Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для теплоснабжения и электроснабжения зданий и сооружений, а также различных технологических нужд, использующих горячую воду, воздух, пар. Способ позволяет использовать как кондиционный (содержание метана в метановоздушной смеси выше 25%), так и некондиционный (СН₄<25%) шахтный метан для выработки тепловой и (или) электрической энергии.

Известен способ обеспечения взрывобезопасности технологического оборудования и производственных помещений путем флегматизации горючих газовых смесей |1|.

Известен также способ, наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому. Способ заключается в определении пределов воспламенения газовых смесей с использованием правила аддитивности, основанного на предположении, что свойства горючих газов зависят от их объемного содержания в смеси. Определение пределов воспламенения технических газов, содержащих инертные примеси, можно производить по формуле, но с использованием экспериментальных данных, характеризующих зависимость пределов воспламенения от содержания балласта в газе |2|.

Задачей изобретения является разработка способа утилизации шахтного метана, позволяющего использовать как кондиционный, так и некондиционный метан для выработки тепловой и (или) электрической энергии и технологических нужд.

Технический результат заключается в обеспечении возможности использования некондиционного метана для выработки тепловой и (или) электрической энергии и технологических нужд.

Технический результат достигается, тем, что в способе утилизации шахтного метана, заключающемся в процессе флегматизации взрывоопасной смеси путем ее разбавления, например, продуктами сгорания с последующим превращением смеси в горючую, в состав метановоздушной смеси с содержанием метана 21%<СН₄<25% флегматизатор добавляют в количестве, заключенном в пределах 18,06-47,06%, а снижение доли флегматизатора для превращения смеси в горючую осуществляют разбавлением смеси воздухом в количестве соответственно 41,14-37,4%.

Изобретение иллюстрируется графиками и схемой установки.

На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость верхнего концентрационного предела воспламенения смеси метан + воздух + флегматизатор от доли флегматизатора в воздухе (нижняя кривая).

Расчетная зависимость концентрации метана в смеси метан + воздух + флегматизатор для равновесной температуры Тт=307°С от доли флегматизатора в воздухе (верхняя кривая).

На фиг.2 - количество флегматизатора для поддержания равновесной температуры МВС Тт=307°С.

На фиг.3 - количество флегматизатора и дополнительного воздуха для достижения равновесной температуры МВС Тр=824°С.

На фиг.4 представлена принципиальная схема энергетической установки, обеспечивающей утилизацию кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси: вакуум-насосная установка (ВНУ) 1 системы дегазации, горелочное устройство 2, утилизационная установка 3, регулирующая воздушная заслонка 4, газовая заслонка 5, огнепреградители 6, дымоход 7, регулирующая заслонка 8 газопровода В, продувочная свеча 9, пропорционизатор 10 для измерения концентрации метана и регулирования расхода флегматизатора, пропорционизатор с вентилятором 11 для коррекции расхода воздуха на горение по составу уходящих газов, трубопровод А от ВНУ, газопровод В подачи флегматизатора, линия сброса в атмосферу С.

Способ предлагает решать проблему превращения потенциально взрывоопасной смеси в невзрывоопасную ее балластированием инертными добавками (флегматизаторами), снижающими энтальпию смеси. Увеличение энтальпии смеси может быть достигнуто снижением доли флегматизатора, что предлагается реализовать с помощью дополнительного воздуха, добавляемого в смесь.

Самовоспламенение или зажигание топливно-воздушной смеси, представляющей собой перемешанную смесь горючего и окислителя, определяется составом смеси, ее температурой, давлением, временем процесса, а также соотношением между теплотой, выделяемой в результате реакции и отводимой из зоны реакции.

На практике, как правило, используются концентрационные пределы воспламенения горючих газов с окислителем и для метана с воздухом эти пределы равны 5÷15% СН₄. В справочной литературе, кроме того, приводятся значения температуры воспламенения, которая для метановоздушной смеси равна 645÷800°С, а для природного газа с воздухом 530÷800°С.

Согласно СНиП, на газоснабжение /1/ использование газовоздушных смесей допускается при содержании горючих и негорючих компонентов в соотношении, обеспечивающем превышение верхнего предела воспламеняемости смеси не менее чем в 2 раза. Для МВС верхний концентрационный предел воспламеняемости по метану равен 15%. При проведении горных работ разрешено утилизировать МВС при содержании метана в смеси более 25%.

Для утилизации потенциально взрывоопасных смесей с содержанием метана <25% энтальпия смеси должна быть понижена до уровня, обеспечивающего ее безопасный транспорт.

