RU2393354C1 - Procedure for complex utilisation of mine methane, air flow, and hydrocarbon wastes of coal mining and facility for implementation of this procedure (versions) - Google Patents
Procedure for complex utilisation of mine methane, air flow, and hydrocarbon wastes of coal mining and facility for implementation of this procedure (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2393354C1 RU2393354C1 RU2009119377/03A RU2009119377A RU2393354C1 RU 2393354 C1 RU2393354 C1 RU 2393354C1 RU 2009119377/03 A RU2009119377/03 A RU 2009119377/03A RU 2009119377 A RU2009119377 A RU 2009119377A RU 2393354 C1 RU2393354 C1 RU 2393354C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- methane
- air
- mixture
- gas
- supply line
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике, энергоресурсосберегающим процессам рационального использования угольного метана, добываемого дегазационными системами из углепородной массы, использованию шахтного метана, метана вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи.The invention relates to a power system, energy-saving processes for the rational use of coal methane produced by degassing systems from coal mass, the use of mine methane, methane ventilation stream and hydrocarbon waste coal.
Рентабельные запасы метана в пределах шахтных полей в России, которые могут быть извлечены с помощью существующих технологий ведения дегазационных работ, оцениваются в 40-65 млрд м3, являются наиболее доступными для добычи и рационального использования. Извлечение метана из угольных пластов дегазационными системами методом вакуумирования с отводом каптируемой смеси на поверхность является наряду с вентиляцией подземного пространства наиболее распространенным способом создания безопасных условий ведения горных работ при разработке газоопасных пластов. Дегазационные газопроводы на угледобывающих шахтах имеют большую разветвленную протяженность, подземные газопроводы монтируются из труб с фланцевыми соединениями, через которые при некачественном соединении поступает воздух из окружающей среды. Подсосы воздуха в дегазационный газопровод также осуществляются через трещины дегазационных скважин, пробуренных в углепородном массиве, и места соединения дегазационных скважин с газопроводом. В ряде случаев дегазационные трубы соединяются скважинами, пробуренными в углепородном массиве. Устранить полностью поступление воздуха в газопроводы проблематично из-за конструктивных особенностей дегазационной системы. На большинстве шахт концентрация метана на дневной поверхности составляет менее 25%, что исключает использование такого рода смесей согласно существующим нормативным документам, потому они удаляются в атмосферу. На практике получение кондиционного состава (СН4>25%) не является приоритетной задачей на шахтах РФ, качеству дегазационной системы не уделяется должного внимания, а потому создание технологии, обеспечивающей утилизацию некондиционных метановоздушных смесей, является актуальной задачей.Profitable methane reserves within the mine fields in Russia, which can be extracted using existing degassing technologies, are estimated at 40-65 billion m 3 and are the most affordable for production and rational use. Extraction of methane from coal seams by degassing systems by evacuation with removal of the captured mixture to the surface is, along with underground ventilation, the most common way to create safe mining conditions when developing gas-hazardous seams. Degassing gas pipelines in coal mines have a large branched length, underground gas pipelines are mounted from pipes with flange connections, through which air flows from the environment with a poor connection. Air leaks into the degassing gas pipeline are also carried out through the cracks of the degassing wells drilled in the coal-bearing massif, and the junction of the degassing wells with the gas pipeline. In some cases, degassing pipes are connected by wells drilled in a coal-bearing massif. It is problematic to completely eliminate air intake in gas pipelines due to the design features of the degassing system. In most mines, the concentration of methane on the surface is less than 25%, which excludes the use of such mixtures according to existing regulatory documents, because they are removed to the atmosphere. In practice, obtaining a conditioning composition (CH 4 > 25%) is not a priority in the mines of the Russian Federation, the quality of the degassing system is not given due attention, and therefore the creation of a technology that ensures the disposal of substandard methane-air mixtures is an urgent task.
Использование отработанной вентиляционной струи в качестве дутья в энергетических установках является наиболее целесообразным способом ее утилизации, что подтверждает зарубежный опыт. В России данная технология не практикуется. Для утилизации отработанной шахтной вентиляционной струи должна быть модернизирована система вентиляции. Выход отработанной шахтной вентиляционной струи на дневную поверхность действующих шахтных полей должен быть сосредоточенный, что имеет место на ограниченном числе шахт России. Должна быть организована подача отработанной вентиляционной струи в энергетические установки, которые в свою очередь должны быть модернизированы с учетом содержания в дутье топлива - метана. Стехиометрическое соотношение топливо-окислитель (дутье), вблизи которого, как правило, осуществляется сжигание природного газа, энергетического угля и других углеводородов близко 1:10. Даже незначительное содержание метана в отработанной вентиляционной струе (CH4≤0,75%) вносит существенный вклад в энергетический баланс сжигаемого топлива и должно учитываться при организации процесса горения в энергетической установке.The use of the exhaust ventilation stream as a blast in power plants is the most expedient way of its disposal, which confirms foreign experience. In Russia, this technology is not practiced. To dispose of the spent mine ventilation stream, the ventilation system must be modernized. The output of the exhaust mine ventilation stream to the day surface of existing mine fields should be concentrated, which takes place on a limited number of Russian mines. The exhaust ventilation stream should be organized in power plants, which in turn should be modernized taking into account the content of methane in the blasting fuel. The stoichiometric ratio of fuel to oxidizer (blast), near which, as a rule, the combustion of natural gas, steam coal and other hydrocarbons is carried out at about 1:10. Even a small methane content in the exhaust ventilation stream (CH 4 ≤0.75%) makes a significant contribution to the energy balance of the fuel burned and should be taken into account when organizing the combustion process in the power plant.
Удаление в атмосферу парникового газа метана является негативным моментом угледобывающей отрасли. Разработка технологий, минимизирующих выбросы в атмосферу метана, находятся в русле действующих Киотского протокола и внутригосударственных экологических документов.The removal of methane greenhouse gas into the atmosphere is a negative aspect of the coal mining industry. The development of technologies that minimize methane emissions into the atmosphere are in line with the current Kyoto Protocol and domestic environmental documents.
Известен способ получения электроэнергии при бесшахтной дегазации углей скважинами с поверхности и подземной газификации углей с получением генераторного газа, заключающийся в том, что одновременно с подземной газификацией на одних участках угольного массива, на других близлежащих участках осуществляют дегазацию с удалением метана (RU 2100588, 1997).There is a method of generating electricity during shaftless coal degassing by boreholes from the surface and underground coal gasification to produce generator gas, which consists in the fact that simultaneously with underground gasification in some parts of the coal mass, in other nearby areas, gas is degassed with methane removal (RU 2100588, 1997) .
Известен способ, основанный на процессе фильтрационного горения, позволяющий утилизировать некоторые виды органических веществ, к числу которых углеводородные отходы угледобычи не относятся (RU 2116570, 1998).A known method based on the process of filtration combustion, which allows you to dispose of some types of organic substances, which are not hydrocarbon coal mining (RU 2116570, 1998).
Известен способ утилизации кондиционного шахтного метана в автономной модульной котельной. Некондиционные смеси в установках данного типа не утилизируются (RU 67181, 2007).A known method for the disposal of coal mine methane in a stand-alone modular boiler room. Substandard mixtures in plants of this type are not disposed of (RU 67181, 2007).
Известен способ использования отработанной вентиляционной струи в качестве дутья в энергетических установках. Используется в Австралии, но в России не практикуется (А.Д.Рубан, B.C.Забурдяев, Г.С.Забурдяев и др. Метан в шахтах и рудниках России: прогноз, извлечение и использование. М.: ИПКОН РАН, 2006, с.312).A known method of using the exhaust ventilation stream as a blast in power plants. Used in Australia, but not practiced in Russia (A.D. Ruban, BCZaburdyaev, G.S. Zaburdyaev, etc. Methane in mines and mines of Russia: forecast, extraction and use. M: IPKON RAS, 2006, p. 312).
Наиболее близким к предложенному способу, выбранному в качестве прототипа, является способ использования шахтного метана, включающий транспортировку и применение кондиционной метановоздушной смеси шахтного метана в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, флегматизацию продуктами сгорания некондиционной метановоздушной смеси шахтного метана с установленными верхним и нижним концентрационными пределами содержания метана СН4 в ней, транспортировку, разбавление воздухом и использование ее также в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке (RU 2306423, 2006).Closest to the proposed method, selected as a prototype, is a method of using coal mine methane, including transporting and using a conditioned methane-air mixture of coal mine methane as gas fuel in at least one power plant, phlegmatization by combustion products of a substandard methane-air mixture of coal mine methane with installed upper and lower concentration limits of methane CH 4 in it, transportation, air dilution and use it as as the gaseous fuel to the at least one power plant (RU 2306423, 2006).
