Ренція «комплексне використанння природних ресурсів» (12 грудня 2011 року, м. Донецьк, Україна) збірка доповідей студентів та аспірантів донецьк, Доннту 2011

Вид материала

Документы

Содержание Рациональное использование метана в условиях Шахтный метан и его рациональное использование Метан угольных месторождений украины – перспективы добычи и использования

Подобный материал:

• Науково-практичної інтернет-конференції економічна політика країн єс 17 жовтня 2011, 3470.85kb.
• Вісті Донецького гірничого інституту. 2010. №1 С. 224-234, 84.45kb.
• Автоматизовані системи управління підприємством з використанням програмного забезпечення, 27.05kb.
• Україна міністерство екології та природних ресурсів україни, 267.7kb.
• Міністерство освіти І науки України, 230.2kb.
• Оперативна хірургія І топографічна анатомія методичні вказівки до практичних занять, 1400.78kb.
• Субота, 17 грудня 2011 року, №№100-101 (№№11460-11461), 546.54kb.
• О. М. Кривуля, доктор філософських наук, професор ректор Хар, 2049.65kb.
• Погоджен о, 35.37kb.
• «Україна І світ: гуманітарно-технічна еліта І соціальний прогрес» Міжнародна науково-теоретична, 43.81kb.

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАНА В УСЛОВИЯХ

ШАХТЫ ИМЕНИ А.А. СКОЧИНСКОГО


Гутник Д., Кравчук Е., Артамонов В. Н.


По количеству выбросов метана угольных шахт в атмосферу Украина занимает пятое место в мире. В результате работы угольной промышленности страны выделяется около 1,2 миллиарда кубометров метана в год. Примерно 15 процентов объема каптируется (то есть улавливается) системами дегазации шахт, а используется не более половины каптированного количества. Таким образом, большая часть шахтного газа выбрасывается в атмосферу. Согласно рамочной конвенции ООН по изменению климата метан принадлежит к газам, которые, по мнению специалистов, существенно влияют на создание парникового эффекта, т. е. удержанию тепла в атмосфере Земли. Объем удержания тепла тем или иным «парниковым газом» измеряется относительно двуокиси углерода (СО₂). Считается, что за 100 лет метан способен удержать в 21 раз больше тепла в атмосфере, чем то же количество СО₂. Метан и «парниковые газы» выделяются в атмосферу в результате естественных процессов, а также деятельности человека, в том числе при добыче угля.

Объект исследования – шахта им. А.А. Скочинского и выделяемый ею газ метан. Предмет исследования – технологии по рациональному использованию метана согласно его характеристикам на данной шахте.

Промышленная добыча и использование шахтного метана положительно повлияет на экономику Украины, состояние окружающей среды и работу угольной промышленности, что очень актуально в настоящее время. Идея утилизации метана, в изобилии присутствующего в угольных пластах страны, возникла около 50 лет назад. Однако до недавнего времени эта идея не получила практического воплощения в промышленных масштабах, которая принесла бы следующие результаты:

• будет освоен альтернативный вид топлива, которое уменьшит зависимость Украины от импорта энергоносителей, прежде всего природного газа из России и других стран СНГ;
  
• снизится объем выбросов метана (одного из наиболее сильных «парниковых газов») в атмосферу угольными предприятиями Украины;
  
• работа шахт станет более продуктивной и безопасной.
  

Но как показал опыт шахты им. Засядько, себестоимость шахтного метана — с учетом затрат на обслуживание многочисленных дренажных скважин и компьютерной системы управления заслонками, а также амортизации уникального оборудования — втрое превышает цену импортного природного газа.

Цель работы – осуществление дегазации угольных пластов для безопасности труда шахтеров, использование добытого газа для обеспечения определенной экономии затрат на эти жизненно необходимые мероприятия, а также можно обеспечивать газом энергетические потребности только самой шахты, что принесет ощутимый экономический эффект.

