Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии

Обоснована необходимость решения проблемы, связанной со значительными выбросами газа дегазационных скважин в окружающую среду. Авторами статьи предлагается новое альтернативное технологическое решение, включающее перевод шахтного метана в газогидратное состояние и дальнейшее транспортирование газа в...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Розробка родовищ
Date:	2014
Main Authors:	Сай, Е.С., Ганушевич, К.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України 2014
Subjects:	Розробка газових родовищ
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104560
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии / Е.С. Сай, К.А. Ганушевич // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2014. — Т. 8. — С. 299-307. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104560
record_format	dspace
spelling	Сай, Е.С. Ганушевич, К.А. 2016-07-12T12:49:25Z 2016-07-12T12:49:25Z 2014 Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии / Е.С. Сай, К.А. Ганушевич // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2014. — Т. 8. — С. 299-307. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 2415-3435 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104560 622.324.5:548.51 Обоснована необходимость решения проблемы, связанной со значительными выбросами газа дегазационных скважин в окружающую среду. Авторами статьи предлагается новое альтернативное технологическое решение, включающее перевод шахтного метана в газогидратное состояние и дальнейшее транспортирование газа в твердом состоянии. Выяснен механизм процесса гидратообразования, проанализирована возможность получения газогидратов из газовых смесей дегазационных скважин. Обоснованы преимущества транспортирования газа в форме газовых гидратов. Обґрунтовано необхідність вирішення проблеми, пов’язаної зі значними викидами газу дегазаційних свердловин у навколишнє середовище. Авторами статті пропонується нове альтернативне технологічне рішення, що включає переведення шахтного метану в газогідратний стан і подальше транспортування газу у твердому стані. Вияснено механізм процесу гідратоутворення, проаналізована можливість отримання газогідратів з газових сумішей дегазаційних свердловин. Обґрунтовано переваги транспортування газу у формі газових гідратів. The necessity to solve the problem related to significant emissions of degassing wells gas into the environment is substantiated. The authors of the paper propose a new alternative technological solution that includes conversion of mine methane into gas hydrate state and further transportation of gas in solid state. The mechanism of gas hydrate formation process is clarified and the possibility of gas hydrates creation from gaseous mixtures of various compositions is analyzed. Substantiation is given to gas transportation in a state of gas hydrates. ru УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Розробка газових родовищ Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии Утилізація шахтного метану та його транспортування у газогідратному стані Utilization of mine methane and their transportation in gas hydrates state Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии
spellingShingle	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии Сай, Е.С. Ганушевич, К.А. Розробка газових родовищ
title_short	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии
title_full	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии
title_fullStr	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии
title_full_unstemmed	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии
title_sort	утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии
author	Сай, Е.С. Ганушевич, К.А.
author_facet	Сай, Е.С. Ганушевич, К.А.
topic	Розробка газових родовищ
topic_facet	Розробка газових родовищ
publishDate	2014
language	Russian
container_title	Розробка родовищ
publisher	УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
format	Article
title_alt	Утилізація шахтного метану та його транспортування у газогідратному стані Utilization of mine methane and their transportation in gas hydrates state
description	Обоснована необходимость решения проблемы, связанной со значительными выбросами газа дегазационных скважин в окружающую среду. Авторами статьи предлагается новое альтернативное технологическое решение, включающее перевод шахтного метана в газогидратное состояние и дальнейшее транспортирование газа в твердом состоянии. Выяснен механизм процесса гидратообразования, проанализирована возможность получения газогидратов из газовых смесей дегазационных скважин. Обоснованы преимущества транспортирования газа в форме газовых гидратов. Обґрунтовано необхідність вирішення проблеми, пов’язаної зі значними викидами газу дегазаційних свердловин у навколишнє середовище. Авторами статті пропонується нове альтернативне технологічне рішення, що включає переведення шахтного метану в газогідратний стан і подальше транспортування газу у твердому стані. Вияснено механізм процесу гідратоутворення, проаналізована можливість отримання газогідратів з газових сумішей дегазаційних свердловин. Обґрунтовано переваги транспортування газу у формі газових гідратів. The necessity to solve the problem related to significant emissions of degassing wells gas into the environment is substantiated. The authors of the paper propose a new alternative technological solution that includes conversion of mine methane into gas hydrate state and further transportation of gas in solid state. The mechanism of gas hydrate formation process is clarified and the possibility of gas hydrates creation from gaseous mixtures of various compositions is analyzed. Substantiation is given to gas transportation in a state of gas hydrates.