Для определения термодинамически безопасных условий транспортировки некондиционных МВС были определены равновесные температуры химического реагирования МВС при концентрации метана от 2,5 до 30% (об.) (табл.1).

Таблица 1 Равновесная температура МВС при изменении концентрации СН4 % C1H4 2,5 4 5 7 9 9,5 10 11 13 , К 580 788 915 1153 1348 1376 1379 1332 1213 , С 307 515 642 880 1075 1103 1106 1059 940 % C1H4 15 16 18 20 22 24 26 28 30 , К 1097 1042 932 827 724 636 600 591 582 , C 824 769 659 554 452 363 328 318 309

Термодинамические расчеты выполнены с помощью компьютерной программы АСТРА, обеспечивающей расчет состава, температуры и других теплофизических характеристик химического реагирования метановоздушной смеси, где теплопотери моделировались уменьшением начального теплосодержания (энтальпии). В реальных условиях теплопотери снижают температуру горения и воспламенения, которая в реальных условиях равна 530÷800°С.

Как для низких (<5%), так и для высоких (>15%) концентраций метана в метановоздушной смеси равновесная температура имеет условное понятие, т.к. время ее достижения может составлять часы, дни, года.

Используемое в табл.1 понятие «равновесная» температура предусматривает установление полного химического равновесия между различными степенями свободы при переходе системы из начального состояния (исходная метановоздушная смесь) в конечное состояние (продукты горения). В условиях термодинамического равновесия состояние определяется элементным составом газовой смеси и значениями двух параметров, например энтальпии и давления смеси. Для установления термодинамического равновесия требуется некоторое время, масштабом которого служит время релаксации. Времена релаксации для различных степеней свободы сильно различаются. При протекании высокотемпературных химических реакций (горение) наиболее медленными определяющими являются процессы диссоциации и рекомбинации молекул, скорости реакций которых связаны между собой принципом детального равновесия.

Согласно расчетам (табл.1), на верхнем концентрационном пределе воспламенения МВС без инертных добавок (15% C₁H₄) равновесная температура равна 1097 К (824°С). Увеличение концентрации метана выше 15% снижает температуру до Тт=582 К (309°С) для 30% C₁H₄ в МВС. Такой же эффект снижения равновесной температуры наблюдается при уменьшении концентрации метана ниже 9,5%. При 2,5% метана в МВС «равновесная» температура, как и при 30% метана, равна Тт=580 К (307°С), являющаяся условно равновесной, т.к. при указанной температуре 300°С время достижения равновесия равно 38 час, тогда как время горения метановоздушной равно 10^-2÷10^-3 сек.

Учитывая, что температура Тт=580 К (307°С), условно достигаемая при 2,5 и 30% СН₄ в метановоздушной смеси существенно ниже (307<530) минимальной температуры воспламенения природного газа с воздухом, смеси с указанной «равновесной» температурой могут безопасно транспортироваться до потребителя.

Проверка принятого допущения возможности безопасной транспортировки МВС при равновесной температуре 307°С и установления связи принятого уровня температуры с концентрацией горючего в смеси проведено сопоставление экспериментальной зависимости /2/ верхнего концентрационного предела воспламенения (фиг.1, нижняя кривая) и концентрации метана в смеси метан + воздух + флегматизатор для равновесной температуры Тт=307°С (фиг.1, верхняя кривая) от доли флегматизатора в смеси с воздухом. Полученные кривые (фиг.1) конгруэнтны. В качестве флегматизатора - инертного разбавителя, исключающего воспламенение, приняты сухие продукты стехиометрического сгорания МВС: 88,33%N₂+11,67%CO₂. Концентрация метана в МВС для верхней кривой варьировалась в пределах от 21 до 25%. Для каждого значения флегматизатора концентрация метана на верхней кривой более чем в 2 раза превышает соответствующее значение на нижней кривой, что согласуется с требованием СНиПа /1/ о двукратном превышении содержания метана в разбавленной газовоздушной смеси по отношению к верхнему концентрационному пределу воспламеняемости.

Для экспериментальных данных верхнего концентрационного предела и расчетных величин концентрации метана забалластированной метановоздушной смеси для Тт=307°С от доли флегматизатора в воздухе были получены регрессионные зависимости:

где х - содержание флегматизатора (%) в смеси флегматизатор + воздух.

На практике может быть востребовано уравнение, обратное (2):

Где a=2,91*10^-4, b=0,3, с=CH₄-27,7.

С помощью уравнения (3) определяется доля флегматизатора (%), которая должна быть добавлена в некондиционную МВС для превращения ее в невзрывоопасную и безопасную для последующего транспорта.

