Category: технологии

Category was added automatically. Read all entries about "технологии".

Добро пожаловать и немного о журнале

В этом журнале размещаются только (почти только) статьи, интервью и прочие материалы по теме малой энергетики, экологии, безопасности инфраструктуры, перспективным проблемам квалифицированного терроризма, изменениям климата и прочим вещам, далёким от нашей повседневной жизни, интересным и касающимся лишь специалистов.

Учитывая, что указанные тематики сродственны, в каждой отдельной статье затрагивается ряд из них. Например, что делать с проблемой выхода из строя газопроводов по причине непрерывного смещения границы вечной мерзлоты, как жить в Москве, если любители коротких штанов и помещающейся в кулак бороды начнут запускать дроны, рассеивающие в засуху пирофорные элементы над лесами и торфяниками, а зимой – замыкать Московское энергетическое кольцо?
Что делать, что бы в доме были свет и тепло, когда сила ураганного ветра в московском регионе достигает значений, на которые не рассчитаны опоры даже новых высоковольтных ЛЭП. И правда ли, что зима будет теплой, а на пальмах в Новосибирске начнут цвести ананасы т.к. идёт глобальное потепление, а не глобальная оттепель при очередном ледниковом периоде.
Почему plug-in hybrid, солнечные батареи на крыше и наличие колодца могут стать средством выживания читателя в грядущем. И можно ли будет жить в городе, где неустранимые уязвимости систем вентиляции и водоснабжения потребуют для кардинальной модернизации до 8-ми доходных частей бюджета России целиком.
Для чего в многоэтажном доме (МКД) может потребоваться буржуйка, подключённая к системе отопления всего дома, где можно будет сжигать мебель, паркет, ТБО и деревья с округи. И при каких обстоятельствах от наличия такого водогрейного котла на твёрдом топливе будет завесить жизнь обитателей дома. И почему, если такой водогрейный котёл будет вырабатывать немного электроэнергии, нужной для работы его автоматики и систем циркуляции теплоносителя, это позволит снизить смертность в МКД, оставшихся без света, тепла и газоснабжения в самую холодную пятидневку.
Что делать, когда блэкаут (каскадная авария в электросетях) произошёл холодным вечером, метро замерло, пробки из трамваев троллейбусов и личных машин засыпало снегом, до вокзала не доехать, а электрички на дачу встали. Да и скорая, полиция, службы охраны перестали реагировать на звонки. В сети ток напряжением 0 Вольт с частотой 0 Гц, надёжная дверь с электромагнитным замком открылась и в квартиру скребутся трудолюбивые гастарбайтеры в поисках хозяев той новой и дорогой Camry, у которых в баре стоят бутылки с харамом и точно есть чем поживиться на дозу.
Также затронем тематику реконструкции МКД, а не их сноса под видом реновации и как это связано с майнингом биткойнов и риском того, что будет подорвана продовольственная безопасность путём точечного заражения террористами, например, 0,001% посевов сильнодействующими ядам, когда остальные 99,999% сельхозпродукции будет хоть и безопасно но страшно есть.
И рассмотрим вопросы повышения энерогэффективности и экологичности, создания дружественной окружающей среды, устойчивого развития и решений в стиле win-win, что бы всё указанное выше реализовалось от слова никогда, благодаря работе эффективныйх менеджеров и мудрому руководству нашими невороватыми рабами с галер.

Все публикуемые материалы написаны только автором, его коллегами или являются их интервью, докладами и т.п.
Автор будет рад любой критике, замечаниям и т.п. Наиболее желательна критика с указанием замеченных ошибок и с приведением доводов. Всегда буду рад развернуто на неё ответить и учесть в работе, ежели критика конструктивна. Неконструктивной критике также рад – она повышает рейтинг и всякие там хирши с уDOIями :) Ещё можете похвалить, если материал понравился, но это не очень требуется.
Если у читателя возникнет продолжение по новому направлению, не затронутому в исследованиях, всегда буду рад обсудить тему, а равно рассмотреть возможность внедрения разработанных технических и организационных мероприятий по снижению риска потенциальной гибели населения в ЧС, защите производств от инфраструктурных рисков и прочих оскалов будущего, рассмотренных в материалах.

Заглянувшие сюда могут прочитать и фельетон биографии автора странички.

Желаете зафрендить милости прошу. В друзья взаимно добавляю. Если добавили, то лучше отпишитесь в этом посте, что бы не сложилась ситуация, что случайно пропустил сообщение о добавлении в друзья.

P.S. Некоторые более свежие материалы, не выложенные в ЖЖ, доступны на сайте "Academia.edu".

P.P.S. Все остальные темы могут обсуждаться в песочнице, например в Facebook, Twitter, Linkedin и в прочих сетях, куда теперь практически не заглядываю:

[Ссылки]
Зеркало журнала по адресу: http://lj.rossia.org/users/samo_de1kin/

В ответ на новую политику "ЖЖ" настоящим я объявляю, что все мои персональные данные, фотографии, рисунки, переписка и так далее, являются объектами моего авторского права (согласно Бернской Конвенции). ДЛЯ КОММЕРЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ всех вышеупомянутых объектов авторского права в каждом конкретном случае необходимо мое письменное разрешение. Если использование некоммерческое, то допустимо копирование материалов при наличии ссылки на источник или активной ссылки в электронном материале.

Чем опасен «умный дом»

Чем опасен «умный дом»

Так ли уж безопасно на самом деле современное жилье


Андрей Захарченко, "Свободная Пресса"

Модная волна разговоров об инновациях дошла и до нашего жилья в виде концепции «умного дома». Для многих это понятие является чем-то аморфным, как нанотехнологии и модернизация. Вроде бы, внедрять надо, но не ясно, для чего и каким образом. Однако российские девелоперы довольно активно пользуются этим термином, стремясь повысить продажи в том или ином жилом комплексе.


На первый взгляд, в этом нет ничего зазорного. Даже наоборот — свидетельствует, на первый взгляд, о высоком уровне развития строительной отрасли. Но каждая технология, помимо плюсов, таит в себе еще и новые риски. Именно их «СП» обсудила с генеральным директором компании «ОЦР Технологии» Владиславом Велицко (samo_de1kin), не один год занимающимся выявлением неочевидных критических уязвимостей в инфраструктуре отечественных городов и разработкой технологий их защиты.


Collapse )
Несколько слов о том, какие риски представляют системы умного дома и какие уязвимости содержат "Интернет вещей" и домашние роботизированные платформы при обращении на них деструктивного внимания.

Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод



УДК 628.3
Технология локальной вакуумной переработки стоков и соленых вод с производством технической воды и электроэнергии

© В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»

Опубликована в журнале Эффективные технологии утилизации отходов, №5–6, 2015 г., С.17–25

Задача эффективной переработки канализационных стоков является ключевой для обеспечения функционирования населенных пунктов как по причине повышения экологической и энергетической эффективности, так и по причине устойчивости систем жизнеобеспечения мегаполисов к природным катастрофам и целенаправленным деструктивным воздействиям. В статье рассмотрены технологии первичной переработки канализационных стоков как коммунально-бытового, так и промышленного происхождения, позволяющие экономически эффективно утилизировать их тепло для производства технической воды и электроэнергии. Также показана возможность производства обезвоженного осадка сточных вод с использованием тепломассобменного оборудования вместо флокулянтов и сепарационных систем. Показана технология тепломассобменного опреснения морской воды, геотермальных вод и рассолов с параллельным производством электроэнергии.

Ключевые слова: утилизация канализационных стоков, обезвоженный осадок сточных вод, технология локальной вакуумной переработки, биогазовые установки, жизнеобеспечение городов, отечественные исследования.