issn	2415-3435
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104560
citation_txt	Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии / Е.С. Сай, К.А. Ганушевич // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2014. — Т. 8. — С. 299-307. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT saies utilizaciâšahtnogometanaiegotransportirovanievgazogidratnomsostoânii AT ganuševička utilizaciâšahtnogometanaiegotransportirovanievgazogidratnomsostoânii AT saies utilízacíâšahtnogometanutaiogotransportuvannâugazogídratnomustaní AT ganuševička utilízacíâšahtnogometanutaiogotransportuvannâugazogídratnomustaní AT saies utilizationofminemethaneandtheirtransportationingashydratesstate AT ganuševička utilizationofminemethaneandtheirtransportationingashydratesstate
first_indexed	2025-11-25T22:33:17Z
last_indexed	2025-11-25T22:33:17Z
_version_	1850562930369626112
fulltext	299 УДК 622.324.5:548.51 © Е.С. Сай, К.А. Ганушевич Е.С. Сай, К.А. Ганушевич УТИЛИЗАЦИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА И ЕГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ В ГАЗОГИДРАТНОМ СОСТОЯНИИ Обоснована необходимость решения проблемы, связанной со значительными выбро- сами газа дегазационных скважин в окружающую среду. Авторами статьи предлага- ется новое альтернативное технологическое решение, включающее перевод шахтно- го метана в газогидратное состояние и дальнейшее транспортирование газа в твер- дом состоянии. Выяснен механизм процесса гидратообразования, проанализирована возможность получения газогидратов из газовых смесей дегазационных скважин. Обоснованы преимущества транспортирования газа в форме газовых гидратов. УТИЛІЗАЦІЯ ШАХТНОГО МЕТАНУ ТА ЙОГО ТРАНСПОРТУВАННЯ У ГАЗОГІДРАТНОМУ СТАНІ Обґрунтовано необхідність вирішення проблеми, пов’язаної зі значними викидами газу дегазаційних свердловин у навколишнє середовище. Авторами статті пропонується нове альтернативне технологічне рішення, що включає переведення шахтного мета- ну в газогідратний стан і подальше транспортування газу у твердому стані. Вияснено механізм процесу гідратоутворення, проаналізована можливість отримання газогід- ратів з газових сумішей дегазаційних свердловин. Обґрунтовано переваги транспор- тування газу у формі газових гідратів. UTILIZATION OF MINE METHANE AND THEIR TRANSPORTATION IN GAS HYDRATES STATE The necessity to solve the problem related to significant emissions of degassing wells gas into the environment is substantiated. The authors of the paper propose a new alternative techno- logical solution that includes conversion of mine methane into gas hydrate state and further transportation of gas in solid state. The mechanism of gas hydrate formation process is clari- fied and the possibility of gas hydrates creation from gaseous mixtures of various composi- tions is analyzed. Substantiation is given to gas transportation in a state of gas hydrates. ВВЕДЕНИЕ В настоящее время основными пробле- мами, сопутствующими разработке уголь- ных месторождений, является взрывоопас- ность метана, содержащегося в угольных пластах, а также нерациональное его ис- пользование вследствие выбросов газа в ок- ружающую природную среду. Газы с высо- ким содержанием метана (80 – 95%) при- сутствуют в угольных пластах и выделяют- ся в виде шахтного метана в процессе раз- работки месторождения. Угольные шахты являются крупным источником выбросов метана – одного из парниковых газов, по- тенциал глобального потепления которого в 300 20 раз превышает соответствующий потен- циал диоксида углерода [1]. На сегодняшний день в атмосферу вы- брасывается 95% метана, выделившегося при эксплуатации шахты. Добыча и исполь- зование шахтного метана может сущест- венно сократить объемы его выделения в атмосферу угольными предприятиями. Как самостоятельный энергетический ресурс метан угольных пластов начал рассматри- ваться энергетиками с 1970-х годов. В каче- стве попутного полезного ископаемого шахтный метан используется уже в течение более 40 лет, в основном для удовлетворе- ния энергетических потребностей шахт. Предотвращение опасных скоплений метана в выработках высокометаноносных пластов угольных шахт осуществляется пу- тем искусственной дегазации источников метана, то есть организацией