В способе прототипа флегматизируют метановоздушные смеси при начальном содержании метана 21%≤CH4≤25% продуктами полного сгорания углеводородного топлива, являющимися смесью инертных газов, для безопасного транспорта смесей по газопроводам до энергетической установки, в которой эти смеси утилизируются, превращаясь в горючие за счет увеличения доли дутья или топлива.In the prototype method, methane-air mixtures are phlegmatized with an initial methane content of 21% ≤CH 4 ≤25% products of complete combustion of hydrocarbon fuel, which are a mixture of inert gases, for the safe transportation of mixtures through gas pipelines to a power plant in which these mixtures are utilized, turning into combustible due to increase in the share of blast or fuel.
Известно устройство для использования шахтного метана, включающее вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси, блок подготовки метановоздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метановоздушной смеси, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана и систему автоматического управления (RU 2306423, 2006).A device for using mine methane is known, which includes a vacuum pump station with a gas analyzer connected to an entrance to an underground mine methane collection system, and an output to a mine methane supply line to a power plant equipped with burners for burning air-conditioned and non-air methane-air mixture, methane-air mixture preparation unit in the mine methane supply line, a substandard methane-air mixture processing unit, a branch with a mine methane emergency removal unit into the atmosphere located in the line mine methane supply and automatic control system (RU 2306423, 2006).
Недостатками известных способов и устройства являются:The disadvantages of the known methods and devices are:
1. Невозможность утилизации некондиционного шахтного метана при любой концентрации метана в каптируемой смеси, количество которого на шахтах России существенно превышает количество кондиционного шахтного метана.1. The inability to utilize substandard mine methane at any concentration of methane in the captive mixture, the amount of which in Russian mines significantly exceeds the amount of conditioned mine methane.
2. Отсутствие возможности полезного использования углеводородных отходов угледобычи, которые на территории большинства шахт хранятся в отвалах, в то же время являясь ценным углеводородным сырьем.2. The lack of opportunities for the beneficial use of hydrocarbon coal wastes that are stored in dumps in most mines, while at the same time being valuable hydrocarbon feedstocks.
3. Каталитическая утилизация отработанной вентиляционной струи из-за низкой рентабельности не внедряется на практике.3. The catalytic disposal of the exhaust ventilation stream due to low profitability is not implemented in practice.
4. Мал концентрационный интервал (21%≤СН4≤25%) некондиционной метановоздушной смеси (МВС), подлежащий использованию в соответствии с технологией, изложенной в прототипе (RU 2306423, 2006).4. Small concentration interval (21% ≤CH 4 ≤25%) of substandard methane-air mixture (MVS) to be used in accordance with the technology described in the prototype (RU 2306423, 2006).
5. Отсутствие возможности комплексного использования некондиционного шахтного метана, отработанной вентиляционной струи, углеводородных отходов угледобычи.5. The lack of the possibility of the integrated use of substandard mine methane, exhaust ventilation stream, hydrocarbon waste from coal mining.
В предложенной группе изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, ставится задача создания технологии и технических средств (технологических схем) ее реализующих, обеспечивающих получение технического результата, выражающегося в рациональном использовании некондиционного шахтного метана от 2,5 до 25% СН4 в исходной МВС при безопасном его транспорте по газопроводам, использовании совместно с вентиляционной струей в энергетических установках с вовлечением углеводородных отходов угледобычи, как при их сжигании в энергетических установках, так и в результате газификации с получением и использованием синтез-газа и с привлечением МВС совместно с вентиляционной струей в качестве дутья.In the proposed group of inventions related by a single inventive concept, the task is to create a technology and technical means (technological schemes) that implement it, providing a technical result, expressed in the rational use of substandard mine methane from 2.5 to 25% CH 4 in the original MVS with safe its transportation through gas pipelines, use in conjunction with a ventilation stream in power plants involving hydrocarbon waste from coal mining, as when burning them in power installations, and as a result of gasification with the production and use of synthesis gas and with the use of MVS together with a ventilation stream as a blast.
Технический результат достигается тем, что в способе использования шахтного метана (СН4), включающем транспортировку и применение кондиционной метановоздушной смеси в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, флегматизацию продуктами сгорания некондиционной метановоздушной смеси с установленными верхним и нижним концентрационными пределами содержания CH4 в ней, транспортировку, разбавление воздухом и использование ее также в качестве газового топлива в, по меньшей мере, одной энергетической установке, согласно изобретению некондиционную метановоздушную смесь с содержанием СН4 в ней ниже установленного нижнего концентрационного предела разбавляют вентиляционной струей, транспортируют и используют ее в качестве дутья при сжигании углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа, причем полученный синтез-газ используют при сжигании углеводородных отходов угледобычи и/или применяют в качестве резервного газового топлива для, по меньшей мере, одной энергетической установки, выполненной в виде теплового аппарата.The technical result is achieved by the fact that in the method of using coal mine methane (CH 4 ), including transporting and using conditioned methane-air mixture as gas fuel in at least one power plant, phlegmatization by the combustion products of a substandard methane-air mixture with established upper and lower concentration limits CH 4 content in it, transportation, air dilution and use it also as the gaseous fuel in the at least one energy SET Application of the invention Substandard methane mixture containing CH 4 therein below the lower concentration limit is diluted with air flow, transported and used it as a blast from the combustion of hydrocarbon waste coal and to produce synthesis gas wherein the synthesis gas used in the combustion of hydrocarbon coal waste and / or used as a backup gas fuel for at least one power plant, made in the form of a thermal apparatus.
Способствует достижению технического результата то, что:Contributes to the achievement of the technical result that:
- флегматизацию части некондиционной метановоздушной смеси шахтного метана осуществляют с учетом концентрационных пределов воспламенения разбавленной воздухом флегматизированной продуктами сгорания метановоздушной некондиционной смеси СН4 в зависимости от содержания флегматизатора в смеси с воздухом при каждом значении содержания СН4 в смеси для транспортировки и необходимого количества воздуха при последующем разбавлении метановоздушной некондиционной смеси СН4;- phlegmatization of part of the substandard methane-air mixture of mine methane is carried out taking into account the concentration limits of ignition of the methane-air substandard mixture of CH 4 diluted with air by the products of combustion of methane-air substandard mixture depending on the content of the phlegmatizer in the mixture with air for each value of the content of CH 4 in the mixture for transportation and the required amount of air during subsequent dilution methane-air substandard mixture of CH 4 ;
- устанавливают верхний концентрационный предел содержания СН4 в некондиционной метановоздушной смеси СН4, флегматизируемой продуктами сгорания, СН4≤25%, а нижний - СН4≥18%, при этом некондиционную метановоздушную смесь СН4 с содержанием в ней СН4 ниже установленного нижнего концентрационного предела разбавляют вентиляционной струей до значения содержания СН4 в смеси не более 2,5%;- set the upper concentration limit of the content of CH 4 in the substandard methane-air mixture of CH 4 , phlegmatized by combustion products, CH 4 ≤25%, and the lower - CH 4 ≥18%, while the substandard methane-air mixture of CH 4 with the content of CH 4 in it is lower than the lower the concentration limit is diluted with a ventilation stream to a value of CH 4 in the mixture of not more than 2.5%;
- сжигание углеводородных отходов угледобычи осуществляют в энергетической установке, оборудованной котлом-газогенератором, или в энергетической установке и в рекуперативном газогенераторе, а получение синтез-газа - в рекуперативном газогенераторе;- the burning of hydrocarbon waste from coal mining is carried out in a power plant equipped with a gas boiler, or in a power plant and in a regenerative gas generator, and synthesis gas is produced in a regenerative gas generator;
- сжигание углеводородных отходов угледобычи в энергетической установке, оборудованной котлом-газогенератором, осуществляют в две стадии, на первой из которых проводят воздушную конверсию с получением синтез-газа и конденсированного остатка при коэффициенте расхода дутья α=0,5, а на второй стадии сжигают синтез-газ и дожигают не прореагировавшие на первой стадии твердые остатки углеводородных отходов угледобычи при коэффициенте расхода дутья α=1,05-1,1;- the combustion of hydrocarbon waste from coal mining in a power plant equipped with a gas boiler is carried out in two stages, the first of which conducts air conversion to produce synthesis gas and condensed residue at a blast coefficient of flow α = 0.5, and at the second stage, the synthesis is burned -gas and afterburning solid residues of hydrocarbon coal wastes that did not react at the first stage at a blast coefficient of flow α = 1.05-1.1;
- сжигание углеводородных отходов угледобычи в рекуперативном газогенераторе осуществляют в режиме газогенерации при коэффициенте расхода дутья α=0,5 и температуре Т=1200 К;- the burning of hydrocarbon waste from coal production in a regenerative gas generator is carried out in the gas generation mode with a blast coefficient of flow α = 0.5 and temperature T = 1200 K;
- в качестве теплового аппарата используют воздухонагреватель. Технический результат достигается также тем, что в одном из вариантов устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метано-оздушной смеси и связанную с линией подвода дутья, блок подготовки метановоздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метановоздушной смеси, расположенный в линии подвода дутья, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией с газоанализатором и узлом обработки некондиционной метановоздушной смеси, и систему автоматического управления, причем узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого и второго смесителей, один вход каждого из которых соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у первого смесителя - с линией подвода инертного разбавителя, а у второго смесителя - с линией подвода вентиляционной струи, выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси, выход второго смесителя - с линией подвода дутья, при этом энергетическая установка оборудована котлом-газогенератором и выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи.- an air heater is used as a heat apparatus. The technical result is also achieved by the fact that in one embodiment, the device for using mine methane, a ventilation stream, and hydrocarbon waste from coal mining includes a vacuum pump station with a gas analyzer connected to the input to the underground mine methane collection system, and the output to the mine methane supply line to the energy a unit equipped with burners for the combustion of conditioned and substandard methane-air mixture and connected to the blast supply line, a methane-air mixture preparation unit in the sha supply line methane methane, substandard methane-air mixture processing unit located in the blast supply line, discharge with mine methane emergency removal unit into the atmosphere, located in the mine methane supply line between the vacuum pump station with gas analyzer and substandard methane-air mixture processing unit, and an automatic control system, moreover, the processing unit of substandard methane-air mixture is made in the form of the first and second mixers, one input of each of which is connected to the supply line of mine methane, dr the first mixer has an inert diluent supply line, and the second mixer has a ventilation jet supply line, the output of the first mixer is connected to the methane-air preparation unit input, the second mixer output has a blast supply line, and the power plant is equipped with a boiler a gas generator and is configured to burn hydrocarbon waste from coal mining.
