способ выделения метана из шахтной метановоздушной смеси и установка для его осуществления

Классы МПК:E21F7/00 Способы или устройства для отсасывания рудничных газов без последующего использования или с использованием этих газов для каких-либо целей
C07C7/11 абсорбцией, те очистка или разделение газообразных углеводородов с помощью жидкостей
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Астановский Дмитрий Львович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-05-07
публикация патента:

Изобретение относится к горной, в первую очередь - угольной, промышленности и может использоваться для выделения метана из шахтной метановоздушной смеси и выдачи его потребителям в качестве товарного продукта. Способ выделения метана из шахтной метановоздушной смеси характеризуется тем, что исходную метановоздушную смесь, всасываемую вентилятором из подземных выработок, подвергают водной пылеочистке, затем подают в абсорбер, где метановоздушная смесь вступает в контакт с поглощающим метан сорбентом. Воздух, очищенный от пыли и метана, возвращают в рабочую зону шахты или выбрасывают в атмосферу. Насыщенный метаном сорбент нагревают до температуры 60-80°С, выделяющийся при этом метан очищают от капель сорбента, после чего направляют для последующего использования в качестве товарного продукта. Регенерированный сорбент вновь подают в абсорбер, причем тепло нагретого в десорбере регенерированного сорбента рекуперируют, передавая его в обратном теплообменнике поступающему в десорбер насыщенному метаном сорбенту. Предложено устройство для реализации этого способа. Технический результат - повышение уровня безопасности эксплуатации угольных шахт, выделение метана как товарного продукта, существенное уменьшение выброса метана в атмосферу. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

способ выделения метана из шахтной метановоздушной смеси и установка   для его осуществления, патент № 2405114

Формула изобретения

1. Способ выделения метана из шахтной метановоздушной смеси, характеризующийся тем, что исходную метановоздушную смесь, всасываемую вентилятором из подземных выработок, подвергают водной пылеочистке, затем подают в абсорбер, где метановоздушная смесь вступает в контакт с поглощающим метан сорбентом, воздух, очищенный от пыли и метана, возвращают в рабочую зону шахты или выбрасывают в атмосферу, а насыщенный метаном сорбент нагревают до температуры 60-80°С, выделяющийся при этом метан очищают от капель сорбента, после чего направляют для последующего использования в качестве товарного продукта, а регенерированный сорбент вновь подают в абсорбер, причем тепло нагретого в десорбере регенерированного сорбента рекуперируют, передавая его в обратном теплообменнике поступающему в десорбер насыщенному метаном сорбенту.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве сорбента используют жидкие нефтяные фракции с температурой кипения не выше 350°С.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве сорбента используют минеральные масла.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что перед поступлением метана на очистку от капель сорбента легкокипящие фракции сорбента охлаждают и конденсируют в конденсаторе с водяным охлаждением.

5. Установка для выделения метана из шахтной метановоздушной смеси, содержащая последовательно соединенные трубопроводами вентилятор, всасывающий из подземных выработок метановоздушную смесь; водяной пылеуловитель с патрубком подвода исходной метановоздушной смеси, патрубком отвода очищенной от пыли метановоздушной смеси, патрубком подвода воды и патрубком для выгрузки осадка; абсорбер с патрубком подвода очищенной от пыли метановоздушной смеси, патрубком подвода регенерированного сорбента, патрубком сброса воздуха, очищенного от пыли и метана, в рабочую зону шахты или в атмосферу и патрубком отвода насыщенного сорбента, соединенным с всасывающим патрубком насоса насыщенного сорбента; обратный теплообменник, одна полость которого соединена входным патрубком с напорным патрубком насоса насыщенного сорбента, а выходным патрубком - с патрубком подвода насыщенного сорбента к десорберу; десорбер, снабженный установленным в нижней части нагревателем, а в верхней части - каплеотбойником и патрубком отвода чистого метана, а также патрубком подвода насыщенного сорбента и патрубком отвода регенерированного сорбента, соединенным с входным патрубком второй полости обратного теплообменника; насос регенерированного сорбента, всасывающий патрубок которого соединен с выходным патрубком второй полости обратного теплообменника, а напорный патрубок - с патрубком подвода регенерированного сорбента к абсорберу.