изолирован- ного от горных выработок вывода на по- верхность высококонцентрированных мета- новоздушных смесей. Наиболее эффектив- ную отработку газоносных пластов при вы- делении шахтного метана обеспечивает способ комплексной дегазации при помощи вертикальных дегазационных скважин [2]. Дегазация угольных полей имеет три аспек- та: добыча метана как энергоносителя, обеспечение безопасности ведения горных работ, снижение выбросов метана в атмо- сферу. Вопрос переработки метана угольных месторождений на сегодняшний день – один из ключевых. Множество исследова- ний ведется для обеспечения безопасности эксплуатации шахт, комплексного освоения минеральных ресурсов и охраны окружаю- щей среды. Одним из наиболее перспектив- ных направлений снижения негативного воздействия, оказываемого выбросами газа угольных пластов в атмосферу, является получение газовых гидратов из шахтного метана дегазационных скважин. Разработка необходимой технологии значительно улучшит не только экологическую, но и экономическую ситуацию в Украине. МЕТАН УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Угольный газ приобретает все большую значимость в мире не только как дополни- тельный источник минерально-сырьевой базы углеводородов, но и как фактор сни- жения рисков газовых выбросов в шахтах и связанных с ними аварийных ситуаций. Эта проблема весьма важна и для Украины, ей посвящен ряд научных публикаций и науч- но-исследовательских работ [3 – 5]. По предварительным оценкам, мировые ресурсы метана оцениваются в 260 трлн м3. Наиболее значительные его запасы сосре- доточены в США, Китае, России, Австра- лии, ЮАР, Индии, Польше, Германии и Ук- раине. Из-за отсутствия единых методик определения запасов шахтного метана дан- ные о его количестве несколько отличают- ся. Их величина в основных угледобываю- щих странах мира, согласно одному из ис- точников, приведена в табл. 1 [6]. Как видим, Украина имеет существен- ные запасы метана, находящегося в уголь- ных пластах, пропластках и окружающих горных породах, который может стать цен- ным энергоресурсом и быть использован в качестве автомобильного топлива, а также в местной инфраструктуре для отопления и выработки электроэнергии. Ресурсы метана угольных пластов, или шахтного метана, в Украине (в основном в Донбассе) состав- ляют, по минимальным подсчетам, 1,7 – 2 трлн м3. Шахтами Донбасса за год выделя- ется около 1,5 млрд м3 метана, Львовско- Волынским угольным бассейном – около 60 млн м3. Доля используемого как топливо газа составляет только 8%. Остальной газ просто выбрасывается в атмосферу и за- грязняет окружающую среду. Украина – один из крупнейших источ- ников выбросов метана в Европе. Метан в качестве топлива используют лишь на не- скольких украинских шахтах. По количест- ву выбросов угольного метана в атмосферу Украина занимает четвертое место в мире, что наглядно демонстрирует диаграмма, приведенная на рис. 1. При среднем содер- жании метана в углях 15 м3/т [7] и сложив- 301 шемся в стране среднегодовом уровне до- бычи угля 88,2 млн т, что составляет 1,12% от мировой добычи [6], количество выде- ляющегося при извлечении и транспорти- ровании метана (около 2 млрд м3) по вкладу в парниковый эффект эквивалентно сжига- нию 9 млрд м3 природного газа. ЗАПАСЫ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ СТРАНАХ МИРА Таблица 1 Страна Запасы метана, трлн м3 США 60 Россия 58 Китай 28 Австралия 22 Индия 18 Германия 16 ЮАР 13 Украина 8 Казахстан 8 Польша 3 Прочие 26 Итого в мире 260 Рис. 1. Структура выбросов шахтного метана по основным угледобывающим странам мира, %: Китай – 40; США – 14; Россия – 7; Украина – 7; Северная Корея – 6; Австралия – 4; Польша – 3; Индия – 2; ЮАР – 2; Германия – 2; Казахстан – 1; другие страны – 12 Принимая во внимание колоссальные объемы газа, сосредоточенного в угольных пластах, необходимой является его утили- зация, которая несет в себе следующие по- ложительные аспекты: – альтернативный энергетический ре- сурс, который помог бы снизить зависи- мость Украины от импортируемого топли- ва из стран СНГ; – возможность использования шахтного метана для генерации электроэнергии; – возможность использования шахтного метана для закачки его в газопровод; – снижение экологической опасности за счет сокращения выбросов парникового газа метана украинскими шахтами в атмо- сферу; – повышение безопасности и произво- дительности труда шахтеров. В составе газа, поступающего на по- верхность из дегазационных скважин, со- держание метана колеблется от 2 до 95%. Дебиты скважин также изменяются в ши- роком диапазоне. В связи с этим возникает задача найти такой способ утилизации шахтного газа, для которого химический состав не был бы жестким условием. На наш взгляд, таким способом является пе- ревод газовой смеси дегазационной сква- жины в твердое состояние, т.