Одной из шахт, где целесообразно разработать и внедрить проект извлечения и утилизации метана, является шахта имени А.А. Скочинского. Это обусловлено наличием значительных запасов метана, высокой удельной газоносностью угольных пластов в пределах горного отвода шахты, а также значительным уровнем годовой добычи угля. Размер площади земельного отвода шахты составляет 80 км² с запасами метана около 6,8 млрд. м³. Шахтное поле содержит 30 угольных пластов общей мощностью 12,25 м; газоносность угольных пластов колеблется от 16 до 21м3/т.

Шахта им. А.А.Скочинского разрабатывает опасный по внезапным выбросам угля и газа угольный пласт h₆¹. На данный момент дегазируется 1-я западная лава центральной панели пла­ста h₆¹ и 5-я западная лава западной панели пласта h₆¹. Концентрация метана на выходе из дегазационной скважины равна примерно 9%. С момента начала работы дегазационной скважины метан ничем не улавливался и не использовался в хозяйстве шахты. Проект по дегазации осуществляется для соблюдения техники безопасности, т. к. пласт h₆¹ считается газообильным (табл. 1). Схема проветривания выемочного участка - возвратноточная с выдачей исходящей струи на выработанное пространство.

Наиболее рациональный способ использования извлеченного метана – подача его на котельные и использование для получения энергии. В настоящее время котельные на шахте работают от угля, что ведет к необходимости их переоборудования для работы с газом.

Внедрение систем дегазации и утилизации шахтного метана в блочно-модульных котельных позволит:

• обеспечить на шахтах взрывобезопасные условия труда (снижена угроза взрыва);
  
• значительно увеличить объемы и темпы угледобычи;
  
• эффективно использовать выведенный на поверхность метан для переработки его в электроэнергию;
  
• сократить расходы на тепло- и электроэнергию;
  
• сократить расход первичного топлива (угля) на внутренние нужды;
  
• решить проблемы эколого-экономического характера, а именно: снизить загрязнения окружающей среды;
  
• значительно снизить экологические платежи за выбросы метана в атмосферу.
  

Таблица 1 - Качественная характеристика пласта

Лава	Вынимае-мая мощность, м	Мощность угольных пачек, м	Плотность угля, т/м3	Зольность угля, %	Влажность угля, %	Выход летучих, %	Природная метаноно-сность, м3/т с.б.м.
1-я западная УПЦП	1,75	1,55	1,35	35,2	2,1	31	19
5-я западная ЗП	1,45	1,4	1,35	29,5	2,1	32,1	19

На основе анализа технические характеристики работы некоторых котельных, работающих от газа, можно заметить, что большинство котельных требует концентрацию метана от 25% и выше. Условием рационального использования метана на шахте им. А.А. Скочинского является выбор более сложных технологий по работе с газом, где концентрация метана менее 25%. При утилизации шахтного метана данной концентрации необходимо учитывать возможные взрывоопасные свойства смеси.

Для более четкого понимания следует обратить внимание на то, что сжигание метана происходит во взрывоопасном диапазоне. При сжигании метановоздушной смеси необходимо наличие метана с процентным содержанием в смеси около 7 % для сжигания всех углеродных и водородных элементов составляющих в газах CH₄, CO₂, а также H₂O. Сжигательные установки устроены таким образом, что диапазон горючей (взрывоопасной) смеси находится в контролируемой зоне на выходе из горелки, где процесс сжигания непрерывно контролируется через реле контроля горения.


ШАХТНЫЙ МЕТАН И ЕГО РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ


Старокольцева А., Артамонов В. Н.


Мировые запасы метана угольных пластов превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн. кубометров. На долю Украины приходится примерно 8-25 трлн. кубометров. Однако значительная часть метан угольных пластов находится в связанном состоянии и лишь незначительное его количество — в свободном и растворенном виде. Поэтому до сегодняшнего дня объемы добычи и использования метана незначительны: несколько сот млн. куб. м. Суммарные извлекаемые запасы метана угольных пластов в Украине на уровне 900 млрд. куб. м. По данным Минуглепрома, запасы шахтного метана в Донецкой и Луганской областях оцениваются в 7—8 трлн. куб. м, а себестоимость его добычи может составить около $100—120 за 1000 куб. м.