6. Установка по п.5, характеризующаяся тем, что в верхней части десорбера перед каплеотбойником установлен водяной конденсатор испарившихся легких фракций сорбента.

7. Установка по п.5, характеризующаяся тем, что обратный теплообменник выполнен по радиально-спиральному типу.

8. Установка по п.5, характеризующаяся тем, что в ней применены пылеуловитель и абсорбер преимущественно пенного типа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной, в первую очередь - угольной, промышленности и может использоваться для выделения метана из шахтной метановоздушной смеси и выдачи его потребителям в качестве товарного продукта.

Важнейшей задачей при проведении горных работ, в частности при добыче угля, является обеспечение безопасности, в первую очередь исключение возможности образования в забоях и других зонах шахты метановоздушной смеси взрывоопасной концентрации.

Кроме того, целесообразно обеспечить выделение метана из шахтной метановоздушной смеси, что позволяет получить ценный продукт, а также уменьшить загрязнение метаном окружающей среды. Решение последней задачи особенно важно потому, что парниковый эффект метана в 23 раза превышает этот показатель диоксида углерода.

Основным методом поддержания в шахтах взрывобезопасной воздушной среды является принудительное их проветривание с помощью вентиляционных установок, установленных на поверхности. Требования к системам вентиляции шахт установлены разделом III «Правил безопасности в угольных шахтах» № ПБ 05-618-03. Эти «Правила способ выделения метана из шахтной метановоздушной смеси и установка   для его осуществления, патент № 2405114 » регламентируют организацию вентиляции, значения предельной концентрации метана в воздушной среде шахты и другие параметры. Однако они не предусматривают пути и возможности выделения метана из шахтного воздуха с целью его последующего использования, а также защиты окружающей среды.

Существует большое количество публикаций и патентов, посвященных вопросам поддержания взрывобезопасной воздушной среды в подземных выработках.

Известен способ удаления метана вместе с исходящей струей воздуха и выбрасывания его вентиляторами, многократно описанный в литературе (см., например, Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. - М.: Углетехиздат, 1959, с.260-263). Недостатком способа является отсутствие полезного использования метана, содержащегося в смеси, и, как следствие, большое загрязнение окружающей среды.

Известен способ улавливания метановоздушной смеси с помощью дегазационной сети трубопроводов, подсоединенных к устьям скважин, с последующей выдачей смеси на поверхность вакуумными насосами (Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. - М.: Недра, 1981, с.67). Недостатки способа заключаются в больших затратах на изготовление и монтаж дегазационных труб и вакуумных насосов, а также выброс метана в атмосферу.

Известен способ утилизации шахтной метановоздушной смеси (патент RU № 2096626, Кл. E21F 7/00, опубл. 20.11.97, бюл. № 32), предусматривающий всасывание метановоздушной смеси вентиляционной струи шахты, центробежное разделение ее на три потока - с высоким содержанием метана (более 80%), обогащенного метаном (до 5%) и с низкой концентрацией метана (менее 0,05%), причем первые два потока раздельно сжимают с помощью компрессоров до давления 0,5-0,7 МПа, после чего направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, а третий поток выбрасывают в атмосферу. На валу двигателя может быть установлен электрический генератор или иной потребитель энергии вращательного движения вала. Недостатками этого способа являются следующие:

- не предотвращается возможность транспортировки через рабочую зону шахты и вентиляционные каналы метановоздушной смеси, имеющей взрывоопасную концентрацию метана;

- исключается возможность выдачи метана в качестве товарного продукта потребителю;

- предусматривается сброс части метана, содержащегося в метановоздушной смеси, в атмосферу;

- установка, в которой реализуется данный способ, содержит ряд сложных дорогостоящих и требующих обслуживания составных частей (газотурбинного двигателя, компрессоров и др.).