е. получение газовых гидратов. Газогидратная техноло- гия хранения и транспортирования при- родного газа является реальной перспекти- вой будущего, поскольку в 1 м3 газового 302 гидрата содержится до 200 м3 метана, ко- торому не характерно самовозгорание, присущее метану в свободном или сжи- женном состояниях. Разработка метода получения газогид- ратов из шахтной метановоздушной смеси и технология его транспортирования весь- ма актуальны в настоящее время и эконо- мически целесообразными при разработке угольных месторождений [8]. Комплекс- ный подход позволит объединить техноло- гию добычи угля и метана в единую сис- тему, повысит рентабельность угольных шахт, безопасность труда и обеспечит энергетическую независимость нашего го- сударства. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ Установлено, что способностью к гидра- тообразованию обладают все гидрофобные газы и легколетучие органические жидко- сти, такие как Ar, N2, O2, CH4, C2H4, C2H6, C3H8, изо-С4Н10, Cl2, CS2, галогенопроиз- водные углеводородов С1 – С4, а также не- которые гидрофильные соединения (СО2, SO2, окись этилена, тетрагидрофуран (ТГФ), ацетон), взаимодействие которых с водой достаточно слабое и не может препятство- вать клатратообразованию [9]. Процесс образования газовых гидратов, как и любой другой процесс, состоит из сле- дующих стадий: 1 – образование зародышей кристалли- зации; 2 – сорбционный рост кристаллогидрата вокруг зародышей. Образование зародышей кристаллиза- ции обычно происходит на поверхности контакта «газ-вода». Рост кристаллогидрата при наличии зародышей кристаллизации может происходить как на свободной по- верхности контакта «газ-вода», так и в объ- еме газа или воды. Поверхностно- контактный рост газогидрата характеризу- ется относительно высокой скоростью, ве- личина которой определяется кинетически- ми параметрами и интенсивностью отвода тепла, которое выделяется при кристалли- зации. Процесс зарождения центров кри- сталлизации может начаться лишь при ус- ловии насыщения газа парами воды. Заро- дыши кристаллизации газового гидрата легче образуются на свободной поверхно- сти контакта «газ-вода», поскольку на этой поверхности находится переходный слой, в котором в перенасыщенном состоянии на- ходится как вода, так и газ. При создании соответствующих термобарических условий именно в этом промежуточном слое форми- руются центры кристаллизации. Формиро- вание центров кристаллизации на поверх- ности контакта «газ-вода» начинается с объединения отдельных кластеров молекул воды, число и величина которых в воде за- висят от температуры. Скорость образования центров кристал- лизации газового гидрата зависит от давле- ния и температуры среды, в которой проис- ходит процесс гидратообразования. С уве- личением давления скорость образования зародышей кристаллизации растет. При по- вышении степени переохлаждения скорость образования зародышей резко возрастает, а при достижении определенного значения (при заданном давлении) плавно снижается. После возникновения центров кристал- лизации газогидрата наступает следующая стадия гидратообразования – массовая кри- сталлизация, под которой понимают одно- временный рост большого числа образо- вавшихся центров кристаллизации. 