В частных случаях реализации устройства линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора продуктов сгорания энергетической установки.In special cases of the implementation of the device, the inert diluent supply line can be configured to supply combustion products of the power plant to the input of its fan.
Целесообразно, чтобы на выходах первого и второго смесителей были установлены газоанализаторы, причем на выходе первого смесителя установлен газоанализатор на кислород, а на выходе второго смесителя - газоанализатор на метан.It is advisable that gas analyzers be installed at the outputs of the first and second mixers, with an oxygen analyzer installed at the output of the first mixer, and a methane gas analyzer at the output of the second mixer.
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 18%≤СН4≤25% - в первый смеситель узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 2,5%<СН4<18% - во второй его смеситель.The automatic control system in a specific embodiment is configured to direct substandard methane-air mixture from the mine methane supply line when the methane content (CH 4 ) in the mixture is within 18% ≤CH 4 ≤25% into the first mixer of the substandard methane-air mixture processing unit, and when the content methane (CH 4 ) in the mixture within 2.5% <CH 4 <18% - in its second mixer.
В другом варианте выполнения устройства для осуществления способа технический результат достигается тем, что оно включает вакуум-насосную станцию с газоанализатором, связанную входом с подземной системой сбора шахтного метана, а выходом - с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку, оснащенную горелками для сжигания кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси и связанную с линией подвода дутья, блок подготовки метановоздушной смеси в линии подвода шахтного метана, блок обработки некондиционной метановоздушной смеси, расположенный в линии подвода дутья, отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана, расположенный в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией с газоанализатором и узлом обработки некондиционной метановоздушной смеси, рекуперативный газогенератор, связанный с линией подвода дутья, и через блок подготовки синтез-газа - с энергетической установкой и тепловым аппаратом, и систему автоматического управления, причем узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого и второго смесителей, один вход каждого из которых соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у первого смесителя - с линией подвода инертного разбавителя, а у второго смесителя - с линией подвода вентиляционной струи, выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси, выход второго смесителя - с линией подвода дутья, при этом энергетическая установка выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи.In another embodiment of the device for implementing the method, the technical result is achieved by the fact that it includes a vacuum pump station with a gas analyzer connected to the input to the underground mine methane collection system, and the output to the mine methane supply line to the power plant equipped with air-conditioned and burners substandard methane-air mixture and associated with the blast supply line, methane-air mixture preparation unit in the mine methane supply line, substandard methane-air processing unit of the first mixture located in the blast supply line, discharge with a mine methane emergency removal unit into the atmosphere, located in the mine methane supply line between a vacuum pump station with a gas analyzer and a substandard methane-air mixture processing unit, a recuperative gas generator connected to the blast supply line, and through the synthesis gas preparation unit — with a power plant and a heat apparatus, and an automatic control system, the sub-unit for processing substandard methane-air mixture made in the form of the first and watts horn mixers, one input of each of which is connected to the mine methane supply line, the other input at the first mixer - with the inert diluent supply line, and at the second mixer - with the supply air supply line, the output of the first mixer is communicated with the input of the methane-air mixture preparation unit, output the second mixer - with a blast supply line, while the power plant is configured to burn hydrocarbon waste from coal mining.
В частных случаях реализации устройства линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора продуктов сгорания энергетической установки.In special cases of the implementation of the device, the inert diluent supply line can be configured to supply combustion products of the power plant to the input of its fan.
Целесообразно, чтобы на выходах первого и второго смесителей были установлены газоанализаторы, причем на выходе первого смесителя установлен газоанализатор на кислород, а на выходе второго смесителя - газоанализатор на метан.It is advisable that gas analyzers be installed at the outputs of the first and second mixers, with an oxygen analyzer installed at the output of the first mixer, and a methane gas analyzer at the output of the second mixer.
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 18%≤СН4≤25% - в первый смеситель узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 2,5%<СН4<18% - во второй его смеситель.The automatic control system in a specific embodiment is configured to direct substandard methane-air mixture from the mine methane supply line when the methane content (CH 4 ) in the mixture is within 18% ≤CH 4 ≤25% into the first mixer of the substandard methane-air mixture processing unit, and when the content methane (CH 4 ) in the mixture within 2.5% <CH 4 <18% - in its second mixer.
На фиг.1 показаны пределы воспламенения (ВКП, НКП - верхний и нижний, соответственно, концентрационные пределы) воспламенения метана в воздухе, разбавленного продуктами сгорания; Фиг.2 - температура горения каменного угля с переменным содержанием метана в дутье; Фиг.3 - температура горения угля в дутье с переменным содержанием метана при коэффициенте расхода окислителя α=1,05÷1,1; Фиг.4 - первый вариант выполнения устройства для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи; Фиг.5 - зависимость теплоты сгорания синтез-газа от коэффициента расхода окислителя α; Фиг 6 - второй вариант выполнения устройства для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи; фиг.7 - камера горения котла-газогенератора.Figure 1 shows the ignition limits (VKP, NKP - upper and lower, respectively, concentration limits) of methane ignition in air diluted with combustion products; Figure 2 - the combustion temperature of coal with a variable methane content in the blast; Figure 3 - the combustion temperature of coal in the blast with a variable methane content at an oxidizer consumption coefficient α = 1.05 ÷ 1.1; 4 is a first embodiment of a device for using mine methane, a ventilation stream and hydrocarbon waste from coal mining; Figure 5 - dependence of the calorific value of synthesis gas on the oxidizer consumption coefficient α; Fig 6 is a second embodiment of a device for using mine methane, a ventilation stream and hydrocarbon waste from coal mining; 7 is a combustion chamber of a boiler gas generator.
Способ включает: стадию флегматизации некондиционного шахтного метана при начальном содержании метана от 18% до 25% продуктами сгорания или отработанной вентиляционной струей при начальном содержании метана менее 18%; стадию транспортировки флегматизированной смеси до энергетической установки; стадию разбавления воздухом (превращение флегматизированной продуктами сгорания смеси в горючую) и использование ее также в качестве газового топлива в процессе сжигания с помощью специальных горелочных устройств, обеспечивающих получение требуемых характеристик: тепловой мощности, длины факела, нормативного содержания токсичных компонентов в продуктах сгорания. В качестве дутья используется отработанная шахтная вентиляционная струя с переменным содержанием метана.The method includes: a stage of phlegmatization of substandard mine methane with an initial methane content of 18% to 25% by combustion products or exhaust ventilation stream with an initial methane content of less than 18%; the stage of transportation of the phlegmatized mixture to the power plant; the stage of dilution with air (conversion of a mixture phlegmatized by the combustion products into combustible) and its use also as gas fuel in the combustion process using special burner devices that provide the required characteristics: thermal power, torch length, standard content of toxic components in the combustion products. An exhaust mine ventilation stream with a variable methane content is used as a blast.