Стоки: «неприятный» отход или полезное сырье?
Канализационные стоки, к которым относятся стоки коммунально-бытового, промышленного и ливневого происхождения, принято рассматривать как «неприятный» отход, который желательно как можно быстрее удалить, подав его по существующей канализационной системе на очистные сооружения местного водоканала. Если вдруг это невозможно, тогда коммунальные и производственные потребители начинают решать задачу по локальному сбору стоков (септики в коммунальном секторе) или по их локальной переработке на собственных очистных сооружениях(в промышленности). При необходимости сооружаются локальные биогазовые, флотационные установки, системы вакуумной канализации и т. п. Переработчики при этом понимают, что данные сооружения практически никогда не окупятся.

Однако, помимо того что сточные воды являются отходом, который необходимо быстро утилизировать, затратив минимальное количество средств, они являются сырьем, с помощью которого можно получать:
низкопотенциальное тепло (с использованием тепловых насосов);
техническую воду;
биогаз.
01.jpg

1. Раздача питьевой воды в зоне катастрофы [9]

Collapse )

ИННОВАЦИОННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ГАЗОГИДРАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА..

Научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий» Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 19–20 марта 2013 г.
УДК 532.546:536.421

ИННОВАЦИОННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ГАЗОГИДРАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА ИЗ БИОГАЗА И СВАЛОЧНОГО ГАЗА

Велицко В.В.

Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К., г. Москва

Одной из ключевых статей расходов сельхозпредприятий, прямо влияющих на рентабельность производства, являются затраты на электроэнергию, теплоснабжение и моторное топливо. В этой связи актуальна организация автономного производства моторного топлива путем переработки биомассы сельскохозяйственных отходов в биогаз, выделение из него энергоносителя - метана и компактирование метана для хранения, транспортировки и последующего использования в двигателях внутренне- го сгорания.
Традиционные технологии производства моторного топлива из биогаза преду- сматривают очистку биогаза от углекислого газа и примесей сероводорода и ком- примирование (сжатие) до 160 – 200 атм на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС). Сложность очистки, хранения, заправки авто- парка, высокие капитальные и эксплуатационные затраты существенно огра- ничивают применение таких технологий в условиях сельскохозяйственного произ- водства.
Предлагаемая альтернативная технология производства моторных топлив включает одностадийное выделение из биогаза целевого продукта - метана и его пе- ревод в газогидрат, являющийся твёрдым соединением метана и воды. Процесс осу- ществляют охлаждая и сжимая биогаз и смешивая его затем с водой.
Полученный твёрдый гидрат метана механически сепарируют от газообразных примесей и сохра- няют как концентрат моторного топлива или направляют на переработку в сжижен- ный или сжатый метан, которые используют как стандартизованное моторное топли- во [1, 2]. Сжиженный метан (СПГ) соответствует ТУ 51-03-03-85 «Газ горючий при- родный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Технические ус- ловия», а компримированный метан (КПГ) соответствует СТО 089-2010 «Газ горю- чий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопрово- дам. Технические условия».

1

Таблица 1. Эффективность выделения метана из биогаза и свалочного газа полигонов ТБО

Таким образом, ключевой технологией, обеспечивающей простое выделение метана, его безопасную транспортировку и энергоэффективную переработку являет- ся выработка гидрата метана.
Один кубометр гидрата метана при плотности ~ 970 кг/м3 содержит порядка 164 Нм3 метана, что эквивалентно сжатию метана до ~ 200 атм. Высокая энергоём- кость 1,7 кВт-ч/кг, а также стабильность при атмосферном давлении и сравнительно небольшой отрицательной температуре - 29°С [3] делают гидрат метана более дешё- вой и безопасной альтернативой КПГ и СПГ при использовании в качестве моторно- го топлива.
[Читать далее:]
Перечисленные свойства гидрата метана позволяют хранить его в термоизо- лированных контейнерах, и контролируемо высвобождать потребное количества ме- тана путем нагрева от внешнего источника, например, при использовании тепла ат- мосферного воздуха или тепла, выделяемого при работе двигателя внутреннего сго- рания.
Безопасность транспортировки гидрата метана обеспечивается как его низкой теплопроводностью, так и эффектом самоконсервации, заключающемся в том, что при разложении гидрата метана на метан и воду, вода замерзает и образует на по- верхности гидрата ледяную корку, препятствующую его дальнейшему интенсивному разложению. Безопасность гидрата метана в сравнении с КПГ и СПГ демонстрирует- ся на фотографии (рис. 1).

2

Рис. 1. Горение гидрата метана на воздухе [4].

В соответствии со схемой (рис.2) перерабатываемый газ (1), поступает в де- тандер-компрессорный агрегат (ДКА), где производится его сжатине и охлаждение. Далее из газа сепарируются углеводороды С3 и выше (3) (при их наличии), а также вода. Охлажденный газ без примесей и конденсата поступает в модуль по производ- ству гидрата метана, где смешиваясь с водой, образует гидрат, механически отделяе- мый в сепараторе от газообразных примесей. Из примесей, таких как СО2, азот и прочие газы рекуперируется холод, а также избыточное давление, используемое в детандер-генераторной установке для выработки электроэнергии (4). Через катализа- тор примеси сбрасывается (5) в атмосферу.
Применение газогидратной технологии для извлечения из продуктов перера- ботки биологических отходов энергоносителя - метана позволяет обеспечить мотор- ными топливами автопарки сельхозпредприятий, а также реализовать локальную га- зификацию коммунальных и промышленных потребителей, у которых отсутствует централизованное газоснабжение.
При этом возможность производства моторных топлив из биомассы отходов позволит как снизить финансовую нагрузку на сельхозпредприятия, так и получать дополнительный доход от поставок топлива сторонним потребителям. В частности - целесообразна поставка метана, выработанного из возобновляемого сырья, в страны ЕС. Это связано с тем, что помимо поддержки производителей энергии из возобнов- ляемых источников, в странах ЕС реализуются программы поддержки производите- лей горючих из возобновляемых источников, в частности - обеспечивается скупка газоснабжающими организациями чистого метана, полученного из возобновляемых источников, таких как биогаз и свалочный газ полигонов твёрдых бытовых отходов. Существующие «зелёные» тарифы в размере на уровне 1 000 $ за 1 000 нм3 метана делают экономически целесообразным экспорт полученного метана в страны ЕС. При ориентировочной себестоимости производства 1 000 Нм3 метана от 70 до 120 $, очевидна экономическая перспективность производства гидрата метана для экспорт- ных поставок возобновляемого горючего.
Применение сельхозпроизводителями газогидратной технологии производства метана, в дальнейшем может оказать существенное влияние, как на экономический, так и на технический аспекты сельхозпроизводства. Возможность экономически эф- фективного независимого производства моторных топлив сделает сельскохо- зяйственное производство независимым от поставок непрерывно дорожающих энер- гоносителей. Это позволит создать дополнительные рабочие места, в том числе в де- прессивных регионах и на удалённых и «неудобных» землях, куда экономически не- целесообразно проводить традиционные коммуникации в виде линий электропереда- чи и газопроводов.
Доступность ГСМ и энергоносителей сделает экономически эффективной как производство сельхозпродукции, так и её локальную переработку без необходимости транспортировать сельхозпродукцию на централизованные производства, привязан- ные к существующим линиям электропередачи (ЛЭП) и газопроводам.
Возможность доступного производства метана из локальных источников сы- рья делает целесообразным производство нового поколения сельхозтехники, ориен- тированной на метановое топливо. Как показано в [2], целесообразен перевод транс- портных средств не только на метан в качестве топлива классических ДВС, но и на метан, используемый в топливных элементах, в частности - в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell - SOFC). Это создаёт в сельскохозяйственном секторе потенциальный спрос на энерогэффективные сель- хозмашины, а для производителей SOFC -новый рынок сбыта. Применение электро- механической трансмиссии с энергоснабжением посредством SOFC позволит увели- чить топливную экономичность, наработку на отказ и упростить сервис сложных сельхозмашин, в частности комбайнов и многофункциональных тракторов, что, в свою очередь, позволит минимизировать ущерб сельхозпроизводителей от простоя оборудования в страду.
Газогидратная технология позволяет использовать гидрат метана для локаль- ной газификации и создания хранилищ газа. Поставляемый в населённый пункт газо-
гидрат может централизованно, в рамках населённого пункта, разлагаться на газ и
воду, одорироваться и направляться для газоснабжения потребителей. Также разра- ботанный термодинамический газогидратный рабочий цикл позволяет производить КПГ и СПГ из газогидрата без затрат внешней электроэнергии, что не требует уста- новки компрессоров как для локального газоснабжения, так и для работы АГНКС, при этом, при производстве КПГ и СПГ из газогидрата будет производиться выра- ботка электроэнергии.
Просветительный потенциал технологии заключается в том, что с её помощью открываются новые возможности по организации энергоавтономных сельскохозяйст- венных производств, независимых от конъюнктуры на рынке электроэнергии, тепла и моторных топлив. При этом, для многих сельхозпредприятий становится рен- табельной локальная переработка сельхозпродукции и реализуется возможность по- лучать дополнительный доход от сбыта горючего собственного производства сто- ронним потребителям. Это позволяет дополнить современные концепции развития сельскохозяйственных производств и агломераций на их основе с учётом новой тех- нологии производства, хранения и транспортировки энергоносителей.