303 Рис. 2. Газовые гидраты, полученные в лабораторных условиях в лаборатории НГУ В лаборатории инновационных техноло- гий НГУ в ходе проведения эксперимен- тальных исследований были созданы ис- ходные термобарические параметры про- цесса гидратообразования и получены об- разцы газовых гидратов искусственным пу- тем (рис. 2). Эксперименты проводились при различ- ном наборе параметров – диапазон давле- ний от 0,6 до 9,5 МПа и диапазон темпера- тур от –5 до +11 ºС. В результате были по- лучены графические зависимости парамет- ров процесса гидратообразования (рис. 3). Рис. 3. Диаграмма фазовых переходов искусствен- ных газогидратов, полученных экспериментальным путем Что касается формы кристаллогидратов, то они могут быть очень разнообразны. Это зависит, в первую очередь, от формы моле- кул газа, его состава и фазового состояния, а также от термодинамических параметров процесса гидратообразования. Установлено, что чем меньше молекулярная масса газа- гидратообразователя и чем ближе формы молекул, которые вступают в реакцию, тем образующиеся кристаллы газового гидрата есть прямолинейнее. Кристаллы гидрата метана, как правило, прямолинейной иголь- чатой формы, хотя метан может образовы- вать гидратные пленочные наросты типа сферолитов, а также четкие лучи – спирали. Для этана же наиболее характерны извили- стые нитевидные кристаллы. Несмотря на одинаковое молекулярное соотношение газа и воды у метановых и этановых гидратов, форма и размер молекул газа- гидратообразователя несколько различно деформируют элементарную ячейку гидра- та, что сказывается и на внешней форме об- разующегося гидрата при его строительстве из деформированных решеток. Гидрат про- пана характеризуется большим размытием форм [10]. Природные газы, состоящие из смесей различных компонентов, образуют смешан- ные газовые гидраты. При этом одновре- менно образуются кристаллы, характерные как для метана, этана, так и для других газов. ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГАЗА В ГАЗОГИДРАТНОМ СОСТОЯНИИ При рассмотрении способа транспорти- рования природного газа на первом месте должен стоять фактор безопасности. В на- стоящее время учеными рассматриваются два варианта перевозки газа: в виде газо- вых гидратов и в сжиженном виде. Табли- ца параметров применения этих двух спо- собов на практике представлена ниже (табл. 2), из которой очевидно, что газовые гидраты могут транспортироваться при бо- лее высокой температуре, чем сжиженный газ. Это позволяет говорить об экономич- ности такого способа транспортирования. Также можно выделить и следующие пре- имущества: капитальные и эксплуатацион- ные затраты, энергоемкость, выбросы пар- никовых газов при формировании и пере- 304 возке и, самое главное, безопасность транспортирования газа, т.к. возможность внезапного взрыва сводится к нулю. Наибольшее внимание исследователи уделяют метановым гидратам, поскольку именно метан является чистым источни- ком энергии. Экономическая эффектив- ность транспортирования обеспечивается высокой концентрацией газа в гидрате (до 200 м3). СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ И СЖИЖЕННОГО ГАЗА Таблица 2 Характеристика Газовые гидраты Сжиженный газ Состояние твердое жидкое Содержание газа в 1 м3 до 200 м3 газа (в среднем 165 м3 газа + 0,8 м3) 600 м3 газа Температура, °С –20 ºС –162 ºС Удельный вес 0,85–0,95 0,42–0,47 Транспортирование и использование га- зовых гидратов включает три этапа: созда- ние гидрата, собственно транспортировку, освобождение газа при его разложении с последующим использованием в качестве топлива. Основное условие эффективной пере- возки газогидратов – это поддержание ми- нусовой температуры (от –5 до –20 ºС) для обеспечения стабильности их клатратной структуры при атмосферном давлении. Не- маловажное значение при этом имеет эф- фект самоконсервации, при котором по- верхность гидрата покрывается пленкой, не позволяющей выходить газу. Самоконсер- вация газовых гидратов известна как очень медленное разложение гидрата, когда внешнее давление опускается ниже равно- весного значения для системы «газ-лед- газовый гидрат» при температуре ниже ну- ля градусов (как следствие – формирование ледяной корки на поверхности гидрата). Это свойство газогидратов является крити- ческим и играет существенную роль при обосновании параметров транспортирова- ния газовых гидратов в условиях атмосфер- ного давления и температур ниже нуля гра- дусов [11, 12]. Поскольку очевидно, что эффект само- консервации имеет место только при тем- пературе ниже нуля градусов, общеприня- тым стало мнение, что накопление кристал- лов льда на поверхности гидрата (при сбро- се давления и, соответственно, постепенном таянии гидрата) и