Интенсивные работы по извлечению метана уже ведутся в США, Австралии, Китае, Канаде, Польше, Германии и Великобритании.

Метан, содержащийся в угольных пластах и вмещающих породах, является постоянным, длительным по времени и значительным по интенсивности источником загрязнений атмосферного воздуха, способствующий ухудшению экологического состояния окружающей среды. Также метан относится к «парниковым» газам, и его добыча позволит сократить выбросы в атмосферу в несколько раз. По количеству выбросов метана угольных шахт в атмосферу Украина занимает пятое место в мире. По подсчетам специалистов, в Украине утилизируется лишь десятая часть шахтного метана. А он, в свою очередь, представляет опасность не только для окружающей среды, но также для жизни и здоровья человека.

Для добычи газа из газоносных пород во время и после добычи угля в зависимости от нужд шахты используются различные системы дегазации метана. Дегазация позволяет снизить стоимость проветривания горных выработок, сократить простой оборудования и повысить безопасность работы. Она выполняется бурением трех типов буровых скважин: вертикальных с поверхности, подземных горизонтальных и наклонных, которые проходят через угольные пласты и вмещающие породы. Каждый из этих способов имеет свои особенности.

Бурение вертикальных скважин осуществляется до начала горных работ, чтобы обеспечить добычу газа с высоким содержанием метана (свыше 95%). Такие скважины можно бурить с поверхности на рабочий угольный пласт и вмещающие породы. Если газоносность пород на участке очень высокая, дегазационные скважины чаще всего бурят за 5-10 лет до начала горных работ. Такие буровые скважины позволяют добывать из угольных пластов до70% метана.


Таблица 1 – Оценка геологических ресурсов метана угольных пластов в различных странах мира (данные 2010 года).

Страны	Запасы метана, трлн м³
Россия	78
США	60
Китай	28
Австралия	22
Индия	18
Германия	16
ЮАР	13
Украина	8
Казахстан	8
Польша	3

Газ, который добывают из техногенных буровых скважин, чаще всего содержит от 20 до 80% метана. В настоящее время в Украине есть лишь два участка, на которых пробурены вертикальные скважины для предварительной дегазации и осуществляется добыча метана.

Бурение скважин возможно и из подземных выработок. Они предназначены для дегазации отрабатываемого массива угольного пласта. Их длинна на угольных месторождениях ведущих стран мира составляет от 120 до 240 м, а иногда более 1000 м. В Украине из-за отсутствия современного бурового оборудования такие скважины бурят на 30-50 м. для этого способа характерна более низкая эффективность дегазации по сравнению с вертикальными скважинами которая составляет от 10 до 50% общего объема газа метана на месте залегания.

На шахтах Украины чаще всего применяют наклонные буровые скважины, с помощью которых осуществляется дегазация пород, которые залегают ниже и выше рабочего пласта. Газ из этих скважин, как правило, содержит от 30 до 80% метана, при этом эффективность дегазации составляет 20% общего объема газа на месте залегания. С помощью трубопроводов дегазационные буровые скважины соединяют с центральной вакуум-насосной или компрессорной станцией.

Наиболее перспективными объектами для промышленной разработки ресурсов шахтного метана в Украине являются 29 шахт Донецкого бассейна, где годовые объемы добычи угля превышают 250 тыс. т, удельное содержание метана в нем более 20 кубометров на тонну, а запасов достаточно для эксплуатации шахт в течение не менее десяти лет, рассказывают в пресс-службе Минприроды. По данным министерства, крупнейшие проекты по утилизации и использованию шахтного метана сегодня осуществляются на шахтах «Комсомолец Донбасса», «Краснодонуголь» и шахте им. Засядько. Все они используют механизмы Киотского протокола.

