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

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.

Рис. 1. Зависимость низшей теплотворной способности   шахтного газа от содержания в нем метана

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.

Рис. 2. Принципиальная схема распределения газовых  потоков в мембранном модуле при  разделении шахтных газов

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.

Рис. 3. Зависимость объемной доли метана   в подготовленном газе от давления на входе в ГРБ   при различных исходных содержаниях С0 и отборе   подготовленного газа.   Содержание метана в исходном газе: 1, 2 – 40 %; 3, 4 – 70 %.   Отбор подготовленного газа: 1, 3 – 50 %; 2, 4 – 30 %

 
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.

Рис. 4. Схема мембранной установки концентрирования метана из шахтных газов

 

Рис. 5. Схема мембранной установки осушки шахтного газа

 

 

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].