способ обогащения метановоздушной смеси

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.

Описание изобретения к патенту

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 400С. Далее подогретую смесь вводят в верхнюю часть комплекта труб, наполненных катализатором с добавкой никеля, и осуществляют крекинг на катализаторе при температуре 850С [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.