Разработан целый ряд способов по применению шахтного метана: подача метана в газопроводы природного газа, его использование в процессе производства электроэнергии, добавление к другим видам топлива в бойлерных, обогрев районов, шахт, осушение угля, использование в качестве транспортного топлива, факельное сжигание, а также применение в производственных процессах, например, в качестве сырья в производстве углеродной сажи, метанола и простого диметилового эфира. При очень низкой концентрации метана в отработанном воздухе шахт можно подвергать шахтный метан окислению и использовать выделяемую тепловую энергию для обогрева, производства электроэнергии и для охлаждения.

Промышленная разработка и утилизация метана угольных месторождений в Украине окажет положительное влияние на экономику страны, в частности на угольную промышленность и, кроме того, благоприятно скажется на состоянии окружающей среды. Реализация проекта по извлечению метана на угольных месторождениях позволит обеспечить следующее:

• альтернативный источник топлива, что сделает Украину менее зависимой от импорта топлива, в частности природного газа из России и других республик СНГ;
  
• улучшение экологии за счет сокращения выбросов парникового газ метана украинскими шахтами;
  
• повышение безопасности труда шахтеров;
  
• рост производительности труда.
  

МЕТАН УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УКРАИНЫ – ПЕРСПЕКТИВЫ ДОБЫЧИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ


Старосотникова Я.С., Макеева Д.А.


Мировые запасы метана угольных пластов превышает запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн.м³. На долю Украины приходится примерно 12-25 трлн.м³. Из них около трех-четырех триллионов м³ составляют промышленные запасы - это почти в 50 раз выше нынешнего ежегодного потребления природного газа в стране. Есть все технологические возможности в ближайшем будущем довести годовую добычу шахтного метана до трех миллиардов кубометров в год.

Метан, содержащийся в угольных пластах и вмещающих породах, является постоянным, длительным по времени и значительным по интенсивности источником загрязнений атмосферного воздуха, способствующим ухудшению экологического состояния окружающей среды. Однако метан относится к так называемым «парниковым» газам, и его переработка позволит сократить выбросы в атмосферу в несколько раз. По количеству выбросов метана угольных шахт в атмосферу Украина занимает пятое место в мире. По подсчетам специалистов, в Украине утилизируется лишь десятая часть шахтного метана. В результате работы угольных шахт страны выбрасывается в атмосферу около 1,2 миллиарда кубометров метана в год. Метан - это опасность отравления и взрывов, и традиционный подход был направлен, главным образом, на проблемы избавления от него. Так, примерно 15 процентов объема метана улавливается системами дегазации шахт, а используется не более половины улавливаемого количества. Большая часть шахтного газа выбрасывается в атмосферу. В мировой практике уже имеется опыт комплексной дегазации угольных месторождений и использования полученного метана.

Проанализировать ситуацию с использованием метана на некоторых шахтах Луганской и Донецкой области. Обосновать рациональность и перспективность использования шахтного метана.

Метан – это бесценное топливо, которое может использоваться как для заправки автомобилей, так и для других нужд народного хозяйства. Достаточно его просто извлекать из угольных пластов и использовать в производстве. Применение метана в качестве топлива для автотранспорта обходится намного дешевле бензина или дизельного топлива.

Кроме того, метан не так вреден в качестве топлива. Использование его как альтернативного вида топлива для автомобилей уменьшает вредные выбросы в атмосферу углеводородных соединений в 5-10 раз, оксида азота - вдвое, а также позволяет полностью исключить выбросы сажи и свинца, которые, не секрет, могут привести к тяжелым болезням. Так, результаты исследований ученых Швейцарии, Австрии и Франции показали, что около 6% всех смертельных случаев в Европе связаны с автомобильными выбросами. Метан щадит не только легкие людей, но и "здоровье" машины. Он не содержит вредных примесей, которые загрязняют топливную систему автомобиля и образуют нагар, а значит, исключает любые детонационные процессы в двигателе. Таким образом, его применение экономически выгодно и экологически целесообразно.

Общие ресурсы подземного газа только в Донецкой области оцениваются  приблизительно до 9000 млрд.м³. Наибольшие запасы содержатся в Красноармейском и Донецко-Макеевском промышленных районах. Ресурсы метана в рабочих угольных пластах оцениваются в 500 млрд.м³. В прошлом 2010 году в Донецкой области в процессе шахтной дегазации было извлечено  0,2333 млрд. м³ метана, а с помощью вентиляции – 0,557 млрд. м³. Ресурсы использования подземного газа очень велики.