На Фиг.1 иллюстрируется флегматизация (кривая СН4ф) метановоздушной смеси продуктами сгорания состава 18,94% H2O+71,59% N2+9,47% CO2 и разбавление ее вентиляционной струей (кривая СН4в). Концентрация метана в исходной МВС варьировалась от 7 до 25%.Figure 1 illustrates the phlegmatization (curve CH4f) of a methane-air mixture with the combustion products of 18.94% H 2 O + 71.59% N 2 + 9.47% CO 2 and dilution with a ventilation stream (curve CH4c). The methane concentration in the initial MBS ranged from 7 to 25%.
При флегматизации метановоздушной смеси концентрация метана на верхней кривой (СН4ф) более чем в 1,7-2 раза превышает соответствующие значения верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКП) для каждого значения по оси абсцисс - содержание разбавителя в смеси с воздухом. Данный результат согласуется с требованием о 2-кратном превышении содержания метана в разбавленной газовоздушной смеси по отношению к верхнему концентрационному пределу воспламенения для исключения воспламенения горючей смеси (СНиП 2.04.08-87. Газоснабжение. Москва, 1991).During phlegmatization of a methane-air mixture, the methane concentration on the upper curve (CH4ph) is more than 1.7-2 times higher than the corresponding values of the upper concentration limit of ignition (VKP) for each value along the abscissa — the diluent content in the mixture with air. This result is consistent with the requirement of a 2-fold excess of methane in the diluted air-gas mixture with respect to the upper concentration limit of ignition to exclude ignition of the combustible mixture (SNiP 2.04.08-87. Gas supply. Moscow, 1991).
Флегматизированная МВС безопасно транспортируется от источника до энергетической установки. В энергетической установке осуществляется процесс разбавления данной смеси вентиляционной струей, которая (кривая СН4в) при начальном содержании метана в МВС в пределах от 18% до 25% располагается внутри «полуострова воспламенения», что гарантирует воспламенение и сгорание смесей указанного состава. Количество флегматизатора, добавляемого в исходную метановоздушную смесь (МВС) при различных значениях начальной концентрации метана, и количество дополнительного воздуха для разбавления определяется в таблице 1.The phlegmatic MVS is safely transported from the source to the power plant. In a power plant, the mixture is diluted with a ventilation stream, which (curve CH4c), with an initial methane content in the MBC ranging from 18% to 25%, is located inside the “peninsula of ignition”, which guarantees ignition and combustion of mixtures of the specified composition. The amount of phlegmatizer added to the initial methane-air mixture (MVS) at various values of the initial concentration of methane, and the amount of additional air for dilution is determined in table 1.
Технология сжигания углеводородных отходов угледобычи (обычно это забалластированный уголь или как его еще называют «промпродукт») в энергетических установках предполагает использование в качестве дутья метановоздушной смеси с содержанием СН4≤2,5%, получающейся в результате разбавления некондиционного шахтного метана с содержанием метана менее 18%, отработанной шахтной вентиляционной струей с содержанием CH4 в пределах 0÷0,75%.The technology for burning hydrocarbon waste from coal mining (usually ballasted coal, or as it is also called “industrial product”) in power plants involves the use of a methane-air mixture with CH 4 ≤2.5% as a result of the dilution of substandard mine methane with a methane content of less than 18%, spent mine ventilation stream with a content of CH 4 in the range of 0 ÷ 0.75%.
Эксперименты по сжиганию твердого углеводородного топлива в дутье с переменной концентрацией метана выявили режимы вибрационного горения. Получено изменение температуры (фиг.2), теплонапряженности топочного пространства и выходной мощности установки при вариации концентрации метана в дутье.Experiments on the combustion of solid hydrocarbon fuels in a blast with a variable methane concentration revealed vibrational combustion modes. Received a change in temperature (figure 2), the heat intensity of the furnace space and the output power of the installation with variations in the concentration of methane in the blast.
Причиной нестабильности процесса горения является различие температур горения и удельного тепловыделения метана и забалластированного угля, отражающееся на изменении среднемассовой температуры в топке на 150-200 градусов цельсия и сопровождающиеся изменениями теплонапряженности в топке более чем в 2 раза при изменении концентрации метана в дутье от 0,2% до 2,5% (фиг.2). Вариации температуры горения, совпадающие с частотой пульсаций концентрации метана в дутье, составляющие 3-5 Гц, приводят к явлениям вибрационного горения, регулярным изменениям выходной мощности энергетической установки и проблемам при ее эксплуатации.The reason for the instability of the combustion process is the difference in combustion temperatures and specific heat of methane and ballasted coal, which is reflected in a change in the mass-average temperature in the furnace by 150-200 degrees Celsius and accompanied by changes in heat stress in the furnace by more than 2 times when the methane concentration in the blast changes from 0.2 % to 2.5% (figure 2). Variations in the combustion temperature, which coincide with the pulsation frequency of the methane concentration in the blast, amounting to 3-5 Hz, lead to vibrational combustion phenomena, regular changes in the output power of the power plant and problems during its operation.
Экспериментально получен способ сжигания угля в дутье с переменным содержанием метана, заключающийся в том, что при изменении концентрации метана в дутье автоматика энергетической установки обеспечивает подачу воздуха в количестве, обеспечивающем сжигание горючей массы (уголь + метан дутья) при постоянном коэффициенте расхода окислителя α=1,05÷1,1.An experimentally obtained method of burning coal in a blast with a variable methane content, which consists in the fact that when the methane concentration in the blast changes, the automation of the power plant provides air supply in an amount ensuring the combustion of a combustible mass (coal + blast methane) at a constant oxidant flow rate α = 1 , 05 ÷ 1.1.
Способ сжигания угля в дутье с переменным содержанием метана иллюстрируется фиг.3, где представлены экспериментальные результаты горения угля в дутье с переменным содержанием метана при α=1,05÷1,1 для каждого значения концентрации метана в дутье.The method of burning coal in a blast with a variable methane content is illustrated in Fig. 3, which presents the experimental results of coal burning in a blast with a variable methane content at α = 1.05 ÷ 1.1 for each methane concentration in the blast.
Сопоставление 2-х режимов работы угольной котельной (фиг.2 и фиг.3) демонстрирует существенное снижение перепада температур при максимальном и минимальном содержании метана в дутье во 2-м случае (фиг.3). Теплонапряженность во 2-м случае при изменении концентрации метана в дутье от 0,2% до 2,5% меняется на 15%.A comparison of the 2 operating modes of the coal boiler (Fig. 2 and Fig. 3) demonstrates a significant decrease in the temperature difference with the maximum and minimum methane content in the blast in the 2nd case (Fig. 3). The heat intensity in the 2nd case, when the methane concentration in the blast changes from 0.2% to 2.5%, changes by 15%.
Углеводородные отходы угледобычи могут быть востребованы для получения синтез-газа, являющегося резервным топливом для установок, работающих на шахтном метане (имеющим штатный источник газового топлива), и/или основным видом топлива для установок, работающих на синтез-газе.Hydrocarbon waste from coal mining can be claimed to produce synthesis gas, which is a backup fuel for coal mine methane plants (having a standard gas fuel source), and / or the main type of fuel for synthesis gas plants.