Известен также способ улавливания метана на вентиляционном горизонте угольной шахты (патент RU № 2109959, Кл. E21F 1/00, 1/14, опубл. 27.04.98, бюл. № 12), согласно которому к вентиляционному окну в перемычке, расположенной в исходящей из лавы струе воздуха, периодически подсоединяют гибкие емкости с зажимами на концах и заполняют их проходящей метановоздушной смесью для последующей выдачи емкости на поверхность шахты, причем скорость и количество воздуха в очистном забое регулируют изменением степени открытия двери, установленном в вентиляционном окне. Способ имеет следующие недостатки:

- недостаточная эффективность способа, т.к. заполнение емкостей метановоздушной смесью осуществляется периодически, а в остальное время смесь выбрасывается на поверхность без обработки, загрязняя атмосферу метаном;

- сложность организации работы устройства, связанная с необходимостью многократной доставки на поверхность заполненных емкостей и возврата их после опорожнения в вентиляционную выработку, а также с обеспечением своевременной и надежной стыковки емкостей с окном и с управлением зажимами.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ извлечения метана из угольного пласта (патент RU № 2256079, E21F Кл. 7/00, 43/00, опубл. 10.07.04, Бюл. № 19), предусматривающий создание замкнутой циркуляционной системы, образуемой нагнетательной и добычной скважинами, имеющими перфорированные по длине горизонтальные участки с расположенными между ними фильтрационными каналами, станцией сепарации метана и насосной станцией, соединенными системой наземных трубопроводов. В угольный пласт по нагнетательной скважине закачивают сорбент в виде широкой фракции жидких легких углеводородов с последующим отводом его вместе с сорбированным метаном через добычную скважину на поверхность в станцию десорбции, где метан отделяют и направляют потребителю, а освобожденный от газа сорбент вновь закачивают в пласт по нагнетательной скважине. Недостатки данного способа заключается в следующем:

- по мере выработки угольного пласта необходимо бурить новые нагнетательные и добычные скважины с горизонтальными участками и фильтрационными каналами, что существенно увеличивает трудоемкость и стоимость работ по утилизации шахтного метана, особенно при добыче угля на больших глубинах;

- нагнетание сорбента в угольный пласт, прокачка его через фильтрационные каналы и подъем насыщенного метаном сорбента на поверхность шахты до станции сепарации связаны с большими энергозатратами на привод циркуляционных насосов;

- неизбежны потери сорбента при прокачке его через угольный пласт, а также через нагнетательную и добычную скважины, что увеличивает эксплуатационные расходы;

- затруднено удаление метана из тупиковых выработок.

Задачей предложенного способа выделения метана из шахтной метановоздушной смеси является повышение уровня безопасности эксплуатации угольных шахт, загазованных метаном и предотвращение образования взрывоопасных смесей воздуха и метана в подземных выработках.

Задачей способа является также обеспечение возможности выделения метана из шахтной метановоздушной смеси для его полезного использования в качестве товарного продукта.

Задачей способа является также снижение выброса метана в атмосферу и тем самым - снижение техногенной нагрузки на окружающую среду.

Поставленные задачи решается тем, что в способе выделения метана из шахтной метановоздушной смеси исходную метановоздушную смесь всасывают вентилятором из подземных выработок, подвергают водной пылеочистке, затем подают в абсорбер, где метановоздушная смесь вступает в контакт с поглощающим метан сорбентом, воздух, очищенный от пыли и метана, возвращают в рабочую зону шахты или выбрасывают в атмосферу, а насыщенный метаном сорбент нагревают до температуры 60-80°С, выделяющийся при этом метан очищают от капель сорбента, после чего направляют для последующего использования в качестве товарного продукта, а регенерированный сорбент вновь подают в абсорбер, причем тепло нагретого в десорбере регенерированного сорбента рекуперируют, передавая его в обратном теплообменнике поступающему в десорбер насыщенному метаном сорбенту.

В качестве сорбента можно использовать нефтяные фракции с температурой кипения не выше 350°С или минеральные масла.