Примером использованием метана могут служить некоторые шахты Луганской и Донецкой области. На сегодняшний день в мировой практике существуют три варианта добычи и использования шахтного метана. Первый из них — это предварительная дегазация, то есть добыча газа с помощью бурения скважин до начала выемки угля. Концентрация метана в полученном таким способом газе достигает 90%. На Донецких шахтах «Трудовская» и им. Засядько, где эта технология применяется, добытый газ используется главным образом как топливо для своего автотранспорта. Самым распространенным в Донбассе является поточная дегазация в процессе горных работ. Так получают метановоздушную смесь с концентрацией метана от 30 до 50%. Смесь эта пригодна для использования в когенерационных установках. Шахта им. Засядько активно применяет этот метод. Компания «Синапс» спроектировала и ввела в эксплуатацию первую очередь когенерационной электростанции, мощность электрической и тепловой энергии которой составила 36 МВт и 35 МВт соответственно. После запуска второй очереди общая проектная мощность электростанции превысит 131 МВт, что сделает ее самой большой в мире станцией, работающей на шахтном метане. Сейчас шахта полностью обеспечивает себя электричеством и теплом, на метане работает и автотранспорт, а ежегодное количество выбросов парниковых газов снизилось на 2,5 млн тонн углекислого газа. Это позволило шахте продать австрийцам и японцам прошлогодние квоты на выбросы парникового газа на 2,5 млн евро.

На сегодняшний день в Луганской области действует 36 угледобывающих шахт, выделяющих метан. Дегазация угольных пластов осуществляется на 15 шахтах при обработке 19 выемочных участков. Шахтами Луганской области в атмосферу выбрасывается в настоящее время 258,6 млн. м3 метана/год. Максимальное его количество – 146,4 млн. м³ сейчас приходится на ОАО «Краснодонуголь». Также газ метан утилизируется на котельных шахты им. Засядько, шахты «Красноармейская-Западная №1», Бажанова, «Холодная балка», им. Кирова, «Коммунарская», «Щегловская Глубокая». Обогрев стволов производится на шахте «Щегловская», в шахтоуправлении «Донбасс» и «Чайкино» госпредприятия «Макеевуголь», выполняются работы на шахтах «Комсомолец Донбасса» и «Красноармейская-Западная».

На угольных шахтах Донбасса накоплен большой опыт по проведению дегазационных работ и работ по извлечению метана угольных пластов путем бурения, как подземных скважин, так и скважин с поверхности на полях действующих шахт.

Снижение содержания метана в шахтной атмосфере позволит не только сократить до минимума потенциальную возможность взрывов метана и улучшить состояние техники безопасности и условия труда, но и, сняв ограничения по газовому фактору, повысить темпы проведения подготовительных выработок, нагрузку очистных забоев, увеличить объемы добычи угля. Все это, вместе с переходом на потребление при добыче угля собственной электроэнергии, позволит значительно повысить экономические показатели работы угольных шахт. Снижается потребность народного хозяйства угольных регионов в электроэнергии и тепле, что позволяет уменьшить особую потребность в природном газе.