В одном из вариантов (фиг.4) устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает связанную входом с подземной системой 1 сбора шахтного метана вакуум-насосную станцию 2. Электороприводная задвижка (заслонка) 3, электромагнитный клапан 4, ручная задвижка 5, сбросная свеча 6 образуют отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана. Вакуум-насосная станция 2 имеет газоанализатор 7. В линии подвода шахтного метана расположен блок 8 подготовки метановоздушной смеси. К блоку 8 подходит линия для пропуска кондиционного шахтного метана (СН4>25%) и параллельно ей - линия для пропуска некондиционного шахтного метана (18%≤СН4≤25%). Узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого смесителя 9, на выходе которого установлен газоанализатор 10 на кислород, и второго смесителя 11. Один вход каждого из смесителей 9, 11 соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у смесителя 9 - с линией подвода инертного разбавителя, а у смесителя 11 - с линией подвода вентиляционной струи. Выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси 8, выход второго смесителя - с линией подвода дутья. Отвод расположен в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией 2 и узлом 9 обработки некондиционной метановоздушной смеси.In one embodiment (Fig. 4), a device for using mine methane, a ventilation stream, and hydrocarbon waste from coal mining includes a
В линиях подвода вентиляционной струи и инертного разбавителя установлены вентиляторы 12, 13, соответственно. В энергетической установке 14 используют синтез-газ (СГ), полученный в рекуперативном газогенераторе 15, связанном с линией подвода дутья. Вакуум-насосная станция 2 сообщена выходом с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку 14. Рекуперативный газогенератор 15 связан через блок 16 подготовки синтез-газа - с энергетической установкой 14, оснащенной горелками 17, 18 для сжигания синтез-газа, кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси, включая флегматизированную переменного состава, соответственно. Рекуперативный газогенератор 15 оснащен рекуператором 19, в который может поступать синтез-газ. В линии подвода дутья расположен блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси. Входящие в систему автоматического управления регулирующие заслонки 21, 22 установлены в линиях подвода инертного разбавителя и вентиляционной струи, соответственно, шибер 23 - в линии отвода продуктов сгорания (дымовой трубе 25), 3-ходовые краны 24 - в линиях подвода дутья, вентиляционной струи. Рекуперативный газогенератор 15 может быть связан через отдельный блок 26 подготовки синтез-газа - с тепловым аппаратом 27, либо так же, как и энергетическая установка 14, через блок 16 подготовки синтез-газа с использованием ответвляющейся линии и запорно-регулирующей арматуры (не показано). Энергетическая установка 14 выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи. В конкретном случае линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора 13 продуктов сгорания (ПГ) энергетической установки 14.
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 18%≤СН4≤25% - в первый смеситель 9 узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 2,5%<СН4<18% - во второй его смеситель 11. В установке предусмотрены технологические линии, оборудованные ручными задвижками 5, и связывающие линию подачи вентиляционной струи с линией подачи дутья, минуя смеситель 11 и блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси.The automatic control system in a particular embodiment is configured to direct substandard methane-air mixture from the mine methane supply line with a methane content (CH 4 ) in the mixture within 18% ≤CH 4 ≤25% into the first mixer 9 of the substandard methane-air mixture processing unit, and when the content of methane (CH 4 ) in the mixture within 2.5% <CH 4 <18% - in its
Способ осуществляется с помощью устройства, выполненного по одному из вариантов (фиг.4), следующим образом. При коэффициенте расхода окислителя α=0,5 воздушная конверсия углеводородных отходов угледобычи (например, забалластированного угля) без внешнего подвода тепла обеспечивает достижение температуры Т=980°К. Рост температуры конверсии в пределах 980°К<Т≤1200°К Т, обеспечиваемый рекуператором 19 газогенератора 15, где сгорает часть синтез-газа, образованного в газогенераторе 15, приводит к изменению состава синтез-газа и увеличению его калорийности. Дальнейший рост температуры конверсии практически не повышает калорийность синтез-газа.The method is carried out using a device made according to one of the options (figure 4), as follows. When the oxidizer consumption coefficient α = 0.5, the air conversion of hydrocarbon waste from coal production (for example, ballasted coal) without external heat supply ensures the temperature T = 980 ° K. An increase in the conversion temperature within 980 ° K <T≤1200 ° K T provided by the
Состав синтез-газа при α=0,5 и температуре конверсии Т=1200°К, следующий: Н2=8,0%; СО=24,3%; N2=61,74%; CO2=4,05%; H2O=1,84%; H2S=0,056%.The composition of the synthesis gas at α = 0.5 and a conversion temperature T = 1200 ° K, the following: H 2 = 8.0%; CO = 24.3%; N 2 = 61.74%; CO 2 = 4.05%; H 2 O = 1.84%; H 2 S = 0.056%.
Из подземной системы 1 сбора шахтного метана последний поступает в вакуум-насосную станцию 2. Газоанализатором 7 контролируется концентрация метана в откачиваемой метановоздушной смеси (МВС). Сбросная свеча 6, электроприводная задвижка 3, электромагнитный клапан 4 и ручная задвижка 5 обеспечивают, когда это необходимо, удаление некондиционного шахтного метана в атмосферу. Блок 8 подготовки кондиционной (СН4>25%) или флегматизированной (18%≤СН4≤25%) МВС осуществляет подготовку МВС перед подачей ее в энергетическую установку 14. Смесителем 9 флегматизируется МВС продуктами сгорания при содержании метана в смеси в пределах 18%≤СН4≤25%. Вентилятор 13 обеспечивает необходимую подачу флегматизатора МВС. Газоанализатор 10 определяет содержание кислорода в смеси. Смеситель 11 служит для разбавления взрывоопасной МВС отработанной вентиляционной струей при содержании метана в пределах 2,5%<СН4<18% до нижнего концентрационного предела воспламенения (НКПВ). Вентилятор 12 подает вентиляционную струю на разбавление. Энергетическая установка 14 - угольный котел шахтной котельной переоборудован для работы на углеводородных отходах угледобычи (например, на забалластированном угле) и синтез-газе. В данном случае в качестве энергетической установки принят угольный котел, поскольку является в настоящее время наиболее распространенным на действующих шахтах, в котором осуществляется слоевое сжигание твердого топлива. При коммерческом использовании шахтного метана точка росы газа в зимнее время должна быть равна tp=(-10)÷(-20)°С.From the underground mine
Рекуперативный газогенератор 15, где вырабатывается синтез-газ, также приспособлен для работы на углеводородных отходах угледобычи (в частности, на забалластированном угле). В устройстве могут быть задействованы оба блока 16, 26 подготовки синтез-газа, либо один из них. Для теплового аппарата 27 подготовленный синтез-газ является резервным газовым топливом.The
Метановоздушная смесь, поступающая из подземных горных выработок, анализируется газоанализатором 7 на содержание в ней метана.The methane-air mixture coming from underground mining is analyzed by a
В случае кондиционного состава (СН4>25%) смесь подается в энергетическую установку 14, предварительно пройдя стадию осушки от капельной влаги и паровой влаги, очистки от минеральной и угольной пыли в блоке подготовки газа 8.In the case of a conditioning composition (CH 4 > 25%), the mixture is supplied to the
В случае некондиционного состава (СН4≤25%) метановоздушная смесь поступает в смеситель 9, если содержание метана укладывается в интервал 18%≤СН4≤25%, либо в смеситель 11 при содержании метана в пределах 2,5%<СН4<18%. В смесителе 9 осуществляется флегматизация МВС продуктами сгорания от энергетической установки 14. Количество флегматизатора (инертного разбавителя) зависит от начального состава метановоздушной смеси и определяется в табл.1. Флегматизированная смесь из смесителя 9 подается в энергетическую установку 14, где она сжигается. Подачу флегматизатора в смеситель 9 и флегматизированной смеси в энергетическую установку 14 осуществляет вентилятор 13. На выходе из смесителя 9 газоанализатором 10 фиксируется содержание кислорода в смеси.In the case of substandard composition (СН 4 ≤25%), the methane-air mixture enters mixer 9 if the methane content is within the range of 18% ≤CH 4 ≤25%, or into
При содержании метана в смеси в пределах 2,5%<СН4<18% метановоздушная смесь из вакуум-насосной станции 2 подается в смеситель 11, где она разбавляется вентиляционной струей с помощью вентилятора 12 до концентрации СН4≤2,5%. Полученная смесь через блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси может поступать в качестве дутья в энергетическую установку 14 и/или в рекуперативный газогенератор 15. В рекуперативном газогенераторе 15 при оптимальных условиях, обеспечиваемых подачей определенной доли синтез-газа в рекуператор 19 газогенератора 15, вырабатывается синтез-газ, поступающий в энергетическую установку 14, пройдя стадию очистки в блоке подготовки синтез-газа 16, и/или в тепловой аппарат 27, пройдя стадию очистки в блоке подготовки синтез-газа 26. В качестве теплового аппарата 27 могут служить воздухонагреватели смесительного или рекуперативного типа.When the methane content in the mixture is within 2.5% <CH 4 <18%, the methane-air mixture from the
Система автоматики безопасности, управляющая газовыми транспортными коммуникациями устройства, исключает распространение пламени в газовой смеси и попадание взрывоопасной смеси как в систему дегазации.The safety automation system that controls the gas transport communications of the device eliminates the spread of flame in the gas mixture and the ingress of explosive mixtures as in a degassing system.
