Спосіб використання метановмісного газу вугільних родовищ для вироблення теплової та електричної енергії

1. Спосіб використання метановмісного газу вугільних родовищ для вироблення теплової та електричної енергії, який включає подачу газу з шахтних виробок газопроводами, збирання, збагачення метаном, видобутим з вугільних пластів, очищення від пилу і використання для вироблення енергії, який відрізняється тим, що використовують вологий метановмісний газ дегазації розроблюваних вугільних пластів з свердловин, пробурених з підземних виробок, як паливний газ для двигунів в когенераційних установках для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі газопоршневих двигунів з електрогенераторами й котлами-утилізаторами, який відбирають з газопроводів подачі газу з підземних свердловин з пріоритетом найбільшого вмісту метану, ви ходячи з необхідної витрати газу в двигунах, і направляють в блок підготовки паливного газу для його збагачення, очищення і зниження вологості, після чого подають в циліндри двигунів, решту невико U 2 24154 1 3 24154 4 ристання метану вугільних родовищ як самостійВідомий спосіб безпосереднього використання ного палива. Крім того, спалення палива в топках збагаченого газу вугільних родовищ для виробникотла - це неефективне використання ексергії пацтва електроенергії на базі газотурбінної установлива, в тому числі й ексергії метану вугільних роки (ГТУ), прийнятий за прототип [5]. В цьому сподовищ, оскільки ексергія палива використовується собі бідний газ з відпрацьованого простору тільки на одержання термодинамічно менш цінної виробок збирають в камері, збагачують його метаенергії - теплової. Така тенденція при роздільному ном, видобутим з вугільних пластів, вміст метану в виробленні електричної та теплової енергії веде якому значно вищий, після чого збагачений газ до перевитрати палива. (суміш повітря з метаном) очищують з допомогою Відоме використання метановмістного газу вуфільтру від тверди х часток і подають в компресор гільних родовищ в газодизелях з електрогенерагазотурбінної установки. Після стиснення метанотором для одержання електричної енергії [2]. Але і повітряну суміш направляють в регенератор, де в цьому випадку метановмістний газ вугільних ронагрівають її за рахунок вихлопу з газової турбіни, довищ використовують сумісно з традиційним дипісля чого направляють в камеру спалення. Прозельним паливом, що також знижує економічну дукти спалення направляють в газову турбіну, пісефективність його використання як самостійного ля турбіни - в регенератор. З регенератора продупалива. кти спалення викидають в оточующе середовище. Відомі способи для безпосереднього викорисТаким чином, ГТУ працює по регенеративному тання метановмістного газу вугільних родовищ для циклу. Ме ханічну енергію газової турбіни може вироблення теплової та електричної енергії. бути використано для вироблення електроенергії. Відомий спосіб безпосереднього використання Ефективне спалення бідного газу досягається за метановмістного газу вугільних родовищ для одерахунок двох факторів - попереднього збагачення ржання теплової енергії шляхом спалення шахтногазу і підвищення температури спалення за рахуго газу в регенеративній камері спалення, в котрій нок його попереднього нагріву в регенераторі. досягається можливість спалення бідного газу Прототипу притаманні слідуючи недоліки. Невугільних родовищ за рахунок підвищення темпеобхідності збагачення бідного газу з відпрацьоваратури спалення, що забезпечують з допомогою ного простору виробок метаном, видобутим з вугірегенерації з використанням топочних газів. Як льних пластів, вугільних пластів з більшим вмістом варіант способу розглядається відведення топочметану, дебіт якого значно менший за дебіт бідноних газів з регенеративної камери спалення в паго газу з відпрацьованого простору виробок, обровий котел, пару з якого використовують в паромежує вибір потужності ГТУ можливостей збагавій турбіні з електрогенератором для одержання чення бідного газу. В прототипі не передбачені електричної енергії [3]. методи резервування газу збагачення. При нестачі Недоліки цього способу зв'язані з труднощами газу збагачення частина бідного газу залишається забезпечення високотемпературної регенерації. невикористаною, а зброс її в навколишнє середоКрім того, при високотемпературній регенерації вище пов'язаний зі значним негативним екологічустановка в значній мірі працює „сама на себе”, що ним впливом. значно зменшує товарний продукт. Цикл Ренкина, Дебіт газу збагачення, а