Шахтный газ

Метан

 

По оценкам экспертов, одним из перспективных, местных источников энергии является шахтный (угольный) метан – высококачественный и экологический чистый энергоноситель. Многие ассоциируют шахтный метан как опасный спутник добычи угля. Однако при правильной утилизации шахтный метан становится перспективным и ценным видом топлива.

Этот газ имеет много названий: шахтный газ, рудничный газ, угольный метан, но наиболее распространенное название этого газа – шахтный метан. Этот газ бесцветен, не имеет запаха, с воздухом образует взрывоопасные смеси. Кроме метана в шахтный газ также могут входить углекислый газ, азот, кислород и другие элементы. [7.283c.]

Метан (СН₄) – газ без цвета, запаха и вкуса, с плотностью 0,55 по отношению к воздуху, выделяется из угля и горных пород в горные выработки и является наиболее опасной составной частью рудничной атмосферы. При нормальных условиях метан инертен и взаимодействует только с галоидами. В небольших концентрациях в воздухе для человека безвреден. Увеличение содержания метана в воздухе опасно из-за уменьшения содержания кислорода. Действие на организм человека метана при больших его концентрациях (50…80 %) и нормальном содержании кислорода практически не изучено.

Метан с воздухом образует горючие и взрывчатые смеси. При малых концентрациях (до 5 %) метан горит бледно-голубым пламенем, при концен-трациях более 14 % – синевато-голубым. Температура воспламенения метана 650…750 °С. Реакция горения в нормальных условиях приводит к образованию углекислого газа и воды:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

При недостатке кислорода, что характерно для подземных выработок, горение метана сопровождается образованием оксида углерода и водорода:

СН₄ + О₂ = СО + Н₂ + Н₂О.

Диапазон взрываемости метана 5…14 %. Сила взрыва зависит от количества метана в метановоздушной смеси. Наибольшей силы взрыв происходит при содержании в воздухе 9,5 % метана. При увеличении метана в воздухе часть его остаётся несгоревшей из-за недостатка кислорода. Поскольку теплоёмкость метана высока, то несгоревшая часть охлаждает пламя взрыва и при содержании метана в воздухе более 14…16 % происходит его полное самогашение и прекращение взрыва. Температура продуктов взрыва метана в неограниченном объёме 1875 °С, а в замкнутом объёме достигает величины 2150…2650 °С. Взрыв метана вызывает прямой удар, когда воздушная ударная волна распространяется от источника воспламенения к периферии, и обратный удар, когда взрывная волна, вследствие конденсации паров воды, движется к центру взрыва. По силе воздействия обратный удар слабее прямого. На фронте распространяющейся взрывной волны давление достигает 4…20 мПа.

Воспламенение метана после возникновения контакта с источником тепла происходит через некоторый интервал времени, который принято называть индукционным периодом. Причина этого заключается в особенности воспламенения метана, который вступает в реакцию горения после поглощения 92,5 кДж/моль тепла. Продолжительность индукционного периода уменьшается с ростом температуры воспламенения и незначительно увеличивается с увеличением содержания метана в воздухе. Наличие индукционного периода создаёт условия для предупреждения взрыва метановоздушной смеси при использовании предохранительных взрывчатых веществ, остывание продуктов разложения которых меньше промежутка воспламенения метана.

Объемы выделяемого газа зависят от способа добычи угля, дальности нахождения от выработки газоносных массивов, геологических и физических свойств пластов. Шахтный газ является прекрасным энергетическим топливом. Однако его теплотворная способность в значительной степени зависит от концентрации в нем метана.

Зависимость теплоты сгорания шахтного газа от концентрации метана:

Концентрация метана в шахтном газе, (%)
Теплота сгорания, МДж/кг	0.5	4.3	17.8	21.3	24.7	28.5	32.1

 

В настоящее время существует несколько методов добычи метана из угольных пластов. Один из них – дегазация угольных шахт, снижающая объемы выделения метана в горные выработки и обеспечивающая безопасность работ в метанообильных шахтах. В этом случае каптированный газ с разной концентрацией метана является попутным полезным ископаемым, снижающим себестоимость угля. Содержание метана в шахтном газе колеблется от 10 до 98%.

По своему составу шахтный газ, полученный этим способом, зачастую лучше природного газа, поскольку содержит меньше примесей и состоит, в основном, из чистого метана.

Шахтный газ, в зависимости от способа каптажа, обладает несколькими особенностями:

1. Загрязнен угольной пылью. Широкое распределение примесей по линейным размерам – от 0,01 до 1000 мкм.

2. При использовании водокольцевых вакуумнасосов имеет 100 % влажность.

3. При использовании роторных газодувок имеет температуру до +125 оС.

4. Не зависимо от способа каптажа имеет низкое давление на выходе из вакуум-насосной станции (от 0,2 до 0,4 бар. изб.). Из этого вытекает применение газопроводов большого диаметра – от 200 до 600 мм. [8.65c.]