В рекуперативном газогенераторе 15 при нагревании углеводородных отходов угледобычи до 700-1200°К последовательно протекают реакции полукоксования, коксования, неполного горения. Состав синтез-газа и его калорийность зависят от вида дутья, качества топлива и условий проведения процесса. Производительность газогенератора 15 зависит от массы загруженного забалластированного угля, теплопотерь в окружающее пространство и времени выхода на стационарный режим, определяемые в табл.2.In the
Экспериментально установлены условия образования синтез-газа максимальной калорийности 
Причиной падения калорийности синтез-газа при α<0,5 (фиг.5) является наличие в продуктах конверсии сажи, а при α>0,5 калорийность газа падает из-за снижения содержания водорода и окиси углерода - основных энергоносителей синтез-газа.The reason for the decrease in the calorific value of the synthesis gas at α <0.5 (Fig. 5) is the presence of soot in the conversion products, and at α> 0.5 the calorific value of the gas decreases due to a decrease in the content of hydrogen and carbon monoxide, the main energy carrier of the synthesis gas.
При α=0,5 воздушная конверсия углеводородных отходов угледобычи без внешнего подвода тепла обеспечивает достижение температуры Т=980°К. Рост температуры конверсии в пределах 980°К<Т≤1200°КТ, обеспечиваемый рекуператором газогенератора, где сгорает часть синтез-газа, образованного в газогенераторе, приводит к изменению состава синтез-газа и увеличению его калорийности. Дальнейший рост температуры конверсии практически не повышает калорийность синтез-газа.At α = 0.5, the air conversion of hydrocarbon coal waste without external heat supply ensures the temperature T = 980 ° K. An increase in the conversion temperature within 980 ° K <T≤1200 ° CT, provided by the gas generator recuperator, where part of the synthesis gas generated in the gas generator is burned, leads to a change in the composition of the synthesis gas and an increase in its calorific value. A further increase in the conversion temperature practically does not increase the calorific value of the synthesis gas.
В соответствии с другим вариантом (фиг.6) устройство для использования шахтного метана, вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи включает связанную входом с подземной системой 1 сбора шахтного метана вакуум-насосную станцию 2. В устройстве отвод с узлом аварийного удаления в атмосферу шахтного метана характеризуется наличием электороприводной задвижки (заслонки) 3, электромагнитного клапана 4, ручной задвижки 5, сбросной свечи 6. Вакуум-насосная станция 2 имеет газоанализатор 7. В линии подвода шахтного метана расположен блок 8 подготовки метановоздушной смеси. К блоку 8 подходит линия для пропуска кондиционного шахтного метана (СН4>25%) и параллельно ей - линия для пропуска некондиционного шахтного метана (18%≤СН4≤25%). Узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого смесителя 9, на выходе которого установлен газоанализатор 10 на кислород, и второго смесителя 11. Один вход каждого из смесителей 9, 11 соединен с линией подвода шахтного метана, другой вход у смесителя 9 - с линией подвода инертного разбавителя, а у смесителя 11 - с линией подвода вентиляционной струи. Выход первого смесителя сообщен с входом блока подготовки метановоздушной смеси 8, выход второго смесителя - с линией подвода дутья. В линиях подвода вентиляционной струи и инертного разбавителя установлены вентиляторы 12, 13, соответственно.In accordance with another embodiment (Fig. 6), a device for using mine methane, a ventilation stream, and hydrocarbon waste from coal mining includes a
Отвод расположен в линии подвода шахтного метана между вакуум-насосной станцией 2 и узлом 9 обработки некондиционной метановоздушной смеси.The tap is located in the mine methane supply line between the
Вакуум-насосная станция 2 сообщена своим выходом с линией подвода шахтного метана в энергетическую установку 14, которая оснащена горелками 17, 18 для сжигания синтез-газа, кондиционной и некондиционной метановоздушной смеси, включая флегматизированную переменного состава, соответственно. Энергетическая установка 14 оборудована котлом-газогенератором, в I-й части которого имеется наклонная решетка 19. В линии подвода дутья расположен блок 20 обработки некондиционной метановоздушной смеси. Входящие в систему автоматического управления регулирующие заслонки 21, 22 установлены в линиях подвода инертного разбавителя и вентиляционной струи, соответственно, дымосос 25 - в линии отвода продуктов сгорания (дымовой трубе), 3-ходовой кран 24 - в линии подвода дутья. Энергетическая установка 14 выполнена с возможностью сжигания углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа, причем полученный синтез-газ используют также при сжигании углеводородных отходов угледобычи в ней. В конкретном случае линия подвода инертного разбавителя может быть выполнена с возможностью подачи на вход ее вентилятора 13 продуктов сгорания энергетической установки 14.The
Система автоматического управления в конкретном воплощении выполнена с возможностью направления из линии подвода шахтного метана некондиционной метановоздушной смеси при содержании метана (СН4) в смеси в пределах 18%≤СН4≤25% - в первый смеситель 9 узла обработки некондиционной метановоздушной смеси, а при содержании метана (CH4) в смеси в пределах 2,5%<СН4<18% - во второй его смеситель 11.The automatic control system in a particular embodiment is configured to direct substandard methane-air mixture from the mine methane supply line with a methane content (CH 4 ) in the mixture within 18% ≤CH 4 ≤25% into the first mixer 9 of the substandard methane-air mixture processing unit, and when the content of methane (CH 4 ) in the mixture within 2.5% <CH 4 <18% - in its
Камера горения котла-газогенератора (фиг.7) является, по сути, струйной эжекторной установкой, содержащей сопловой аппарат 28, камеру смешения 29, жаровую трубу 30 и диффузор 31. Сопловой аппарат 28 имеет два канала, расположенные под прямым углом друг относительно друга для подачи активной эжектирующей метановоздушная струи (СН4≤2,5%). Имеется также подвод пассивной эжектируемой струи синтез-газа, подвод МВС (CH4>25% и 18%≤СН4≤25%) не показан. Диффузор 31 камеры горения соединяется с выходным коллектором - дымовой трубой, внутри которой располагается дымосос 25, обеспечивающий необходимое разрежение в котле-газогенераторе энергетической установки 14 и тягу в дымовой трубе.The combustion chamber of the gas-generating boiler (Fig. 7) is, in fact, a jet ejector installation containing a
Способ реализуется с помощью описанного во втором варианте выполнения устройства (фиг.6), которое работает следующим образом.The method is implemented using the device described in the second embodiment (Fig. 6), which operates as follows.
Из подземных горных выработок с помощью подземной системы 1 сбора шахтного метана отбирается метановоздушная смесь и поступает на дневную поверхность в вакуум-насосную станцию 2, аналогично, как и в первом варианте, производится ее анализ на содержание метана и подача в энергетическую установку 14 в случае кондиционного состава (СН4>25%), при содержании метана в пределах 18%≤СН4≤25% некондиционная МВС флегматизируется продуктами сгорания от энергетической установки 14. Кондиционная (СН4>25%) и некондиционная (18%≤СН4≤25%) МВС используется в качестве газового топлива.From the underground mine workings using the underground mine
При содержании метана в пределах 2,5%<СН4<18% метановоздушная смесь разбавляется отработанной вентиляционной струей до концентрации СН4≤2,5% и используется в качестве дутья в энергетической установке 14.When the methane content is in the range of 2.5% <CH 4 <18%, the methane-air mixture is diluted with the exhaust air stream to a concentration of CH 4 ≤2.5% and is used as a blast in the
В котле-газогенераторе (в I-ой части котла-газогенератора энергетической установки 14) при α=0,5 осуществляется воздушная конверсия углеводородных отходов угледобычи с получением синтез-газа и конденсированного остатка (шлака).In the boiler-gas generator (in the I-th part of the boiler-gas generator of the power plant 14) at α = 0.5, air conversion of hydrocarbon waste from coal is carried out to produce synthesis gas and condensed residue (slag).
Шлак ссыпается через наклонную решетку 19 на транспортер (не показан) и удаляется из энергетической установки 14.Slag is poured through an
Поток синтез-газа поступает в камеру горения (во II-ю часть котла-газогенератора), где синтез-газ сгорает в метановоздушном дутье (CH4≤2,5%) при α=1,05÷1,1.The synthesis gas stream enters the combustion chamber (in the second part of the gas generator boiler), where the synthesis gas is burned in a methane-air blast (CH 4 ≤ 2.5%) at α = 1.05–1.1.