також вмісткість меякий використовують в способі, теж є недостатньо тану в ньому можуть коливатись в процесі експлуефективним для виробництва електренергії. атації. Ці коливання будуть негативно позначатися Відомий спосіб безпосереднього використання на енергетичних показниках роботи ГТУ. Наявність метановмістного газу вугільних родовищ для вив робочому тілі компресора метану обмежує стуробництва електроенергії з використанням збагапінь стиснення робочого тіла і суттєво ступінь речення окислювача киснем [4]. В цьому способі газ генерації. Тому, незважаючи на регенеративний вугільних родовищ подають в газопоршневий двицикл ГТУ, її ефективність не може бути високою. гун разом з додатковим збагаченим киснем повітНе викликає сумніву і пожежонебезпечність викорям. Збагачення паливної суміші киснем забезперистання повітряно-метанової суміші як робочого чує більш високу температуру спалення газу тіла. вугільних родовищ в циліндрах двигуна і достатню Витрата газу з відпрацьованого простору виступінь його вигоряння. Збагачення повітря киснем робок і його склад можуть суттєво коливатися таздійснюють з допомогою мембранного сепараційкож, що спричинятиме й коливання потужності ного устрою. ГТУ. Для ГТУ цей фактор суттєво негативний, тому Недоліком цього способу є неможливість в що е фективність ГТУ при такому режимі роботи промислових умовах здійснити вказаним методом значно знижується. Тому з урахуванням поперезбагачення повітря киснем. Відомі ж промислові днього зауваження важко сподіватись на високу методи збагачення повітря киснем занадто енерефективність прототипу. Крім того, використання гоємні і дорогі для такого способу використання ГТУ передбачає великі потужності. Це значно звуметану вугільних родовищ . Крім того, метаножує область застосування прототипу, обмежуючи повітряна суміш, збагачена киснем, схильна до його шахтними підприємствами з великими видодетонації. Тому ступінь стиснення такої суміші не бутками газу. може бути високою, а це негативно виявляється Газ з відпрацьованого простору виробок може на потужності і ефективності двигуна. мати високу вологість, в тому числі і краплинну. Найбільш перспективними способами промисВелика вологість може вивести з ладу фільтри. лового використання метановмістного газу вугільВологість в краплинній формі разом з твердими них родовищ є способи використання збагаченого частками негативно газу вугільних родовищ. 5 24154 6 впливатиме на компресор, викликаючи ерозійвикористовува ти ексергію палива. Застосування ний знос його лопатей. В прототипі не передбачені когенераційних технологій пов'язане з підвищензаходи при використанні вологого газу. ням надійності роботи шахтного підприємства і В основу корисної моделі поставлено задачу значним економічним ефектом, що обумовлюється удосконалення способу використання метановмісвідмовою від дорогої мережевої електроенергії тного газу вугільних родовищ, підвищення ефектидля власних потреб підприємства, зменшенням вності його використання в підприємствах вугільпотреб в паливі для теплопостачання і можливістю ної промисловості шляхом впровадження новітніх продажу надлишку виробленої електричної та тетехнологій використання палива, а також розшиплової енергії в мережу. рення ресурсної бази для новітніх технологій. Використання саме газопоршневих двигунів Поставлена задача вирішується тим, що в (ГПД) в когенераційних технологіях при утилізації способі використання метановмістного газу вугільгазу дегазації розробляємих вугільних пластів з них родовищ для вироблення теплової та електсвердловин, пробурених з підземних виробок, є ричної енергії, який подають з шахтних виробок необхідним. Газопоршневі двигуни мають великий газопроводами, збирають, збагачують метаном, ККД (40-42%), на який практично не впливають видобутим з вугільних пластів, очищують від пилу і коливання потужності двигуна в діапазоні 50використовують для вироблення енергії, згідно 100%, що важливо в зв'язку з можливими коликорисної моделі, використовують вологий метанованням витрати паливного газу і вмісту в ньому вмістний газ дегазації розробляємих вугільних метану. ГПД маневрені, що важливо при швидко пластів з свердловин, пробурених з підземних визмінюючих навантаженнях, надійні і мають хороші робок, як паливний газ для двигунів в когенераційексплуатаційні характеристики. них установках для комбінованого вироблення Приоритет газопроводів подачі газу дегазації теплової та електричної енергії на базі газопоршрозробляємих вугільних пластів з підземних