В реальных условиях достижение в МВС равновесной температуры 307°С возможно только при наличии катализатора. Температура МВС из шахты равна Т_шахт=30-40°С. Температура влажных продуктов сгорания из котельной, поступающих на разбавление МВС, равна Т_пг=150÷200°С. В рассматриваемом способе использование катализатора не предусматривается, следовательно, температура МВС с разбавителем будет равна среднемассовой температуре T₁=50÷120°С. При отделении паров воды, содержащихся в продуктах сгорания, в экономайзере среднемассовая температура может быть ниже 100°С. Следовательно, смеси с энтальпией, соответствующей «равновесной» температуре Тт=307°С, безопасны для транспорта и не подвержены воспламенению без увеличения ее энтальпии.

При повышении энтальпии (теплосодержания) смеси, выражающемся в достижении равновесной температуры Тв = 1097 К (824°С), смесь воспламеняется.

Как известно, для зажигания движущейся среды необходимо соблюдение условия: количество тепла, выделяющееся в зоне химической реакции, должно быть больше тепла, отводимого из нее. С этого момента процесс воспламенения становится независимым от запальника и может самостоятельно перемещаться в пространстве. Указанное условие математически выражается соотношением, где концентрационные пределы воспламенения горючих смесей связаны с температурой пламени, начальной температурой смеси, энергией активации и другими параметрами.

Увеличить энтальпию и сделать смесь способной к воспламенению можно несколькими способами: нагревом, обогащением метаном, сокращением относительной доли балласта - флегматизатора.

В данной заявке предлагается увеличивать энтальпию смеси за счет сокращения доли флегматизатора добавлением необходимого количества дополнительного воздуха.

Определяющими параметрами для воспламенения, помимо концентрации горючего в смеси, является требуемый температурный разогрев смеси перед воспламенением, а также соотношение времени нагрева смеси перед воспламенением и горения.

В табл.2 представлены результаты термодинамических расчетов флегматизации МВС для обеспечения ее безопасного транспорта (фиг.2), а также влияние дополнительного воздуха, добавляемого в метановоздушную смесь с флегматизатором, создающего условия для ее воспламенение при концентрациях метана в МВС от 7 до 25% (фиг.3).

Полученные результаты выявили две области по концентрации метана, где конечные результаты принципиально разнятся: в первой области концентрация метана варьируется от 21 до 25%, а во второй - от 7% до 20%.

Для МВС с концентрацией метана от 21 до 25% флегматизация для безопасной транспортировки (Тт=307°С) и последующее увеличение равновесной температуры до Тв=824°С за счет добавления воздуха термодинамически реализуемо (фиг.3), а для МВС с концентрацией метана от 7 до 20% - не реализуемо (фиг.3).

Во второй области (СН₄=7-20%) при понижении теплосодержания смеси до безопасного уровня инертными разбавителями на первой стадии и добавка дополнительного воздуха на второй стадии термодинамически не обеспечивают достижение равновесной температуры 824°С (фиг.3), необходимой для воспламенения. Обеспечить достижение указанных выше равновесных температур 307 и 824°С в смесях МВС+флегматизатор и ВС+флегматизатор+дополнительный воздух возможно при условии, что на второй стадии наряду с добавлением дополнительного воздуха должна добавляться метановоздушная смесь.

Выполненный численный эксперимент выявил, что наличие паров воды в составе продуктов сгорания, используемых в качестве флегматизатора, практически не влияет на конечные результаты нахождения термодинамических условий, при которых МВС становится невоспламеняемой и воспламеняемой.

Предлагаемый способ использования некондиционных МВС в энергетических либо технологических установках предусматривает их двухстадийное преобразование:

- на первой стадии некондиционная метановоздушная смесь с содержанием метана 21%≤C₁H₄≤25% разбавляется флегматизатором - продуктами стехиометрического сгорания метановоздушной смеси - в количестве, обеспечивающем безопасную транспортировку (фиг.2);

- на второй стадии добавляется дополнительный воздух, снижается относительная доля флегматизатора, теплосодержание смеси возрастает до уровня, соответствующего верхнему концентрационному пределу воспламенения (фиг.3).

При термодинамических расчетах первой стадии соответствует равновесная температура 307°С, а второй стадии - 824°С.

На практике для управления процессом флегматизации метановоздушных смесей, содержащих от 21 до 25% метана, получены регрессионные зависимости вида:

Где выражения (4), (5) обеспечивают расчет флегматизатора Y, добавляемого к метановоздушной смеси на 1-й стадии, а выражения (6), (7) обеспечивают расчет дополнительного воздуха Z, добавляемого к метановоздушной смеси, на 2-й стадии при вариации содержания метана в МВС.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

С помощью газоанализатора 10 определяют долю метана в составе метановоздушной смеси (МВС) на выходе из вакуум-насосной станции 1 (ВНС).