Камера горения находится под разрежением, обеспечиваемым дымососом 25 для исключения попадания в атмосферу токсичных компонентов синтез-газа.The combustion chamber is under vacuum provided by the
Камера горения котла-газогенератора (фиг.7), представляя собой струйную эжекторную установку с активной закрученной эжектирующей метановоздушной струей и пассивной струей синтез-газа, обеспечивает необходимую степень предварительного перемешивания горючей смеси, что позволяет регулировать длину факела и тепловую мощность энергетической установки 14.The combustion chamber of the boiler-gas generator (Fig.7), representing a jet ejector installation with an active swirling ejecting methane-air jet and a passive stream of synthesis gas, provides the necessary degree of preliminary mixing of the combustible mixture, which allows you to adjust the length of the flame and the thermal power of the
Система автоматики безопасности, управляющая газовыми транспортными коммуникациями при реализации способа, исключает попадание взрывоопасной смеси в систему дегазации.The safety automation system that controls the gas transport communications during the implementation of the method eliminates the ingress of an explosive mixture into the degassing system.
Поток продуктов сгорания после энергетической установки 14 может быть направлен в теплообменник (не показан), откуда в паротурбинный агрегат (не показан) и далее в теплообменник и на газоочистные сооружения (не показаны), либо удаляется в атмосферу.The flow of combustion products after the
Указанный способ конверсии углеводородных отходов угледобычи непосредственно в энергоустановке обеспечивает минимальные теплопотери, т.к. отсутствуют теплотрассы и промежуточный теплоноситель.The specified method for the conversion of hydrocarbon waste from coal production directly in a power plant provides minimal heat loss, because there are no heating mains and an intermediate heat carrier.
Примеры осуществления способа.Examples of the method.
Пример 1. Метановоздушная смесь (фиг.4) из вакуум-насосной станции 2 направляют в газоанализатор 7 для измерения концентрации метана и регулирования расхода флегматизатора. В результате измерений смесь содержит по объему 24% метана и 76% воздуха. Смесь взрывоопасна, транспортировка до энергетической установки запрещена, не обеспечен необходимый (1,7 раза) запас по концентрации метана относительно верхнего концентрационного предела воспламенения (табл.1) 24%/ВКП=24%/15%=1,6<1,7.Example 1. The methane-air mixture (figure 4) from the
На первой стадии поступающую от вакуум-насосной станции 2 смесь с целью снижения пределов ее взрываемости превращают во взрывобезопасную с помощью флегматизатора - продуктов сгорания, подаваемых из дымохода энергетической установки 14.In the first stage, the mixture coming from the
Величина флегматизатора Vфл, добавляемая к МВС, определяется концентрацией метана во флегматизированной смеси 
Полученная взрывобезопасная смесь направляется в энергетическую установку 14, предварительно пройдя очистку в блоке 8 подготовки метановоздушной смеси. В энергетической установке 14 в смесь добавляется воздух, дополнительное количество которого определяется концентрацией метана в сжигаемой смеси 
Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения данной флегматизированной смеси соответственно равны (табл.1) ВКП=12,8% СН4, НКП=5,4% СН4. Концентрация метана в разбавленной смеси 
Пример 2. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 18% метана и 82% воздуха.Example 2. According to the testimony of the
Транспортировка до энергетической установки запрещена, не обеспечен кратный запас по концентрации метана (
Осуществляют процедуру флегматизации смеси продуктами сгорания, подаваемыми из дымохода энергетической установки 14.Perform the process of phlegmatization of the mixture by the products of combustion supplied from the chimney of the
Концентрация метана во флегматизированной смеси 
Отношение концентрации метана во флегматизированной МВС к его верхнему концентрационному пределу воспламенения равно 
Полученная взрывобезопасная смесь направляется в энергетическую установку 14, предварительно пройдя очистку в блоке 8 подготовки метановоздушной смеси. В энергетической установке 14 осуществляется разбавление смеси воздухом.The resulting explosion-proof mixture is sent to the
Концентрация метана в разбавленной смеси (табл.1) 
Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения данной флегматизированной смеси соответственно равны (табл.1) ВКП=9,9% СН4, НКП=5,4% СН4. Между указанными величинами располагается концентрация метана в разбавленной смеси 
Пример 3. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 20% метана и 80% воздуха. Транспортировка до энергетической установки запрещена, т.к. не обеспечен кратный запас по концентрации метана относительно верхнего концентрационного предела воспламенения (табл.1) 
Осуществляют процедуру флегматизации смеси продуктами сгорания, подаваемыми из дымохода энергетической установки 14.Perform the process of phlegmatization of the mixture by the products of combustion supplied from the chimney of the
Концентрация метана во флегматизированной смеси 
Верхний концентрационный предел воспламенения данной флегматизированной смеси (табл.1) ВКП=10,8% СН4, создавая необходимый концентрационный запас 
Полученная взрывобезопасная смесь направляется в энергетическую установку 14, предварительно пройдя очистку в блоке 8 подготовки метановоздушной смеси. В энергетической установке 14 осуществляется дефлегматизация смеси.The resulting explosion-proof mixture is sent to the
Концентрация метана в разбавленной смеси (табл.1) 
Верхний и нижний концентрационные пределы воспламенения данной флегматизированной смеси соответственно равны (табл.1) ВКП=10,8% СН4, НКП=5,4% СН4. Концентрация метана в разбавленной смеси 
Пример 4. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 10% метана и 90% воздуха. Смесь взрывоопасна, транспортировке не подлежит. Флегматизация продуктами сгорания и разбавление воздухом не правомочна. По действующим нормативам смесь с содержанием 10% СН4 должна быть удалена в атмосферу через отвод (сбросную свечу 6). Данная смесь направляется в смеситель 11, для чего должны быть закрыты задвижка 5, электроприводная задвижка 3 и электромагнитный клапан 4, а также электромагнитные клапаны в линии для пропуска кондиционного шахтного метана (СН4>25%) и параллельно ей расположенной линии для пропуска некондиционного шахтного метана (18%≤СН4≤25%).Example 4. According to the testimony of the
Узел обработки некондиционной метановоздушной смеси выполнен в виде первого смесителя 9, на выходе которого установлен газоанализатор 10 на кислород, и второго смесителя 11.The processing unit of a substandard methane-air mixture is made in the form of a first mixer 9, at the output of which a
В смесителе 11 смесь разбавляется отработанной шахтной вентиляционной струей (CH4≤0,75%) и используется в качестве дутья при сжигании углеводородных отходов угледобычи и для получения синтез-газа. Необходимое количество вентиляционной струи определяется из соотношения 2,5/100=10/(100+Vд.в.) и равно Vд.в.=300% от объема исходной МВС и направляется в качестве дутья в рекуперативный газогенератор 15 и/или в энергетическую установку 14.In the
Пример 5. Подогрев вентиляционного воздуха в холодный период года на шахте осуществляется с помощью воздухонагревателей рекуперативного или смесительного типа, которые могут рассматриваться как тепловой аппарат 27. По показаниям газоанализатора 7 в метановоздушной смеси, поступающей из вакуум-насосной станции 2, содержится 15% метана и 85% воздуха. Смесь данного состава направляется в смеситель 11, где она разбавляется отработанной шахтной вентиляционной струей (СН4≤0,75%) в количестве 500% от первоначального состава до концентрации метана в смеси (СН4≤2,5%) и используется в воздухонагревателях в качестве дутья.Example 5. The ventilation air in the cold season at the mine is carried out using recuperative or mixing type air heaters, which can be considered as a
Пример 6. Воздухонагреватели как рекуперативного, так и смесительного типа (энергетическая установка-тепловой аппарат) имеют в качестве топлива независимый источник газового топлива, либо аналогичный, как у описанной энергетической установки - кондиционный и некондиционный шахтный метан. Для обеспечения безостановочной работы теплового аппарата (воздухонагревателя) в качестве резервного газового топлива для него служит синтез-газ, поступающий из газогенератора 15.Example 6. Air heaters of both recuperative and mixing type (power plant-heat apparatus) have an independent source of gas fuel as fuel, or the same as the described power plant - air-conditioning and substandard mine methane. To ensure the non-stop operation of the heat apparatus (air heater) as a backup gas fuel for it is the synthesis gas coming from the
При отсутствии синтез-газа нагрев вентиляционного воздуха в воздухонагревателе осуществляется с использованием штатного источника газового топлива.In the absence of synthesis gas, the ventilation air in the air heater is heated using a standard gas fuel source.
Примеры расчета количества флегматизатора и дополнительного воздуха.Examples of calculating the amount of phlegmatizer and additional air.