Решение поставленных задач достигается также тем, что установка для выделения метана из шахтной метановоздушной смеси, в которой реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные трубопроводами вентилятор, всасывающий из подземных выработок метановоздушную смесь; водяной пылеуловитель с патрубком подвода исходной метановоздушной смеси, патрубком отвода очищенной от пыли метановоздушной смеси, патрубком подвода воды и патрубком для выгрузки осадка; абсорбер с патрубком подвода очищенной от пыли метановоздушной смеси, патрубком подвода регенерированного сорбента, патрубком сброса воздуха, очищенного от пыли и метана, в рабочую зону шахты или в атмосферу и патрубком отвода насыщенного метаном сорбента, соединенным с всасывающим патрубком насоса насыщенного сорбента; обратный теплообменник; одна полость которого соединена входным патрубком с напорным патрубком насыщенного сорбента, а выходным патрубком - с патрубком подвода насыщенного сорбента к десорберу; десорбер, снабженный установленным в нижней части нагревателем, а в верхней части - каплеотбойником и патрубком отвода чистого метана, а также патрубком подвода насыщенного сорбента и патрубком отвода регенерированного сорбента, соединенным с входным патрубком второй полости обратного теплообменника; насос регенерированного сорбента, всасывающий патрубок которого соединен с выходным патрубком второй полости обратного теплообменника, а напорный патрубок - с патрубком подвода регенерированного сорбента к абсорберу.

Кроме того, если в сорбенте содержатся легкокипящие фракции, то перед каплеотбойником целесообразно установить конденсатор с водяным охлаждением для конденсации паров этих фракций и предотвращения их уноса с метаном.

Кроме того, для обеспечения эффективной рекуперации тепла путем передачи его от потока регенерированного сорбента к потоку насыщенного сорбента целесообразно применять обратный теплообменник радиально-спирального типа, отличающийся от теплообменников других типов компактностью и небольшим гидравлическим сопротивлением.

Кроме того, для обеспечения эффективной очистки метановоздушной смеси от пыли и других твердых частиц, а также высокой степени улавливания метана сорбентом целесообразно применять пылеуловитель и абсорбер пенного типа, имеющие весьма небольшое гидравлическое сопротивление.

Такие установки могут размещаться как непосредственно в подземных выработках, так и на поверхности шахты.

На чертеже показана принципиальная технологическая схема установки, выполненной с использованием предложенного способа.

На схеме обозначены следующие элементы:

1 - вентилятор,

2 - пылеуловитель,

3 - абсорбер,

4 - насос насыщенного сорбента,

5 - обратный теплообменник,

6 - десорбер,

7 - нагреватель,

8 - каплеотбойник,

9 - конденсатор,

10 - насос регенерированного сорбента,

11-22 - линии подвода-отвода рабочих сред.

Предложенный способ и установка на его основе работают следующим образом.

Метановоздушная смесь всасывается вентилятором 1 из различных рабочих зон шахты и по линии 11 подается в водяной пылеуловитель 2 преимущественно пенного типа, где промывается водой и отделяется от пыли и других твердых частиц, которые опускаются в нижнюю часть аппарата и периодически, по мере накопления, выводятся наружу через патрубок 12. Для компенсации утечек воды предусмотрена подпитка по линии 13.