сверневих двигунів з електрогенераторами й котламидловин з найбільшою місткістю метану в газі в утилізаторами, який відбирають з газопроводів блок підготовки паливного газу є необхідним для подачі газу з підземних свердловин з приоритетом зменшення витрати багатого газу (яким може бути найбільшої вмісткості метану, виходячи з необхіді дорогий природний газ з газової магістралі) для ної витрати газу в двигунах, і направляють в блок збагачення відібраного газу з підземних свердлопідготовки паливного газу для його збагачення, вин (паливного газу). очищення і зниження вологості, після чого подаПодавати паливний газ в систему підготовки ють в циліндри двигунів, решту невикористаного паливного газу необхідно для його очистки і зменгазу з підземних свердловин з низьким вмістом шення вологості для подальшого використання в метану подають в свічу для спалення, а для збадвигуна х. гачення паливного газу використовують газ з техПодавати на свічу надлишковий збіднений газ ногенних свердловин, який очищують від твердих дегазації розробляємих вугільних пластів з підзечасток й краплинної вологи і направляють в блок мних свердловин необхідно, оскільки газ, який підготовки паливного газу, або природний газ з містить метан, значно більш небезпечніший еколомагістралі, який направляють в блок підготовки гічно, ніж продукти його спалення. паливного газу після дроселювання, механічну Збагачува ти паливний газ до 25% вмісткості енергію газопоршневих двигунів використовують метану необхідно для стабільної роботи двигунів. для вироблення електроенергії з допомогою елекВикористовувати для збагачення газ з технотрогенераторів, механічно зв'язаних з газопоршгенних свердловин (газ поверхневої дегазації) неневими двигунами, а викидні гази спрямовують в обхідно. Цей газ має високий вміст метану (90котли-утилізатори для одержання цільової тепло95%) і є побічним продуктом процесу поверхневої вої енергії, крім того, згідно корисної моделі, метадегазації вугільних пластів, яка є необхідним техновмісткий газ дегазації розробляємих вугільних нологічним процесом видобутку вугілля. Тому варпластів з свердловин, пробурінних з підземних тість цього газу низька. виробок, використовують в когенераційних устаноПередбачити використання природного газу як вках на базі газопоршневих двигунів форкамернорезервного чи допоміжного для збагачення паливго типу, а газ з техногенних свердловин після ного газу необхідно для надійності збагачення при очищення розділяють на два потоки, один з яких нестачі газу з те хногенних свердловин. направляють на збагачення паливного газу в блок Газ з техногенних свердловин (газ поверхнепідготовки паливного газу, а другий після нагрівої дегазації) очищати від твердих часток і крапвання - в форкамери двигунів. линної вологи необхідно для його подальшого виВикористання метановмісткого газу дегазації користання. розробляємих вугільних пластів з свердловин, На шахтних підприємствах зі значними видопробурених з підземних виробок, найбільш прийнбутками вугільного метану, де передбачено викоятне, бо дебіт його достатній при достатньо значристання ГПД великої потужності, саме двигуни ному вмісту метану (близько 18%). форкамерного типу є необхідними. Форкамери Використання метановмісткого газу дегазації забезпечують стабільну роботу двигунів великої розробляємих вугільних пластів з свердловин, потужності при порівняно невеликому вмісту метапробурених з підземних виробок, як паливного ну в паливному газі (близько 25%). Це суттєво, бо газу для двигунів в когенераційних установках для дозволяє знизити ступінь збагачення паливного комбінованого вироблення теплової та електричгазу, і знизити витрати на збагачення при викорисної енергії необхідне. Це найбільш прогресивні танні дорогого природного газу з магістралі. технології, які дозволяють найбільш ефективно 7 24154 8 Подавати газ з техногенних свердловин з вилону спрямовують в бак-дегазатор 9, з бакусокою концентрацією метану в форкамери двигудегазатора - в каналізацію. нів необхідно для стабільної роботи двигунів та В разі нестачі газу з техногенних свердловин в сталості процесу запалення в форкамерах від іссистему підготовки паливного газу для збагачення крової свічі. направляють природний газ з магістралі після його Розділяти газ з техногенних свердловин після дроселювання в дроселі 13. його очищення в разі використання двигунів форЗ системи підготовки 2 паливний газ подають камерного типу на два потоки необхідно для зав циліндри двигунів 5. Механічна робота двигунів 5 безпечення