Способ обогащения метановоздушной смеси

 

Изобретение относится к области дегазации угольных пластов и последующего обогащения метановоздушных смесей с целью использования их в качестве топлива. Техническим результатом изобретения является создание малооперационной технологии обогащения шахтных метановоздушных смесей, реализуемой на конструктивно простых надежных аппаратах без использования дорогостоящих материалов. Задача решается тем, что метановоздушную смесь нагнетают по периметру в среднюю зону герметичного резервуара вертикального типа, например вертикальный ствол отработавшей или закрывающейся шахты, в горизонтальной плоскости в направлении к его осевой линии. Из верхней части резервуара осуществляют отвод метана, а из донной части резервуара или ствола - воздух. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области дегазации угольных пластов и последующего обогащения извлеченных шахтных газов, в частности метановоздушных смесей с целью использования их в качестве топлива.

Известен способ переработки шахтного газа (метановоздушной смеси), включающий каталический крекинг, заключающийся в том, что каптированный газ под давлением вводят в подогреватель, после чего его смешивают с водяным паром и подогревают до 400°С. Далее подогретую смесь вводят в верхнюю часть комплекта труб, наполненных катализатором с добавкой никеля, и осуществляют крекинг на катализаторе при температуре 850°С [1, с.99].

Недостатком способа является его технологическая многооперационность, сложность аппаратурного оснащения и необходимость использования дорогостоящих каталитических материалов.

Известен мембранный способ обогащения метановоздушных смесей метаном на полимерных пленках и полых волокнах, включающий подачу метановоздушной смеси под давлением в резервуар, оснащенный газоразделительными пленками, обладающих высоким коэффициентом селективности, позволяющих получать почти чистый метан [2, с.14-17].

Недостатком указанного способа обогащения, принятого нами за прототип, является дороговизна мембранных пленок и малотоннажность их производства, что сдерживает широкую разработку и эксплуатацию установок для обогащения метановоздушных смесей метаном.

Задача предлагаемого изобретения заключается в создании малооперационной технологии обогащения шахтных метановоздушных смесей, реализуемой на конструктивно более простых надежных аппаратах без использования дорогостоящих материалов.

Задача решается тем, что в способе обогащения метановоздушной смеси, включающем нагнетание ее под давлением в резервуар, согласно изобретению метановоздушную смесь нагнетают по периметру в среднюю зону герметизированного резервуара вертикального типа в горизонтальной плоскости в направлении к его осевой линии, при этом из верхней части резервуара осуществляют отвод метана, а из его донной части – воздух. Кроме того, метановоздушную смесь могут нагнетать в вертикальный ствол отработавшей или закрывающейся угольной шахты.

Действительно, рассредоточенный (пространственный) по всему периметру резервуара (или шахтного ствола) ввод метановоздушной смеси в горизонтальной плоскости к его осевой линии предопределяет минимальные скорости его истечения, а следовательно, и наименьшую турбулентность потоков смеси, что способствует более эффективному ее расслоению на составляющие метан и воздух. Процессу расслоения смеси способствует также ее перемещение в горизонтальной плоскости в направлении к осевой линии резервуара (шахтного ствола), ибо в этом случае легкие компоненты смеси (метан-водород) отклоняются от указательной плоскости вверх, а более тяжелые (воздух и примеси: сероводород, углекислый газ и др.) отклоняются вниз в направлении к донной части резервуара (ствола).

Пространственные размеры резервуара (ствола) позволяют осуществить не только надежное разделение смеси на его составляющие, но и обеспечивают возможности аккумулирования метана, водорода в значительных объемах, а, следовательно, его стабильную подачу потребителю в качестве топлива с требуемыми параметрами по концентрации.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод, что оно существенно отличается от известного уровня техники введением новых существенных признаков, указанных выше, и соответствует критерию новизны, изобретательского уровня и промышленно применимо.

Предлагаемое техническое решение реализуется в устройстве, которое иллюстрируется чертежами, а именно:

на фиг.1 - общий вид резервуара (шахтного ствола) для обогащения метановоздушной смеси; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез В-В на фиг.2.

Аппарат для обогащения метановоздушной смеси (фиг.1, 2, 3) включает в себя вертикальный шахтный ствол 1, герметизированный перекрытием 2, трубопроводы подачи метановоздушной смеси 3, объединенные газораспределительным насадком 4. Насадок 4 (фиг.2, 3) представлен тором с круговой щелью 5, выполненной по внутреннему наименьшему диаметру. Для отвода воздуха предусмотрен вертикальный трубопровод 6, а для отвода метана и других “легких” газов (водород) предусмотрен отвод 7. Отметим, что в общем случае может быть использован наклонный шахтный ствол с достаточным углом наклона, например 30° и выше, при этом могут быть использованы шахтные стволы обоих видов как на отработавших, так и на закрывающихся шахтах, что позволяет решить вопрос их утилизации и позволит накапливать значительные объемы метана.