Литература
1. Хавкин А.Я., Велицко В.В. Очистка шахтного газа от метана // Содействуя эко-
номическому развитию России. Проекты международного общественного фонда
«Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг. // М., Нефть и газ, 2011, с.117-118.
2. Велицко В.В., Хавкин А.Я. Очистка шахтного воздуха от метана с применением газогидратных технологий // Естественные и технические науки, 2012, №1, с. 149- 161.
3. Хавкин А.Я. Наноявления и нанотехнологии и добыче нефти и газа // М. -
Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010, 692 с.
4. Klinkhammer G. Фотография горения гидрата метана // Интернет, Oregon State University's College of Oceanic and Atmospheric Sciences.

ОЧИСТКА ШАХТНОГО ВОЗДУХА ОТ МЕТАНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОГИДРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, часть 1

Велицко В.В., советник, Фонд Байбакова.

Хавкин А.Я., доктор технических наук, до-цент, главный научный сотрудник Института проблем нефти и газа Российской академии наук, лауреат Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий».


ОЧИСТКА ШАХТНОГО ВОЗДУХА ОТ МЕТАНА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОГИДРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ


Статья опубликована в журнале Естественные и технические науки, 2012, №1, с. 149-161.

Резюме
Показано, что применение газогидратных технологий позволит очистить шахный воздух от метана, который затем можно использовать в качестве горючего, а также для энергоснабжения самоходных шахтных машин и шахтного оборудованиия. Выделенный метан также может использоваться в качестве горючего двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell – SOFC). Очистка шахного воздуха от метана снизит аварийность при добыче угля шахным способом.

CLEARING OF MINE AIR FROM METANE
WITH APPLICATION GASHYDRATES TECHNOLOGIES


Summary
It is shown that application gashydrates technologies will allow to clear of mine air from methane which then can be used as fuel supply including for power supply of the self-propelled mining machines and the mine equpment. Extracted methane also may be used as a fuel in a internal combustion engines (ICEs) and in the high temperature solid oxide fuel cells (SOFC). Clearing of mine air from methane will lower breakdown susceptibility by a coal mining way.
[Читать далее:]
24 января 2012г. Председатель Правительства РФ В.В.Путин провел в шахтерском городе Кемерово совещание «Об итогах реструктуризации и перспективах развития угольной промышленности» и подписал «Долгосрочную программу развития угольной промышленности России до 2030 года». В.В.Путин поставил задачу увеличить добычу угля в РФ с нынешних 336 млн.т до 430 млн.т. в 2030г. При этом В.В.Путиным было отмечено, что уже принято решение вложить дополнительные средства в НИОКРы по безопасности: «В целом сформирован на сегодняшний день целый набор административных и экономических рычагов, обязывающих работодателя строго соблюдать требования безопасности, вкладывать инвестиции в охрану труда. Мы закрепили это на нормативном уровне. Кардинально изменены и принципы оплаты труда горняков, и здесь также акцент сделан именно на безопасность труда, чтобы жизнь и здоровье горняка не приносились в жертву объёмам добычи» [1].
Одним из важнейших аспектов соблюдения техники безопасности при шахтной добычи угля является очистка шахтной воздушной среды от метана, и не просто очистка, а превращение угольного метана в энергетический продукт. За счет использования энергоресурса метана планируется полностью обеспечить предприятия и население Кемеровской области метаном, и за счет метана – электрической энергией [2].
Шахтным способом в России добывается более 100 млн тонн угля в год [3]. Пыль и газообразные продукты в атмосфере горных выработок и на поверхности техногенного массива являются во многих случаях источниками профессиональных вредностей, а также опасности возгораний и взрывов. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля, а взрывы газа и пыли в подземных выработках сопровождается наибольшим числом жертв, а пожары – максимальным экономическим ущербом. Разработка метаноносных пластов продолжает оставаться одним из основных факторов риска взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями [4].
Динамика травматизма со смертельным исходом и аварийности при добычи угля на шахтах РФ показывает, что в шахтах угледобывающих бассейнов России гибнет ежегодно около 100 человек из-за взрывов метана, которые происходят во всех категориях шахт по газу, в целом 30-40 аварий в год [5]. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля (предельно допустимая концентрация (ПДК) метана в воздухе составляет 7 г/м³ [6]).
И все это при постоянном улучшении применяемых способов вентиляции шахт, современных приборов газоанализа. Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в основных выработках добычного участка ещё не является гарантией безопасности ведения работ в конкретном штреке. Эпизодические «всплески» концентрации метана могут превышать допустимые пределы и вызывать его воспламенения, переходящие во взрывы [4].
Доказанные запасы угля в России составляют более 157 млрд. т [7]. Уголь, после метана, является вторым по распространённости в природе полезным ископаемым [7-11], которое может использоваться как в качестве энергоносителя, так и в качестве сырья для промышленного производства. Добыча угля в России осложняется тем, что в нашей стране средняя метаноносность угольных пластов превышает среднемировую метаноносность в 1,7 раза, составляя 8,3 кг метана на 1 т угля [12]. Указанные объёмы запасов угля, а также то, что с сохранением существующих темпов разработки, запасов угля в России хвати на 500 лет [7] ставят задачу по эффективному решению проблемы загазованности шахт угольным газом.
Угольный газ представляет собой смесь различных газов и его состав может варьироваться в широких пределах [13]. Наибольшую опасность при шахтной добыче угля представляют метан и иные углеводородные компоненты угольного газа, суммарная концентрация которых может составлять 99,5% (масс.) при массовом содержании метана 87,2% [14]. Поэтому в наиболее опасным компонентом является метан, хотя энергия активации реакции окисления метана в кислороде незначительно и выше, чем энергия активации аналогичных реакций для этана, пропана и бутанов [15].
Необходимость предварительной дегазации угольных пластов в России определена за-конодательно [16]. Применительно к задаче дегазации угольного пласта приходится сталкиваться с тем, что эффективное удаление метана из угольного пласта невозможно, пока в нём не будет проведена эффективная деструкция нанополостей, в которых располагается адсорбированный угольный метан, составляющий до 70% метана, содержащегося в угольном пласте. Сложность заключается в том, что относительно легко из угля может быть выделен свободный метан (примерно 30%), и еще частично может быть выделен адсорбированный метан. Однако максимальную сложность представляет извлечение метана, находящегося в виде твёрдого раствора в угле в порах размером 10 нм и менее [17-19]. Предварительная дегазация угольных пластов проводится различными способами, но нанопоры в угольном пласте делают этот процесс весьма затратным и низкоэффективным.
Существующие технологии удаления шахтного метана базируются на минимизации его просачивания во внутришахтное пространство [4, 5, 20, 21], а также на активной вентиляции шахт. Применение вентиляции шахт ограничено тем, что скорость потока воздуха в выработках и призабойном пространстве не должна превышать соответственно 6 м/с и 4 м/с [22], что налагает ограничения на использование приточно-вытяжной вентиляции при протяжённых горных выработках, а также увеличивает затраты на создание вентиляционных систем шахт с протяжёнными выработками.
Отсутствие современных эффективных решений по предварительной дегазации угольных пластов, защите внутришахтного пространства, исключению выбросов во внутришахтное пространство шахтного газа, а также ограниченная эффективность систем вентиляции, приводят к взрывам шахтного метана, как в России, так и во всём мире (рис. 1 [23]).
Ведущие промышленно-развитые угледобывающие страны не могут обеспечить исключение смертности от аварий на шахтах, что означает высокую смертность при каждом очередном миллионе тонн добытого угля (рис. 2 [24]).
Работа шахтёров также осложнена тем, что даже во взрывоопасных угольных шахтах используется дизельные шахтные машины – применяются погрузочно-транспортные машины с дизельными двигателями номинальной мощностью 42-298 кВт [25].
Использование шахтных машин с дизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) обусловлено тем, что в протяжённых горных выработках зачастую невозможно или экономически неоправданно использование машин с иными типами приводов, например с использованием электрических, пневматических или гироскопических аккумуляторов, в связи с относительно низким пробегом на одной зарядке.