Если доля метана в МВС составляет более 25%, то смесь по трубопроводу А направляют непосредственно на утилизацию, например, в горелочное устройство 2 для сжигания.

Если доля метана в МВС составляет менее 25% (21%≤CH₄≤25%), то в состав смеси по газопроводу В из дымохода 7 направляют сухие (CO₂+N₂) или влажные (CO₂+N₂+H₂O) продукты сгорания для ее разбавления с целью флегматизации для безопасной транспортировки. После разбавления МВС продуктами сгорания смесь направляют по трубопроводу А на сжигание, но непосредственно перед горелочным устройством 2 с помощью вентилятора с пропорционизатором «газ/воздух» 11 добавляют необходимое для сжигания количество воздуха.

Если смесь МВС содержит от 7 до 21% СН₄, такая смесь выводится в атмосферу по линии С.

Примеры осуществления способа:

Пример 1. Метановоздушная смесь из вакуум-насосной станции (ВНС) 1 направляют в газоанализатор 10 для измерения концентрации метана и регулирования расхода флегматизатора - продуктов сгорания. Полученный результат измерений газоанализатора 10 представлен составом смеси по объему: 23% метана и 67% воздуха. Смесь взрывоопасна и транспортировке не подлежит.

На первой стадии необходимо исключить взрывоопасность смеси с помощью флегматизатора - продуктов сгорания из дымохода 7. С этой целью по газопроводу В с помощью регулирующей заслонки 8 продукты сгорания направляют в трубопровод А от ВНС 1 для разбавления метановоздушной смеси до исключения ее взрывоопасности. В данном случае добавляют 51,52% влажных или 50,69% сухих продуктов сгорания от 100% объема МВС. Процесс флегматизации понижает энтальпию смеси. При этом соответствующая равновесная температура смеси составляет 307°С. Таким образом, получена взрывобезопасная, невоспламеняемая смесь, которую можно транспортировать к месту утилизации.

На второй стадии полученную 100% зафлегматизированную смесь необходимо привести в состояние, позволяющее использовать ее в качестве источника тепловой и (или) электрической энергии. Для этого осуществляют насыщение смеси воздухом в количестве: 63,9% или 61,9% соответственно для влажной или сухой смеси. Процесс разбавления смеси воздухом повышает энтальпию смеси. При этом соответствующая равновесная температура составляет 824°С, что обеспечивает ее воспламенение и сгорание.

Пример 2. По показаниям газоанализатора 10 в метановоздушной смеси, поступающей из ВНС 1, содержится 10% метана (+90% воздуха). Для достижения равновесной температуры Тт=307°С в смесь на первой стадии должно быть добавлено 322,3% флегматизатора. Приведенная к 100% зафлегматизированная смесь имеет состав: 2,37% СН₄+21,31% воздуха + 76,32% флегматизатора. На второй стадии добавка дополнительного воздуха может обеспечить максимальное повышение равновесной температуры до Тр=330°С, чему соответствует приведенный к 100% состав: 2,34% CH₄+21,02% воздуха МВС + 75,3% флегматизатора + 1,34% дополнительного воздуха. Смесь не воспламеняема, т.к. сильно забалластирована флегматизатором. Для увеличения энтальпии данной смеси до уровня, соответствующего достижению на второй стадии Тр=824°С, доля флегматизатора в смеси должна быть понижена увеличением доли МВС и дополнительного воздуха. Получаем смесь состава: 6,57% CH₄+59,13% воздуха + 30,52% флегматизатора + 3,77% дополнительного воздуха. Удаление из указанной смеси дополнительного воздуха (первая стадия) незначительно уменьшает ее энтальпию (Тт=1087°С). Смесь данного состава: 6,83% СН₄+61,45% воздуха + 31,72% флегматизатора не может транспортироваться потребителю. По действующим нормативам смесь с содержанием 10% СН₄ должна быть удалена в атмосферу по линии С.

Предложенный способ позволяет использовать некондиционные метановоздушные смеси, в том числе шахтный метан, для выработки тепловой и (или) электрической энергии.

Источники информации

1. СНиП 2.04.08-87. Газоснабжение. М., 1991.

2. Б.Льюис, Г.Эльбе. Горение, пламя и взрывы в газах. // Второе издание под ред. Щепкина К.И. - М.: Мир, 1968, с.592. (Прототип).

3. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник в 2-х томах под ред. В.П.Глушко. Т.2. М., 1962, с. С.916.