Отметим также, что все трубопроводы аппарата обогащения оборудованы регулируемыми задвижками с электроприводом, а воздухоотводящий трубопровод 6 и трубопровод отвода метана 7 оснащены метановыми датчиками и анализаторами, позволяющими осуществлять контроль и концентрацию метана в отводимых потоках газа.

В более общем виде в качестве аппаратов обогащения метановоздушной смеси могут быть использованы наземные металлические и железобетонные резервуары вертикального типа, т.е. сооружения, высота которых значительно превосходит их поперечные размеры в плане, при этом высота сооружения определяется исходя из необходимой степени обогащения смеси и объема аккумулирования метана. При использовании шахтных стволов последние герметизируют от утечки газа метана, а также от притока в ствол подземных вод.

Способ обогащения метановоздушной смеси реализуется на предлагаемом аппарате (на примере использования вертикального ствола отработавшей или закрывающейся шахты, фиг.1, 2, 3) следующим образом.

Из дегазационных скважин, пробуренных с поверхности в толщу угольных пластов, с помощью газоотсасывающих установок метановоздушная смесь по локальным трубопроводам подается на общий коллектор, из которого по трубопроводам 3 его под давлением подают, как правило, в среднюю зону вертикального шахтного ствола, т.е. в зону между зонами отвода метана и воздуха, находящихся в противоположных друг от друга участках ствола, а именно зона отвода метана в верхней части ствола, а зона отвода воздуха в нижней (донной) части ствола.

Известно [1, с.95], что более половины дегазационных установок угольных шахт выдают на поверхность газовоздушную смесь с содержанием метана менее 30% (некондиционный газ), непосредственное использование такой смеси практически невозможно, в связи с чем его использование возможно только после обогащения (до содержания метана от 30% до предельного значения).

В предлагаемом техническом решении использован принцип разделения в гравитационном поле Земли компонентов смеси с различными удельными весами, а именно: метан в 1,8 раза легче воздуха, что предопределяет его выделение из воздуха при создании соответствующих условий, исключающих турбулентный режим движения смеси в аппарате.

Руководствуясь этими принципами, смесь по трубам 3 подают на кольцевой газораспределительный насадок 4 с боковой круговой щелью 5, через которую смесь выпускают в горизонтальном направлении по всему периметру насадка к центральной оси ствола в режиме ламинарного движения путем регулирования задвижками, установленными на трубопроводах 3 (фиг.2).

Перемещаясь в горизонтальной плоскости (фиг.3), смесь разделяют на “легкие” и “тяжелые” ее составляющие, а именно метан (водород, в случае его присутствия) направляется в верхнюю зону ствола, а воздух и примеси (углекислый газ, сероводород) - в нижнюю (донную) зону ствола.

В результате разделения компонентов происходит обогащение метана и его аккумулирование в верхней зоне ствола.

Для обеспечения непрерывности процесса обогащения производят непрерывный отбор метана из ствола через трубопровод 7 и отбор воздуха с примесью негорючих газов через трубопровод 6, причем путем регулирования задвижками на трубопроводах 6 и 7 (не показаны) обеспечивают равенство расходов компонентов (метана и воздуха) расходу метановоздушной смеси, поступающей в ствол по трубопроводам 3 от дегазационных скважин.

Обогатительный аппарат оснащают системой автоматического управления, регулирования, защиты и сигнализации, которые обеспечивают необходимый режим эксплуатации и эффективность предлагаемого процесса обогащения метана.

Источники информации

1. Жуков В.Е., Выстороп В.В., Колчин А.М., Григорюк Е.В. Малоотходная технология добычи угля, Киев, “Техника”, 1984.

2. Журнал “Уголь” №1, 1989, с.14-17.

Формула изобретения

1. Способ обогащения метановоздушной смеси, включающий нагнетание ее под давлением в резервуар, отличающийся тем, что нагнетание метановоздушной смеси осуществляют по периметру в среднюю зону герметизированного резервуара вертикального типа в горизонтальной плоскости в направлении к его осевой линии, при этом из верхней части резервуара осуществляют отвод метана, а из его донной части - воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагнетание метановоздушной смеси осуществляют в вертикальный ствол отработавшей или закрывающейся угольной шахты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3