1

Рис. 1. Крупнейшие аварии в мире за период 1835-2010 гг. [23].

2

Рис. 2. Смертельный травматизм в при добыче угля за период 1991-2010 гг. [24].

Практика использования рудничных пневмовозов показала, что пробег на одной зарядке составляет в пределах 5-6 км. при перевозимом грузе в пределах 60-100 т [26, 27]. Также недостатком рудничных пневмовозов являются как высокая удельная масса баллонов для сжатого воздуха, так и предварительное дросселирование сжатого воздуха перед подачей в рабочий цилиндр, что делает пневмовоз наиболее дорогой в эксплуатации шахтной транспортной машиной [27]. В случае зарядки пневмоаккумуляторов пневмовозов от общешахтной пневмосети, их радиус действия ещё больше сокрашается, что позволяет их рассматривать исключительно как вспомогательный транспорт [28].
Неоспоримым преимуществом по экологичности и безопасности обладают рудничные электровозы с индукционной системой питания, однако недостатками данных машин является необходимость прокладки рельс, системы индукционного питания, а также негативное воздействие на персонал электромагнитных полей. В этой связи находят широкое применение шахтные машины именно с дизельным приводом, как более энерговооружённые, маневренные и не требующие прокладки рельсового пути [29].
В соответствии с требованиями [30], шахтные машины с приводом от ДВС должны обеспечивать минимальные выбросы продуктов неполного сгорания и оксидов азота. Минимизация уровня удельного топливопотребления шахтными машинами также регламентируется [31]. Требования по минимизации удельного топливопотребления снижению объёмов выбросов вредных веществ шахтным оборудованием обусловлены необходимостью поддержания в шахтном воздухе минимальной концентрации вредных веществ для обеспечения минимальных кратностей воздухоообмена с целью создания необходимых условий работы для шахтёров.
Использование дизельного привода шахтных машин налагает дополнительные требования на систему шахтной вентиляции, т.к. на 1 кВт установленной мощности двигателя требуется подача 30-60 л/с свежего воздуха, обеспечивающего разбавление образующегося углекислого газа, а также не полностью нейтрализованных системой очистки отходящих газов ДВС оксидов азота и продуктов неполного сгорания [32]. Также дополнительное количество свежего воздуха используется для разбавления шахтного воздуха, нагретого продуктами сгорания ДВС, с целью снижения температуры шахтного воздуха.
В случае сжигания стехиометрической смеси дизельного топлива с воздухом, например, в горелке двигателя наружного сгорания (ДНС), необходимый расход воздуха с целью разбавления образовавшегося углекислого газа и охлаждения продуктов сгорания сократится до 20 л/с на 1 кВт установленной мощности двигателя [32]. Ещё большее снижение потребного дополнительного расхода воздуха можно обеспечить заменой дизельного топлива с низким массовым соотношением водорода к углероду (H/C) равным 1,85 на топливо с высоким соотношением H/C, что позволит минимизировать выбросы углекислого газа, а следовательно – минимизировать удельный расход вентиляционного воздуха, приходящийся на киловатт установленной мощности ДВС шахтных машин.
Отметим, что традиционно используется неправильное название «дизельное топливо», вошедшее в привычный оборот и несоответствующее сути, т.к. «дизельное топливо», на самом деле, является дизельным горючим и превращается в дизельное топливо только после смешения с порцией воздуха в цилиндре ДВС, ибо химическим топливом является отдельное вещество – унитарное топливо, – или же смесь веществ, способных к разложению при создании соответствующих термобарических условий.
Идеальным моторным горючим, соответствующим критерию максимального увеличения соотношения H/C является водород, в результате сжигания которого полностью отсутствует образование диоксида углерода (CO2) из компонентов горючего. В настоящее время полностью отработаны технологии выработки, хранения водорода в сжатом, адсорбированном или ожиженном виде [33], технология заправки им автотранспорта, а также технологии конвертирования ДВС для работы на водороде [34, 35] или смешанном горючем, являющемся смесью водорода и жидкого моторного горючего (дизтопливо, бензин) [35]. Это, с технической точки зрения, позволяет переводить внутришахтный транспорт на использование в качестве горючего водорода или смешанного водородного горючего. Однако нерешённые проблемы с безопасным подземным хранением водорода, а также его относительная дороговизна и малодоступность не позволяют рассматривать водород в качестве широкомасштабной альтернативы дизтопливу ДВС шахтных машин.
В этой связи, ближайшим к водороду горючим, имеющим высокое соотношение H/C равное 4, является метан. Метан, являющийся основной причиной аварий в шахтах, может помочь улучшить условия труда шахтёров, т.к.при сохранении кратностей воздухообмена, объём выбросов диоксида углерода при переводе ДВС на метан, как будет показано далее, может существенно сократиться.
Дополнительным преимуществом использования метана вместо дизельного горючего является его более низкая молярная масса, равная 16,04 г/моль, чем у дизельного топлива, имеющего среднюю молярную массу 172,3 г/моль [36]. Использование метана обеспечит большую полноту сгорания горюче-воздушной смеси при реализации газодизельного цикла вместо полного перевода ДВС на газообразно топливо с реализацией цикла Отто [37].
Но существующие технологии хранения метана в сжатом или сжиженном виде по безопасности аналогичны технологиям хранения водорода, что делает их малопригодными с точки зрения безопасности, для использования в шахтах.
Задача безопасного хранения метана может быть решена совместно с задачей очистки шахтного воздуха от углеводородных газов, в том числе и метана. Предложенная технология очистки шахтного воздуха от метана путём превращения метана в газогидрат с последующим отделением образованного газогидрата от очищенного воздуха, позволяет, связывая метан в газогидратной форме, получать новый вид горючего – гидрат метана, не требующий при хранении особо низких температур и особо высоких давлений [38-40]. Установка по очистке шахтного воздуха от метана работает следующим образом: в установке наружный воздух при атмосферном давлении с температурой +(15-20)°С поступает во входной фильтр, где производится удаление механических примесей. После очистки от мехпримесей воздух поступает в рекуперативный теплообменник, где происходит предварительное охлаждение воздуха перед подачей в газогидратный агрегат. В компрессионной части газогидратного агрегата происходит сжатие воздуха, сопровождающееся повышением его температуры. Тепло от сжатого воздуха отводится в окружающую среду. Охлаждённый сжатый воздух из сухой градирни поступает в расширительную часть газогидратного агрегата, где происходит снижение его температуры до минус 30°С. Охлажденный воздух вместе с водой поступает непосредственно в модуль по образованию гидрата метана. На выходе из газогидратного агрегата будет безметановая воздушная среда. При этом указанные установки могут быть выполнены в виде линейки типового оборудования, в которую должны входить как индивидуальные установки для эксплуатации в забоях, так и стационарные, обеспечивающие их эксплуатацию в центральных штреках. При этом минимальная производительность установки предус-матривается в размере 1 м³ (при давлении 0,1 МПа) воздуха в минуту при массе самой установки около 70 кг, тогда как установка максимальной производительности будет осуществлять очистку 35 м³ воздуха в минуту при массе около 2 т [41].
Важной особенностью данной установки очистки шахтного воздуха от метана является возможность парирования суфлярных выбросов метана, т.к. установка простыми средствами может быть выполнена с существенным запасом по производительности, позволяющим выделять из воздуха до десятков процентов метана, в случае суфлярного выброса газа, произошедшего в зоне, обслуживаемой установкой очистки. Такая установка систем очистки шахтного воздуха от метана позволит безопасно наращивать добычу угля сверх проектной мощности шахты, в противоположность ограниченным допустимым кратностям традиционного воздухообмена. Предложенная система очистки, работая параллельно с системой шахтной вентиляции, будет обеспечивать поглощение дополнительных объёмов выделяемого шахтного метана, что позволит сохранить ДПК метана в шахтном воздухе при увеличении производительности шахты.
Гидрат метана остаётся стабильным при невысоком давлении и умеренных отрицательных температурах (рис. 3 [42]). Как видно из рис. 3, гидрат метана остаётся стабильным при температуре –5°C и давлении менее 1 МПа. Это позволяет безопасно хранить гидрат метана, при этом емкость для его гранения будет иметь на порядок низкое рабочее давление, чем рабочее давление баллонов для хранения компримированного метана, а также будет менее требовательна к необходимому слою теплоизоляции в сравнении с криогенными сосудами, предназна-ченными для хранения сжиженного метана.
Из шахтного газа, как видно из рис. 4 [9], могут выделяться и иные углеводородные газы, кроме метана: этан, пропан и изобутан.
В случае возможной разгерметизации ёмкости для хранения гидрата метана, гидрат метана начинает постепенно разлагаться на воду и метан при нормальных условиях. Разложение происходит плавно и в отличие от случая разгерметизации криогенной ёмкости со сжиженным метаном или баллона с компримированным метаном, не приводит к практически гарантированному мгновенному взрыву.
Пример горения гидрата метана на воздухе иллюстрирует рис. 5 [43]:

3
Рис. 3. Термобарические условия гидратообразования и зоны стабильности гидрата метана [42].
4
Рис. 4. Диаграмма равновесного состояния гидратов для гиратообразующих газов [9].

5

Рис. 5. Горение гидрата метана на воздухе [43].

Для использования гидрата метана в качестве горючего, термобарические условия должны быть изменены таким образом, что бы произошло разложение гидрата метана. Также допустимо использование специальных химических веществ, при добавлении которых гидрат может быть разрушен, например, без изменения термобарических условий. В результате разложения гидрата метана образуются вода и газообразный метан. Полученный метан может использоваться в качестве моторного горючего, тогда как вода может быть направлена в рецикл для образования следующей порции гидрата метана.
Выделенный из гидрата метан может направляться для работы в ДВС, например работающий по циклу Отто или Тринклера, в случае, если ДВС выполнен по газодизельному циклу. Отметим, что серийными газовыми или газодизельными, что менее предпочтительно, ДВС могут комплектоваться новые шахтные машины. Существующий парк шахтных машин также может быть переведён на газообразный метан, т.к. в настоящее время широко отработаны технологии конвертирования на газообразное горючее не только двигателей, работающих по циклу Отто, но и двигателей, работающих по циклу Дизеля и Тринклера, а также работающих по различным модификациям указанных циклов [44, 45].
На самоходной шахтной технике могут устанавливаться установки по очистке шахтного воздуха от метана. Аналогичными установками также могут комплектоваться стационарные потребители топлива, например основные или резервные электрогенераторы, или иное топливопотребляющее оборудование. При этом выделенный метан может направляться в качестве основного горючего для использования в ДВС установки, или же полученный из газогидрата метан, например, при низкой категорийности шахты по метану, может использоваться в качестве одного из горючих для многотопливного, например газодизельного, ДВС.
Рассмотренная выше ситуация с использованием метана в качестве моторного топлива целесообразна в том случае, если на метан переводятся двигатели существующего оборудования, что позволит при минимальных затратах на модернизацию парка шахтных машин осуществить снижение рисков взрывов метана, а также улучшить условия труда шахтных рабочих. Однако в случае создания нового оборудования или глубокой модернизации существующих типов самоходных шахтных машин, оптимальным будет использование в качестве потребителей метана не ДВС, а топливных элементов. Это связано с тем, что в настоящее время производятся мощные топливные элементы, использующие не только водород, в качестве горючего, но и углеводороды, например – метан [46]. Применение топливных элементов позволит практически полностью исключить выбросы продуктов неполного сгорания, оксидов азота, а также сажи и золы [47]. При этом на десятки процентов должно снизиться тепловое загрязнение шахты и выделение углекислого газа, что связано с тем, что топливные элементы обеспечивают электрический КПД более 50%, достигая КПД 70-80% [48], тогда как КПД дизельного двигателя грузового автомобиля при смешанном цикле составляет не более 30% [32]. Также, при частичных нагрузках увеличиваются выбросы вредных веществ дизельными ДВС [49]. Указанные значения КПД для дизельного ДВС и топливного элемента являются практически достижимыми при эксплуатации в шахтах, в связи с чем в данной статье не рассматриваются малооборотные двухтактные дизельные ДВС с КПД на валу до 55% [50, 51] и водородные топливные элементы с КПД 60-70% [52].
Выпускаемые в настоящее время топливные элементы могут использовать в качестве горючего не только водород или углеводородные соединения, легко разлагаемые при низких температурах на катализаторах на водород и монооксид углерода, но также и метан. Возможность использования метана в качестве горючего реализована в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell – SOFC), имеющих рабочие температуры в пределах 600-1000°С.
В частности, в серийном производстве находятся мощные, до 2,7 МВт топливные элементы с электрическим КПД равным 47% [47]. Следует отметить, что КПД топливных элементов существенно не изменяется при масштабировании в пределах от десятков до нескольких сотен киловатт, что обусловлено их конструкцией, в которой реализовано параллельно-последовательное соединение отдельных ячеек для достижения необходимого рабочего напряжения и силы тока. Это демонстрирует SOFC электрической мощностью 300 кВт с КПД также 47%, как и КПД более мощного SOFC того же производителя. При этом указанные топливные элементы используют в качестве горючего не чистый метан, а природный газ.
Современные топливные элементы имеют высокие удельные массогабаритные характеристики – так, в частности, изготавливаются SOFC объёмной мощностью более 15 кВт/л [52]. Технологически достижимый уровень SOFC стремится к 100 кВт/л (рис. 6).

