычи и охраны окружающей среды. Во-первых, метан - сильнодействующий парниковый газ с коротким периодом жизни в атмосфере, поэтому снижение его эмиссии может повлечь значительный и сравнительно быстрый эффект. Кроме того, метан является основной составляющей природного газа. Следовательно, извлечение и утилизация метана обеспечивает получение ценного, чистого энергетического ресурса, который способствует повышению качества и уровня жизни общества, получения дополнительного дохода.

Производство энергии из извлеченного метана также позволяет избежать использования таких высоко эмиссионных энергетических ресурсов, как дерево, уголь и мазут. Это может снизить выделение эмиссии СО₂ и других загрязнителей воздуха от электростанций, таких как сернистый ангидрид (основной инициатор кислотных дождей), микрочастиц (провоцирующих поражение органов дыхания), следов других опасных загрязнителей. Улавливание метана на угольных шахтах позволяет повысить безопасность за счет снижения риска взрывов метановоздушной смеси в угольных шахтах.

Одним из первых и существенных международных инициатив по организации снижения эмиссии парниковых газов был Киотский протокол

Определены четыре технологии извлечения метана по международной терминологии:

1) «VAM»-Ventilation Air Methane. Метан исходящей вентиляционной струи, концентрация метана в воздухе менее 1%;

2) «CSM»-Coal Seam methane. Метан из угольных пластов действующих шахт, концентрация 25-60%;

3) «CMM»-Coal Mine Methane. Метан из закрытых угольных шахт, концентрация - 60-80%;

4) «CBM»-Coal Bed Methane. Метан из неразгруженных угольных пластов, извлекаемый с помощью скважин, пробуренных с поверхности, концентрация более 95%.

Все эти технологии схематически представлены на рис.5.

Вопрос особой важности – использование метана вентиляционных струй угольных шахт.

По данным ЕРА – Агентства по охране окружающей среды (данные 2003 г.) глобальной эмиссии вентиляционной струи в 2000 г. 230 млн.т в СО₂ эквиваленте (16 млрд.м³ метана) и составят в 2020 г. более 300 млн.т СО₂ (21 млрд.м³ СН₄).

Наиболее значимые результаты в технологии «VAM» использования вентиляционного метана достигнуты в Австралии [VAMTOELECTRICITY – FIRSTCOMMERCIALINSTALLATION.Richard Mattus MEGTEC Systems.Alabama Symposium on Coalbed Methane, 2004.– доклад 0436].На практике реализована технология получения электричества из исходящей вентиляционной струи, в результате сжигания низко концентрированного метана (объемная концентрация 0,3…0,8%) в горелках. Шахтная вентиляционная струя расходом 255 тыс. м³/час может дать приблизительно в 5 МВт электричества. В Австралийском проекте «WestVAMP» достигнуто преобразование в тепло и электричество приблизительно одной пятой части вентиляционной струи. Для преобразования энергии использована энергосистема «VOCSIDIZER». 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 (рис. 6).

Пар может использоваться для вращения турбины, составляя тем самым основу электростанции. «VOCSIDIZER» представляет также интерес для пользователя низкотемпературной энергии, без выбросов оксидов азота. Декларируемая эффективность использования энергии (тепло и электричество) энергосистемы «VOCSIDIZER» - приблизительно 98%. Конструктивная реализация энергоустановокпредусматривает 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.

Первый проект был продемонстрирован в 1994 г. на экспериментальном участке «BritishCoal» в Великобритании. Энергоустановка перерабатывала 8000 м³/час воздуха с содержанием метана 0,3-0,6%. Второй экспериментальный участок был реализован в 2001г. на шахте «BHP’sAppinMine» в Австралии. Установки «VOCSIDIZER» работали в течение года и продемонстрировали использование 90% энергии в виде горячей воды. Установка работала автономно при концентрации метана 0,2%, при этом предельный энергетический предел работы составляет 0,1%.

Последующий проект «WestVAMPatBHPBilliton» в Австралии сформирован на четырех установках «VOCSIDIZER» свложенными стальными паровыми трубами для обеспечения перегретым паром турбин электрогенераторов. Вложенные трубы в установках «VOCSIDIZER» формируют часть потока традиционного парового котла. Другие компоненты цикла получения пара для электрического генератора также являются традиционными и хорошо проверенными технологиями (подача воды и управление, конденсатор в системе охлаждения и т.д.).

Разработчики отмечают, что самое эффективное использование реализуется при производстве тепловой энергии, которая может быть получена с помощью простейших теплообменников. Однако наиболее интересным представляется генерация электроэнергии для собственных нужд или в общей сети. Этот источник топлива может быть квалифицирован как экологически чистый, сокращающий выбросы парникового газа, что приобретает еще большую значимость. Например, 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.

Отмечается также интересный энергетический резерв: если существует потребность в «холодной» энергии, например, в условиях разработки глубоких шахт, часть электричества может быть задействована для подъема охлаждающей воды и использования этой воды на абсорбционных охладителях. В соответствии с представленным примером, понизив генерацию электричества до 16 МВт, можно получить еще 38 МВт «холодной» энергии.

К отработанным технологиям использования метана вентиляционной струи это его подача в качестве воздушного дутья в котельных и сжигание в газовых турбинах с предварительным повышением концентрации до 2-2,5 %.

Масштабное использование вентиляционного метана в существующих условиях требует значительных материальных средств на реализацию, а также перемен в системах проветривания шахт и пересмотра требований техники безопасности. Однако, учитывая огромный энергетический резерв вентиляционной струи, в перспективе эти технологии выйдут на экономически оправданный уровень.

За рубежом в развитых странах используется до 80% извлекаемого СН₄ систем дегазации.