1. СН4=24%1. CH 4 = 24%
ФлегматизацияPhlegmatization
В соответствии с данными табл.1In accordance with the data in table 1
ТогдаThen
Фл.=0,215*Возд.Fl = 0.215 * Air
Сумма концентраций приведена к 100% 
Результаты решения системы уравненийThe results of solving the system of equations
Отношение концентрации метана во флегматизированной смеси к верхнему концентрационному пределу воспламенения при заданной доле флегматизатора в смеси с воздухом 
Количество добавленного флегматизатора равно Фл.=13,65%.The amount of added phlegmatizer is equal to Fl. = 13.65%.
ДефлегматизацияDephlegmatization
Согласно данным табл.1According to table 1
ТогдаThen
Фл=0,2145*ВоздFl = 0.2145 * Air
В результате получаемAs a result, we get
Концентрация метана в дефлегматизированной смеси
Количество воздуха и флегматизатора, добавленных во флегматизированную смесь равныThe amount of air and phlegmatizer added to the phlegmatized mixture are equal
ΔВозд=73,55-63,65=9,9%.ΔVozd = 73.55-63.65 = 9.9%.
ΔФл=15,77-13,65=2,12%ΔFl = 15.77-13.65 = 2.12%
2. СН4=18,5%2. CH 4 = 18.5%
ФлегматизацияPhlegmatization
По данным табл.1According to table 1
ТогдаThen
Фл=0,486*ВоздFl = 0.486 * Air
Результаты решения:Solution Results:
Отношение концентрации метана во флегматизированной смеси к верхнему концентрационному пределу воспламенения при заданной доле флегматизатора в смеси с воздухом 
Количество добавленного флегматизатора равно Фл=27,18%.The amount of added phlegmatizer is equal to Fl = 27.18%.
ДефлегматизаиияDephlegmatization
Согласно данным табл.1According to table 1
ТогдаThen
Фл=0,486*ВоздFl = 0.486 * Air
В результате получаем
Концентрация метана в дефлегматизированной смеси
Количество воздуха и флегматизатора, добавленных во флегматизированную смесь, равныThe amount of air and phlegmatizer added to the phlegmatized mixture are equal
ΔВозд=62,85-55,92=6,93%.ΔVozd = 62.85-55.92 = 6.93%.
ΔФл=30,55-27,18=3,37%.ΔFl = 30.55-27.18 = 3.37%.
Приведенными примерами не исчерпываются все возможные варианты реализации способа использования шахтного метана, метана вентиляционной струи и углеводородных отходов угледобычи.The above examples do not exhaust all possible options for implementing the method of using mine methane, methane ventilation stream and hydrocarbon waste coal.
Технико-экономический смысл предложения заключается в возможности рационального использования некондиционного шахтного метана (2,5%<CH4≤25%) за счет его флегматизации продуктами сгорания при начальной концентрации метана от 18% до 25%, а при концентрации метана от 18% до 2,5% - вентиляционной струей (СН4≤0,75%), что гарантирует безопасный транспорт взрывоопасных метановоздушных смесей по трубопроводам до энергетических установок различного типа, где осуществляется их использование. Углеводородные отходы угледобычи, ограниченно востребованные в настоящее время, могут служить топливом в энергетических установках и/или органическим топливом для получения синтез-газа. Синтез-газ обеспечивает резервное газоснабжение энергетических установок, работающих на шахтном метане. Получение синтез-газа осуществляется как в рекуперативных газогенераторах, так и в специальных котлах-газогенераторах при 2-стадийном сжигании углеводородных отходов угледобычи. Существенный экономический эффект на горнодобывающих предприятиях достигается при замене тепловых аппаратов (традиционной калориферной системы нагрева вентиляционного воздуха в зимнее время) на воздухонагреватели смесительного или рекуперативного типа.The technical and economic meaning of the proposal lies in the possibility of rational use of substandard mine methane (2.5% <CH 4 ≤25%) due to its phlegmatization with combustion products at an initial methane concentration of 18% to 25%, and at a methane concentration of 18% to 2.5% - by a ventilation stream (СН 4 ≤0.75%), which guarantees safe transport of explosive methane-air mixtures through pipelines to power plants of various types where they are used. The hydrocarbon waste of coal mining, currently in limited demand, can serve as fuel in power plants and / or organic fuel for producing synthesis gas. Synthesis gas provides backup gas supply to power plants operating on mine methane. Synthesis gas is produced both in recuperative gas generators and in special gas generator boilers with 2-stage combustion of hydrocarbon waste from coal mining. A significant economic effect in mining enterprises is achieved by replacing heat devices (a traditional air-conditioning system for heating ventilation air in winter) with mixing or recuperative type air heaters.
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009119377/03A RU2393354C1 (en) | 2009-05-25 | 2009-05-25 | Procedure for complex utilisation of mine methane, air flow, and hydrocarbon wastes of coal mining and facility for implementation of this procedure (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009119377/03A RU2393354C1 (en) | 2009-05-25 | 2009-05-25 | Procedure for complex utilisation of mine methane, air flow, and hydrocarbon wastes of coal mining and facility for implementation of this procedure (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2393354C1 true RU2393354C1 (en) | 2010-06-27 |
Family
ID=42683694
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009119377/03A RU2393354C1 (en) | 2009-05-25 | 2009-05-25 | Procedure for complex utilisation of mine methane, air flow, and hydrocarbon wastes of coal mining and facility for implementation of this procedure (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2393354C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613378C1 (en) * | 2013-11-21 | 2017-03-16 | Чайна Юниверсити Оф Майнинг Энд Текнолоджи | Self-regenerative integrated device for synergetic oxidation of low concentration gas and ventilation gas in coal mine |
| RU2732530C1 (en) * | 2020-02-27 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex for generation of heat and mechanical energy and method of operation of complex |
-
2009
- 2009-05-25 RU RU2009119377/03A patent/RU2393354C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613378C1 (en) * | 2013-11-21 | 2017-03-16 | Чайна Юниверсити Оф Майнинг Энд Текнолоджи | Self-regenerative integrated device for synergetic oxidation of low concentration gas and ventilation gas in coal mine |
| RU2732530C1 (en) * | 2020-02-27 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex for generation of heat and mechanical energy and method of operation of complex |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2149312C1 (en) | Modification in burning and utilization of fuel gases | |
| Zhu et al. | Experimental investigation of NOx emissions during pulverized char combustion in oxygen-enriched air preheated with a circulating fluidized bed | |
| AU2007332089B2 (en) | A combustion apparatus | |
| JP6653862B2 (en) | Method and ignition device for combustion management in an ignition device | |
| US10280377B1 (en) | Pyrolysis and steam cracking system | |
| RU2393354C1 (en) | Procedure for complex utilisation of mine methane, air flow, and hydrocarbon wastes of coal mining and facility for implementation of this procedure (versions) | |
| US20140202365A1 (en) | Combustion apparatus with direct firing system | |
| CN203010658U (en) | Residual heat adaptive dynamic afterburning device | |
| Zajemska et al. | Formation of pollutants in the process of co-combustion of different biomass grades | |
| JP2005291524A (en) | Combustion equipment and method of biomass fuel | |
| Zhuikov et al. | Experience of Using Synthetic Gas as the Main Fuel in an Industrial Heating Boiler House | |
| CN205784000U (en) | A kind of fiery colliery three wastes thermal energy generating device | |
| Ryzhkov et al. | Development of low-temperature thermochemical conversion reactors for coal power engineering | |
| CN208566672U (en) | A kind of biomass economy device based on coal-burning boiler high temperature flue gas | |
| EP3074696B1 (en) | Apparatus for firing and combustion of syngas | |
| RU187026U1 (en) | UNIVERSAL GAS BURNER | |
| Ongar et al. | Numerical simulation of nitrogen oxide formation in dust furnaces | |
| CN201373554Y (en) | New energy gasified no-chimney energy-saving environment-friendly boiler | |
| CN105090939A (en) | Hot blast heater recycling low-heating-value gas and combustion method | |
| CN108870381A (en) | A kind of biomass economy device and method based on coal-burning boiler high temperature flue gas | |
| RU2748170C1 (en) | Set for underground gasification of fuel | |
| RU2477421C1 (en) | Power generating system | |
| Gaba et al. | Recovery of waste gas by combustion in an originally designed plant | |
| RU180149U1 (en) | A device for the utilization and processing of flue gases and water vapor to produce synthesis gas for existing and planned thermal power plants, thermal power plants and district boiler houses | |
| Zarzycki et al. | Fuel processing in a swirl flow: numerical modelling of combustion and gasification |