6
Рис. 6. Значения объёмной мощности для различных конструктивных исполнений SOFC [52].

Топливные элементы для использования в авиации также демонстрируют приемлемые массовые характеристики, при удельной массе менее 5 кг/кВт [53], которая лежит в пределах удельной массы лучших высокофорсированных двухтактных высокооборотных дизелей (ВОД) с индикаторным КПД ниже 40%.
Оценим образование диоксида углерода при работе дизельного ДВС при КПД на уровне 40%, что, практически, является максимальным КПД для ДВС, используемых на наземных транспортных машинах, газопоршевого ДВС, с форкамерно-факельным зажиганием, работающего на обеднённом метановом топливе при КПД на уровне 38% и SOFC, работающего на метане при КПД не менее 50%. При этом примем, что окислителем горючего в каждом из рассматриваемых источников энергии является атмосферный воздух, обеспечивается 100% полнота сгорания топлива, при которой при сжигании дизельного топлива выделяется диоксид углерода в количестве 73 г/МДж, а при сжигании метана диоксид углерода выделяется в количестве 56 г/МДж [54]. Также в статье не рассматриваются выбросы вредных веществ, таких как монооксид углерода, оксиды азота, соединения серы и т.п. допуская, что каждый их рассматриваемых источников энергии технически может быть укомплектован системами очистки, полностью или до необходимого количества, снижающими выбросы с отходящими газами указанных вредных веществ. Сравнительные характеристики приведены в таблице:

7

Как следует из вышеприведенной таблицы, перевод ДВС шахтных машин на метан, выработанный из шахтного воздуха, позволяет на 19% снизить эмиссию диоксида углерода внутри шахты при несущественном увеличении тепловыделения от ДВС. Также это позволит исключить или снизить (при газодизельном цикле) временные и трудовые затраты связанные с заправкой шахтных машин дизтопливом. Применение в качестве источников энергии топливных элементов позволит практически двукратно снизить эмиссии диоксида углерода при 20% снижении тепловыделения в шахте, при этом также отпадает необходимость осуществления операции топливозаправки шахтных машин.
Помимо описанных выше преимуществ применения систем очистки шахтного воздуха от метана, в настоящее время существует и налоговый стимул по обеспечению дегазации угольных пластов [55]. При реализации указанного постановления Правительства РФ, а также при утилизации метана вентиляционных струй шахт, будет производиться снижение налога на метанообильность [56], что позволит ускорить внедрение технических решений, обеспечивающих более глубокое использование шахтного метана.
При внедрении комбинированных описанных систем будет необходимо адаптировать технологию выработки гидратов к шахтным условиям, а, учитывая сложный состав шахтного газа, будет оптимальным обеспечить перевод в газогидратную форму не только метана, но и иных углеводородных газов, входящих в состав шахтного газа. При конвертировании ДВС шахтных машин на использование в качестве горючего углеводородных газов, выделенных из шахтного воздуха, будет необходимо обеспечить сохранение или минимальное снижение мощности, что бы это негативно не сказалось на количестве перевозимого ими груза.
В перспективе, самоходные шахтные машины могут быть полностью переведены на электрический привод с питанием от топливных элементов. Для этого потребуется обеспечить изменение конструкции машин таким образом, что бы вместо существующих силовой установки, трансмиссии и системы топливоснабжения были установлены установка по очистке шахтного воздуха, топливный элемент и электроприводы движетелей (колёса, гусеницы). Существующие шахтные машины с электроприводом могут быть дополнены прицепами, в которых могут устанавливаться вышеуказанные компоненты, что позволит обеспечивать высокую степень автономности и мобильности электроприводных шахтных машин.
Помимо рассмотренных сфер применения, топливный элемент на метане или газовый ДВС в комбинации с установкой очистки шахтного воздуха от метана и иных углеводородных газов, могут использоваться в качестве основных или вспомогательных источников энергии, снабжающих энергией как сами установки очистки, так и, например, системы освещения, КИПиА, ручной инструмент и иных потребителей электроэнергии. Это позволяет рассматривать в качестве оптимальных мест для внедрения данного оборудования все шахты со степенями опасности по метану от I до VI степени. При этом положительный эффект будет тем больше, чем более протяжённые выработки имеются в шахте, и чем более высокая степень газообильности указанных выработок.
При реализации изложенного подхода будут достигнуты следующие результаты:
• снижение вероятности взрывов шахтного метана;
• оперативное поглощение метана при локальных выбросах шахтного газа при суфляр-ных выбросах;
• улучшение условий работы шахтёров за счёт снижения концентрации метана;
• улучшение условий работы шахтёров за счёт снижения вредных выбросов при пере-воде шахтных машин с дизельными ДВС на метан;
• исключение необходимости завоза моторного топлива на шахты и необходимости за-правки топливом шахтных машин;
• улучшение санитарных условий и пожаронй безопасности в шахтах за счёт отсут-ствия подземных хранилищ с дизельным топливом;
• снижение налоговых выплат в соответствии с действующим законодательством;
• производство дополнительной товарной продукции в виде гидрата метана, или мета-на с виде сжатого (КПГ), или сжиженного газа (СПГ).
Таким образом, описанные установки (например, для работы шахтера в индивидуальном штреке) мощностью 5 кВт обеспечит очистку 1 м3 (при нормальных условиях) воздушной среды в минуту и будет иметь вес 70-100 кг. Габариты установки 0,6 х 0,6 х 0,8 м. При концентрации метана 3% в воздушной среде такая установка утилизирует метана 5 м3 в час или 30 м3 за 6 часов.
Установка мощностью 120 кВт обеспечит при концентрации метана 3% в воздушной среде очистку 30 м3 воздушной среды в минуту и будет иметь вес 2,5 т. Габариты установки 2 х 2 х 3 м. При концентрации метана 3% в воздушной среде такая установка утилизирует метана 70 м3 в час или 1,7 тыс. м3 метана в сутки.
В случае суфлярных выбросов метана, увеличится мгновенная производительность указанных установок, что парирует эти мгновенные увеличения концентрации.
Обычный объем выделения метана в шахте – 150-170 тыс. м3 в сутки. Поэтому гидрата метана в 1 шахте будет производится 1 тыс. м3 метангидрата в сутки. Для его утилизации понадобится 10 установок мощностью 1,7 тыс. м3 метана в сутки.
При стоимости 1 тыс. м3 метана на внутрироссийском рынке примерно $100, имеем, что за сутки будет вырабатываться метана на $16 000, а за месяц – на $480 000 (или 14 млн. руб.).
При стоимости 1000 м3 метана на мировом рынке примерно $400, имеем, что за сутки будет вырабатываться метана на $64 000, а за месяц – на $2 000 000.
А за счет уменьшения вероятности взрывов метана будут уменьшены возможные потери из-за таких взрывов, и поэтому будут сэкономлены значительные средства от затрат на восстановление шахт после таких взрывов.