Очищенная в пылеуловителе 2 метановоздушная смесь по линии 14 поступает в абсорбер 3 преимущественно пенного типа, где вступает в контакт с регенерированным сорбентом, подаваемым в абсорбер 3 по линии 15. Метан поглощается сорбентом, а чистый воздух по линии 16 сбрасывается в рабочую зону шахты или в атмосферу. Насыщенный метаном сорбент забирается из абсорбера по линии 17 насосом 4, прокачивается по линии 18 через обратный теплообменник 5, после чего подается по линии 19 в десорбер 6, в нижней части которого установлен нагреватель 7, с помощью которого насыщенный метаном сорбент нагревается до 60-80°С, в результате чего метан выделяется из сорбента, поднимается в верхнюю часть десорбера 6, отделяется в каплеотбойнике 8 от капель сорбента и по линии 20 выводится наружу в виде товарного продукта. При наличии в сорбенте легкокипящих фракций, выделяющихся из сорбента при его нагреве, в верхней части десорбера 6, перед каплеотбойником 9 должен быть установлен конденсатор с водяным охлаждением для конденсации паров легкокипящих фракций. Регенерированный сорбент из десорбера 6 по линии 21 подается во вторую полость обратного теплообменника 5, отдает тепло потоку насыщенного сорбента, после чего по лини 22 охлажденный регенерированный сорбент забирается насосом 10 и вновь по линии 15 подается в абсорбер 3.

В качестве обратного теплообменника применен теплообменный аппарат радиально-спирального типа, в котором обеспечивается эффективный теплообмен между потоками насыщенного и регенерированного сорбента.

Предложенный способ и установка на его основе имеют следующие существенные преимущества:

а) обеспечивается отвод метановоздушной смеси из участков шахты с наиболее интенсивным выделением метана, благодаря чему существенно повышается безопасность работ в шахте;

б) выделение метана из метановоздушной смеси может производиться непосредственно на уровне горных выработок, где осуществляется добыча угля или другого продукта, благодаря чему исключается опасность транспортировки на поверхность шахты метановоздушной смеси с взрывоопасной концентрацией метана;

в) существенно сокращается количество метана, выбрасываемого в атмосферу, что существенно улучшает экологическую обстановку в районе добычи угля;

г) метан, выделенный из метановоздушной смеси, выдается на поверхность шахты в виде товарного продукта.

Класс E21F7/00 Способы или устройства для отсасывания рудничных газов без последующего использования или с использованием этих газов для каких-либо целей

способ определения газокинетических характеристик угольного пласта -  патент 2526962 (27.08.2014)
щиток контроля газовыделения с поверхности обнажения угольного пласта -  патент 2526432 (20.08.2014)
способ интенсификации добычи природного газа из угольных пластов через скважины -  патент 2524583 (27.07.2014)
способ разработки газоносной свиты угольных пластов -  патент 2522583 (20.07.2014)
способ добычи метана из угольных пластов -  патент 2521098 (27.06.2014)
способ дегазации угольного пласта -  патент 2520669 (27.06.2014)
способ дегазации мощного угольного пласта при его отработке по системе "слой-пласт" -  патент 2516674 (20.05.2014)
способ обработки информации о концентрации метана в подготовительной выработке -  патент 2514313 (27.04.2014)
способ управления газовыделением при отработке склонного к самовозгоранию угольного пласта -  патент 2512049 (10.04.2014)
способ воздействия на угольный пласт -  патент 2511329 (10.04.2014)

Класс C07C7/11 абсорбцией, те очистка или разделение газообразных углеводородов с помощью жидкостей

способ выделения этилена полимеризационной чистоты из газов каталитического крекинга -  патент 2501779 (20.12.2013)
способ подготовки углеводородного газа к однофазному транспорту -  патент 2497571 (10.11.2013)
способ и система очистки биогаза для извлечения метана -  патент 2495706 (20.10.2013)
способ извлечения ароматических углеводородов из коксового газа абсорбцией -  патент 2476584 (27.02.2013)
способ подготовки углеводородного газа -  патент 2460759 (10.09.2012)
способ сепарации газа метанола и производства малоуглеродистого алкена полимеризационного уровня -  патент 2427561 (27.08.2011)
способ очистки от эфира паровоздушной смеси, образующейся при хранении метил-трет-бутилового, этил-трет-бутилового эфиров и при заполнении ими емкостей -  патент 2422421 (27.06.2011)
способ утилизации низкопотенциальных газов -  патент 2396106 (10.08.2010)
способ очистки углеводородных газов -  патент 2385180 (27.03.2010)
способ выделения олефина из газового потока -  патент 2355671 (20.05.2009)
Наверх