не тільки збагачення паливного газу перетворюється в електроенергію з допомогою газом з техногенних свердловин, але й подачі часелектрогенераторів 6, зв'язаних механічно з тептини газу з техногенних свердловин в форкамери ловими двигунами. Випускні гази з двигунів спрядвигунів. мовують в котел-утилізатор 7. Викидні гази з котСуть корисної моделі пояснюється кресленла-утилізатора викидають в атмосферу. ням, на якому зображена запропонована принциВидобуту електроенергію, а також цільову тепова схема комбінованого вироблення теплової та плоту з котла-утилізатора використовують для електричної енергії з використанням метановмістособистих потреб установки і шахтного підприємсного газу вугільних родовищ. тва. Надлишок електричної енергії передають в Газ дегазації розробляємих вугільних пластів з електричну мережу, а надлишок цільової теплоти з підземних свердловин відбирають з газопроводів котла-утилізатора спрямовують зовнішнім спожиподачі газу з приоритетом найбільшої вмісткості вачам 15, якими при достатній потужності когенеметану, виходячи з необхідної витрати газу в двираційних установок можуть бути комунальні підгуна х. Автоматична система аналізу газу в газоприємства. проводах подачі і система регулювання відбору В разі великого видобутку метану вугільних газу забезпечують відбір газу дегазації розробляродовищ і необхідності в застосуванні газопоршємих вугільних пластів з підземних свердловин невих двигунів великої потужності використовують для використання як паливного газу в двигуна х з двигуни форкамерного типу, які стало працюють газопроводів з найбільшим вмістом метану з допри збідненому паливному газі. В цих двигунах помогою пристрою для відбору і розподілу газу 1. запалення основної паливної суміші в циліндрах Це дозволяє сформувати більш багатий метаном двигунів відбувається з допомогою форкамери, паливний газ і зменшити ступінь послідуючого збакуди подають газ з високою концентрацією метану гачення за рахунок газу з техногенних свердловин (газ з техногенних свердловин) і де відбувається чи природного газу з магістралі. Відібраний газ його запалення від іскрової свічі. Запалення осно(паливний газ) направляють в систему підготовки вної паливної суміші в циліндрі відбувається за паливного газу 2 для його збагачення до 25% вмірахунок полум'я, яке просякає з форкамери в цисткості метану, очищення і зменшення вологості. ліндр. Газ з решти газопроводів з меншим вмістом При використанні газопоршневих двигунів фометану устрій 1 направляє в колектор бідного газу ркамерного типу газ з техногенних свердловин 3 для подачі на свічу 4. Спалювати зайвий бідний після очищення в циклоні 8 розподіляють на два газ необхідно для захисту навколишнього середопотоки з допомогою розділювача 10, один з котрих вища, бо продукти спалення газу менш шкідливі, подають на збагачення паливного газу в систему ніж сам газ. підготовки паливного газу 2, а другий - в нагрівач Для збагачення паливного газу в систему під11, в якому використовують теплоту з системи готовки паливного газу 2 подають додатково після охолодження двигунів для зниження відносної войого очищення в циклоні 8 газ з техногенних сверлогості другого потоку газ у, після чого його напрадловин (газ поверхневої дегазації), який має висовляють в форкамери двигунів 5 (п унктирні лінії). кий вміст метану (до 90-95%). Видобуток газу з ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: техногенних свердловин не є самоціллю. Це побі1. Н.М.Табаченко, Проблемы когенерации чний продукт поверхневої дегазації вугільних плаенергоносителей. // Уголь Украины, 2006, №5, стів, яка є необхідним технологічним процесом при с.18-24. видобутку вугілля. Це обумовлює його низьку вар2. Поляков В.И., Ме щеряков О.Н., Путилин тість. Але дебіт техногенних свердловин низький И.Г., Энергетические установки с газодизельными для самостійного використання газу як паливного двигателями, работащми на шахтном газе. // Продля двигунів. мышленная энергетика, 2001, №12, с.23-25. Газ з техногенних свердловин поступає з під3. Заявка РФ №98112607. вищеним тиском. Після зниження тиску в дроселі 4. Європейський патент ЕР 1191215, 2002-0312 газ подають в циклон 8 для очищення від твер27. дих часток завбільшки 5мкм і краплинної вологи, 5. Європейський патент GB 1224778, 1971-03після чого подають на збагачення паливного газу в 10і. систему підготовки паливного газу 2. Викид з цик 9 Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 24154 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601