Методы получения и хранения моторного топлива из биогаза и свалочного газа

Методы получения и хранения моторного топлива из биогаза и свалочного газа
Велицко В.В., Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.

Всероссийская конференция «Зеленые технологии – путь решения проблем изменения климата и сохранения окружающей среды», Москва, 8 - 9 ноября 2012 года, Министерство энергетики Российской Федерации.

Существующие технологии использования биогазов, т.е. горючих газов биологического происхождения, таких как биогаз анаэробного или анаэробно-аэробного сбраживания в метантенках, а также газа мусорных свалок (ГМС), подразделяются на два основных направления. К первому направлению относятся технологии получения из выработанного или собранного биогаза электрической энергии, а при наличии потребителей тепла – и тепловой энергии. Вторым основным способом применения биогаза является кондиционирование биогаза до его соответствия по характеристикам ископаемому природному газу (ИПГ), поставляемому потребителям в виде компримированного природного газа (КПГ) [1] или сжиженного природного газа (СПГ) [2], которые относятся к квалифицированным моторным топливам.
Сырьём для производства биогаза могут являться сельхозотходы, а также иные органические отходы, осадок сточных вод очистных сооружений, а также твёрдые бытовые отходы (ТБО), в ходе микробиологической деградации, разлагающиеся на полигонах ТБО с выделением ГМС или же перерабатываемые в метантенках, аналогично другим биоразлагаемым органическим отходам. Основным целевым компонентом вырабатываемого биогаза является метан биологического происхождения (биометан), аналогичный по своим характеристикам метану, входящему в состав ПНГ. При этом дополнительным продуктом жизнедеятельности бактерий, производящих биометан является диоксид углерода, а газ мусорных свалок содержит в себе ещё и азот, входящий в состав воздуха, подсасываемого системой сбора газа мусорных свалок. Учитывая, что максимальное объёмное содержание метана в биогазе доходит до 73 – 75 % [3, 4], теплота сгорания вырабатываемого биогаза ниже теплоты сгорания ИПГ [1, 2].

  • image002

[Читать далее:]
Исходя из вышесказанного, преимущественное использование биогаза на месте его производства обусловлено как невозможностью, без предварительного кондиционирования, направить биогаз в газопроводы ИПГ, так и сложностью сооружения протяжённых специализированных газопроводов, которые обеспечили бы транспортировку биогаза непосредственно к потребителям, обеспечивающим полное потребление всей электрической и тепловой энергий, производимых на биогазовых мини-ТЭЦ. В этой связи, зачастую, локальное потребление биогаза сопряжено с рядом сложностей, таких как:
• отсутствие необходимой тепловой нагрузки во внеотопительный сезон;
• необходимость транспорта значительной части выработанной электроэнергии по изношенным сельским электросетям;
• более высокие капитальные и эксплуатационные затраты в связи незначительной мощностью установленной мини-ТЭЦ по причине сложности сбора биогаза от нескольких источников в сравнении со сбором биогаза от нескольких источников на централизованную мини-ТЭЦ.
Подача биогаза в существующую газотранспортную инфраструктуру сопряжена с необходимостью кондиционирования биогаза до соответствия параметрам КПГ или СПГ. Кондиционирование биогаза с применением существующих технологий заключается в последовательной его очистке от примесей, таких как диоксид углерода, сероводород, а также азот, удаление которого представляет наибольшую сложность при очистке газа мусорных свалок. После получения очищенного метана производится его осушка и компримирование, необходимые как с целью подачи полученного биометана в газопровод или в автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), так и с целью его ожижения. При этом наиболее капиталоёмки и энергозатратны установки по получению биометана из газа мусорных свалок, что связано с низкими температурами кипения метана и азота, требующими применения технологии криогенного ожижения метана. Задача очистки биогаза от азота актуальна в связи с тем, что, как показано на рис. Рис. 1, производство биогаза в странах ЕС преимущественно состоит из сбора газа мусорных свалок.

image002

Рис. 1. Производство биогаза в странах ЕС, тыс. тонн нефтяного эквивалента [5].

(По убывающей: газ мусорных свалок, биогаз из биомассы, газ сточных вод)
В этой связи с высокой себестоимостью очистки, производство биометана из возобновляемых источников требует применения мер государственной поддержки т.к., биометан неконкурентоспособен даже с ИПГ, поставляемым по магистральным газопроводам. Указанные технологические сложности и высокаие энергозатраты при очистке привели к тому, что закупочная стоимость биометана, соответствующего по своим характеристикам ИПГ, транспортируемому по газопроводам, в странах ЕС лежит в пределах 1 000 – 1 200 $ за 1 000 Нм³ при стоимости ИПГ, поставляемого по газотранспортной инфраструктуре, на уровне 500 $/1 000 Нм³ [6].
Учитывая, что на фоне стимуляции производства квалифицированных горючих (к которым относится и биометан) из возобновляемых источников, рассматриваются возможности снижения господдержки биогазовых энергетических установок, становится особенно актуальным увеличение рентабельности производства биогазовых установок. Увеличение рентабельности их работы может обеспечиваться как снижением производственных издержек, так и увеличением отпуска товарной продукции, к которой относятся электроэнергия, тепло и горючее в виде компримированного или сжиженного метана, аналогичного КПГ и СПГ (далее указанные аббревиатуры, для минимизации дублирующихся определений, будут применяться к компримированному и, соответственно, сжиженному биометану).
Способ увеличения рентабельности реализации тепловой и электрической энергий заключается в максимальном приближении их производства к потребителям, что как минимизирует затраы на транспорт продукции потребителям, так и снизит энергопотери в коммуникациях, а также минимизирует капитальные затраты в сооружение электрических сетей и теплотрассы. Сложность здесь заключается в том, что потребуется сооружение газопровода для биогаза, что может быть не всегда целесообразны в связи с необходимостью землеотвода, значительным расстоянием об биогазовой установки полигона ТБО до потребителя и наличием инфраструктуры на кратчайшем пути прокладки газопровода.
Увеличение рентабельности производства КПГ и СПГ из биогаза лежит в сфере снижения себестоимости его производства, что может быть сопряжено как с увеличением EROEI (ratio of Energy Return On Energy Invested – отношение полученной энергии к затраченной энергии), так и применением более дешёвой энергии для компримирования и/или ожижения биометана.
Рентабельность транспорта к потребителю и рентабельность производства КПГ и СПГ из биогаза может быть увеличена путём использования предлагаемой инновационной технологи очистки метана, обеспечивающей одностадийное выделение метана из биогаза. Технология производства КПГ и СПГ включает одностадийное выделение из биогаза целевого продукта – биометана и его перевод в гидрат метана, являющийся твёрдым соединением метана и воды. Процесс осуществляют, охлаждая и сжимая биогаз и смешивая его затем с водой. Полученный твёрдый гидрат метана механически сепарируют от газообразных примесей и сохраняют как концентрат моторного топлива или направляют на переработку в КПГ и/или СПГ, которые используют аналогично КПГ и СПГ, полученным из ИПГ [7]. Объёмы производства биометана и гидрата метана из биогазов приведены в Таблице 1.