Однако, в Украине существуют проблемы, связанные с извлечением и переработкой метана. Прежде всего, это связано с различной газоносностью угольных пластов и околоугольных пород, устаревшими системами дегазации или их отсутствием. Система дегазации шахт в Украине значительно отличается от европейской. У нас ее проектировали на выброс полученного метана за пределы горной выработки, не учитывая перспектив использования этого газа в качестве топлива. Поэтому его большая часть уходит через системы вентиляции. В системе дегазации у нас до сих пор используются ржавеющие металлические трубы, а также вакуум-насосные станции с водокольцевыми насосами, что приводит к попаданию в извлекаемый газ значительного количества воды. Из-за плохой герметичности в метан также проникают воздух, а ввиду отсутствия подземной системы фильтрации — угольная пыль. Его нужно дополнительно очищать. Но средств для полной замены оборудования в системе дегазации у большинства шахт сегодня нет. К примеру, чтобы внедрить новую дегазационную систему на шахте «Комсомолец Донбасса», только в этом году компании ДТЭК понадобится 19,5 млн гривен. У многих, в основном государственных, шахт не хватает денег и на установку систем утилизации метана. Однако, эта проблема может решаться за счет того, что добычу шахтного метана можно финансировать за счет привлечения средств от реализации Киотского протокола. Эту возможность открывает один из его механизмов — проекты совместного осуществления. Так, снизив выбросы парниковых газов, впоследствии предприятия смогут продать полученные единицы сокращения выбросов (ЕСВ) на международном рынке. По различным оценкам, ежегодно под отдельные проекты в Украине этот механизм позволит привлекать от 1,5 до 50 млн евро. К примеру, на шахте с высоким выходом газа на эти деньги можно построить когенерационную станцию. Затем, чтобы улучшить качество извлекаемого метана, вложить средства в модернизацию системы дегазации, а после этого вполне можно увеличить мощность станции, что опять-таки принесет дополнительные средства от желающих купить единицы сокращения выбросов. На сегодняшний день в Донецкой области в стадии реализации находится 25 метановых проектов. Они должны обеспечить снижение выброса метана в атмосферу на 32 млн. т эквивалента СО₂.В настоящее время Государственная комиссия Украины по запасам полезных ископаемых разрабатывает инструкции по применению Классификации запасов и ресурсов государственного фонда недр Украины для подсчета запасов залежей метана угленосных толщ. ГКЗ Украины разработала Концепцию выполнения работ, согласно которой метан рассматривается не как сопутствующее, а как самостоятельное полезное ископемое комплексного метаноугольного месторождения, а подсчет добываемых запасов метана совершается по стадиям дегазационных работ во время разработки угля. Многие зарубежные компании заинтересованы в сотрудничестве с Украинскими шахтами. Так, например, компания «Green Gas International» (Green Gas) и угледобывающая компания «Краснодонуголь» заключили договор по утилизации шахтного метана на шахтоуправлении «Суходольское-Восточное». Ожидается, что эксплуатационная фаза проекта начнется в четвертом квартале 2010 года. Его реализация позволит утилизировать около 20 млн. м³ метана в год. Ежегодное сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу, таким образом, составит от 200000 до 250000 тонн в год в эквиваленте СО₂. Шахтауправление «Суходольское-Восточное» является первым проектом Green Gas по утилизации шахтного метана в Украине и очередным проектом компании в Восточной Европе. Работы в шахте ведутся на глубинах до 1000 метров. Они осложнены наличием природного метана, выводящегося на поверхность существующими системой вентиляции и системой дегазации, эффективность которых необходимо повысить для дальнейшего увеличения добычи угля. В результате, будут улучшены условия добычи угля и безопасность работников шахты. Благодаря увеличению объемов дегазации и наличию стабильного и контролируемого источника метана, повысится потенциал тепло- и энергоснабжения на шахтоуправлении «Суходольское-Восточное». В рамках Киотского Протокола появляется возможность монетизации сокращений выбросов шахтного газа в атмосферу.

Выполнение программ рациональной добычи метана даст возможность значительно повысить уровень безопасности труда шахтеров за счет реализации проектов комплексной дегазации угольных шахт; предотвратить возникновение чрезвычайных ситуаций на закрытых шахтах; создать условия для использования значительного объема метана как альтернативного энергоресурса; обеспечить увеличение спроса на продукцию отечественных производителей, в частности труб, оборудования и материалов, которые используются для бурения специальных скважин на поверхности земли и в подземных условиях; уменьшить объем выбросов метана; создать более чем 14 тыс. новых рабочих мест, необходимых для реализации проектов по добыче и использования метана. Не вызывает сомнений, что газ метан, извлеченный на основе промышленного экономически выгодного проекта, будет иметь рынок сбыта и будет способствовать улучшению экономической ситуации в Украине в целом.