1360_original

Таблица 1.Эффективность выделения метана из биогазов

Один кубометр гидрата метана при плотности ~ 970 кг/м³ содержит порядка 164 Нм³ метана, что эквивалентно сжатию метана до ~ 200 ати. Высокая энергоёмкость 1,7 кВт•ч/кг, а также стабильность при атмосферном давлении и сравнительно небольшой отрицательной температуре – 29 °С [8] делают гидрат метана более дешёвой и безопасной альтернативой КПГ и СПГ при использовании в качестве моторного топлива [9].
Объёмное энергосодержание гидрата метана на уровне компримированного метана, а также удельный вес гидрата метана, находящегося в изотермическом контейнере, сопоставимый с удельным весом КПГ при ~ 200 ати, с учётом веса газобаллонного оборудования, а также высокая безопасность гидрата метана в сравнении с КПГ и СПГ демонстрируется на фотографии (Рис. 2), делают гидрат метана удобной и безопасной формой транспортировки биометана в случае «первой мили» транспортировки, особенно при поставке близлежащим потребителям в районах с развитой инфраструктурой, где затруднительна прокладка газопроводов.

image003

Рис. 2. Горение гидрата метана на воздухе [10].

Технологическая схема установки по переработке углеводородсодержащих газов в гидрат метана приведена на Рис. 3.

image005

Рис. 3. Схема технологической установки по газогидратному разделению биогаза [6].

В соответствие со схемой (Рис. 3) перерабатываемый биогаз (1), поступает в детандер-компрессорный агрегат (ДКА), где производится его сжатие и охлаждение. Далее из газа сепарируются углеводороды С3 и выше (3) (при их наличии), а также, при необходимости, вода. Охлаждённый газ без механических примесей и конденсата поступает в модуль по производству гидрата метана, где, смешиваясь с водой, образует гидрат, механически отделяемый в сепараторе от газообразных примесей. Из примесей, таких как CO2, азот и прочие газы рекуперируются холод, а также избыточное давление, используемое в детандер-генераторной установке для выработки электроэнергии (4). Через катализатор примеси сбрасываются (5) в атмосферу.
Полученный таким образом гидрат метана, при необходимости может накапливаться в изотермических контейнерах, например во внеотопительный сезон и расходоваться для нужд топливо,- и энергоснабжения, например, в отопительный сезон, когда производство биогаза может быть снижено и/или увеличится потребность в горючем.
На базе газогидратной технологии также возможно производство метана из низкосортных горючих, таких как различная биомасса, отходы деревозаготовки и деревопереработки, торф, низкосортные угли, сланцы, ТБО и т.п. Суть разработанной технологии заключается в газификации низкосортного горючего воздухом, последующем синтезе из полученного газогенераторного газа метана и последующем одностадийном выделении метана из полученных продуктов синтеза. Выделение метана здесь полностью аналогично вышеуказанному процессу выделения метана из биогаза.
В КПГ и СПГ газогидрат перерабатывается с использованием разработанного газогидратного термодинамического цикла (ГГТЦ) путём термического разложения гидрата метана, в результате чего давление метана превышает 700 ати, при этом технология, без существенных дополнительных энергозатрат, позволяет увеличивать давление вырабатываемого метана вплоть до 4 000 ати и более. Метан с указанным давление может ожижаться по процессам, аналогичным процессам, применяемым в большинстве известных установок по производству СПГ (циклы Линде, Капицы и т.п.), при этом не требуя дополнительных затрат на компримирование. При реализации ГГТЦ будет вырабатываться энергия на уровне 200 кВт•ч на каждую 1 000 Нм³ перерабатываемого метана в час при ожижении от 60% и более метана, содержащегося в газогидрате.
Остаточный газообразный метан, например с давлением на уровне 55 ати, может подаваться в газопровод. При этом положительным эффектом будет то, что в газообразном метане, подаваемом в газопровод, практически будут отсутствовать нежелательные примеси, такие как азот, что не будет дополнительно лимитировать долю метана, перерабатываемого из газогидрата в СПГ.
Технологическая блок-схема производства гидрата метана из низкосортных горючих приведена на Рис. 4 Позиции по Рис. 4:
1. заготовка сырья,
2. транспорт гидрата метана на переработку,
3. выработка электроэнергии,
4. выработка тепла,
5. выработка летучих зол,
6. сброс очищенных отходящих газов.
С учётом вышесказанного, применение газогидратной технологии для выделения метана как из биогазов, так и для переработки низкосортных горючих позволяет обеспечить комплексное достижение следующих эффектов: простое выделение, безопасный транспорт, локальное топливоснабжение автопарка и энегоизбыточная переработка газогидрата в КПГ и СПГ.

image007

Рис. 4. Схема технологической установки по переработке низкосортных горючих в гидрат метана [6].

Данная технология может быть нацелена на широкое использование при разделении, компримировании и ожижении практически любых углеводородсодержащих газов, что позволяет использовать её начиная от биогазов и сланцевых газов вплоть до ожижения КПГ, проставляемого по магистральным газопроводам.
По предварительным оценкам реализация данной технологии на территории России позволит решить несколько ключевых задач, таких как экономически-эффективное использование торфяников и низкосортной древесины, экономическое стимулирование развития депрессивных регионов и неудобных земель, к которым отсутствует подвод энергоносителей с созданием на них новых сельскохозяйственных, перерабатывающих и добывающих производств, а также эффективное производство, по конкурентоспособным ценам, на уровне более 90 млрд. нм³ метана в год по России, для чего потребуется 1 – 1,5 тыс. головных производств и 10 – 20 тыс. заготовительных производств суммарной стоимостью 20 – 40 млрд $. При этом комплектные производства могут полностью изготавливаться в России, что напрямую создаст на уровне 300 тыс. рабочих мест без учёта мультипликативного эффекта, а также эффекта от того, что будет развёрнута параллельная газотранспортная инфраструктура, наличие которой также обеспечит стимулирование всех сфер промышленного производства как в регионах производства метана по газогидратной технологии, так и в близлежащих регионах.
Литература
1. СТО 089-2010 «Газ горючий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопроводам. Технические условия».
2. ТУ 51-03-03-85 «Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».
3. Egan Archer, BEng, MSc, PhD, AMIChemE; Adam Baddeley, MSc; Alex Klein, BSc, MSc; Joe Schwager, BA, MICM, AMIMC, MCIWM; Kevin Whiting, BEng, PhD, CEng, FIChemE Technology & Business Review. Mechanical-Biological-Treatment: A Guide for Decision Makers Processes, Policies and Markets. Annexe D, Process Reviews // Juniper Consultancy Services Ltd, March 2005, Version 1.0, p.D-130.
4. Веденев А.Г., Веденева Т.А. Руководство по биогазовым технологиям // Европейская комиссия. Программа «окружающая среда и устойчивое управление природными ресурсами, включая энергию», Проект по внедрению микро ГЭС и биогазовых технологий в Кыргызской республике, Бишкек, 2011, 84 с.
5. 5.35 MTOE Valorised in European Union in 2006 // Systemes Solaires – Le Journal des Energies Renouvelables, №179, Biogas Barometer – May 2007, p.51-61.
6. Велицко В.В. Выработка сжиженного метана из низкосортных горючих с применением газогидратной технологии // IV конференция «ТРИЗ. Практика применения методических инструментов» Сборник докладов // М., 2012, с.27-34.
7. Велицко В.В. Одностадийное получение сжиженного и сжатого метана из биогаза и газа мусорных свалок для использования в качестве моторного топлива // Материалы XVIII Международной конференции «Экологическое образование и просвещение для устойчивого развития: РИО + 20», Секция 5: «Образование в области использования энергопотенциала биологических отходов», М., 27-28 июня 2012.
8. Хавкин А.Я. Наноявления и нанотехнологии и добыче нефти и газа // М. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010, 692 с.
9. Велицко В.В., Хавкин А.Я. Очистка шахтного воздуха от метана с применением газогидратных технологий // Естественные и технические науки, 2012, №1, с. 149-161.
10. Klinkhammer G. Фотография горения гидрата метана // Интернет, Oregon State University’s College of Oceanic and Atmospheric Sciences.