есть причина этого явле- ния. Исследования показали, что только на- личие пленки на поверхности гидрата явля- ется недостаточным условием. Также нуж- но учитывать роль таких факторов, как со- отношение между давлением и температу- рой, микроструктура льда, скорость образо- вания кристаллов льда, состав газа. Комби- нация этих факторов приводит к эффекту, при котором образование очень тонкой пленки создает достаточный диффузионный барьер для высвобождающихся молекул га- за. Вероятно, что высвобожденные молеку- лы газа растворяются в пограничном слое между льдом и клатратом, поддерживая требуемую химическую активность для стабильности гидрата, таким образом, ледя- ной корке не требуется высокого давления. Следовательно, самоконсервация должна рассматриваться как сложное явление, в ко- тором часть клатрата, подверженная влия- нию внешних факторов, «жертвуется», что- бы сформировать защитную ледяную корку. Поскольку толщина ледяного слоя не зависит от размера частиц, можно улучшить эффективность самоконсервации путем из- менения отношения поверхность-объем: множество исследований показали, что час- тицы больших размеров с маленькой оста- точной пористостью увеличивают степень самоконсервации по сравнению с малень- 305 кими частицами, дестабилизированными при таком же давлении и температуре [13]. К тому же, частицы больших размеров при- водят к самоконсервации при менее подхо- дящих условиях. При благоприятных усло- виях с хорошо контролируемым размером частиц только крошечная порция гидрата должна быть разрушена, чтобы образовать ледяную корку, которая ограждает неста- бильную структуру от дальнейшего разло- жения. В таком метастабильном состоянии гидрат может удерживать большой объем газа очень длительное время (несколько ме- сяцев) при условиях, далеких от равновес- ных для образования газогидратов: темпе- ратуре ниже точки таяния льда и атмосфер- ном давлении. Очевидно, что для транспортирования газа в виде газовых гидратов нужны специ- альные герметичные сосуды. Во время транспортирования газогидратов необходи- мо контролировать давление и температуру внутри сосуда, чтобы не позволить растаять ледяной корке на поверхности гидратов. Как уже было отмечено, перевозку газовых гидратов можно производить при атмо- сферном давлении и температуре ниже нуля (от –5 до –20 ºС). Следовательно, нужно применять активное охлаждение простран- ства, в котором находятся газогидраты для поддержания нужной температуры [14, 15]. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ СОЗДАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ Для промышленного производства газо- вых гидратов из газа дегазационных сква- жин предлагается создать установку по по- лучению газогидратов на автомобиле реф- рижераторного типа (рис. 4). Рис. 4. Мобильная установка для получения газовых гидратов из газовых смесей дегазационных скважин Конструктивно камера разделена на две секции: в первой секции, в зоне реактора, происходит формирование газового гидрата и поддерживается температура +1…+3 ºС, давление при этом составляет 5 – 6 МПа. Вторая секция камеры предназначена для хранения (консервации) газового гидрата при атмосферном давлении и температуре – 20 ºС. На входе в реактор монтируется ком- прессор для закачки газовой смеси из сква- жины в газоаккумулятор, на входе которого должно достигаться давление до 6 МПа (с возможностью его регулирования). Газо- аккумулятор имеет объем не менее 200 л и выдерживает давление до 10 МПа. Для это- го можно соединить 4 и более автомобиль- ных метановых баллонов. Насос для подачи воды в реактор разви- вает давление до 10 МПа и имеет регули- руемую производительность до двух литров в минуту. Форсунки для распыления воды выдерживают давление до 10 МПа и распы- ляют воду до мелкодисперсного состояния. 306 Для этой цели рассматриваются дизельные форсунки. Реактор является разъемной конструк- цией, выдерживающей давление до 6 МПа. В реактор поступает метан из газоаккуму- лятора и вода через форсунки. Конструкция реактора выполнена в виде циклона, в кото- ром газовый поток закручивается и смеши- вается с тонко распыленной водой, образо- вывая водно-газовую мелкодисперсную смесь. Расход воды регулируется таким об- разом, чтобы не образовывалось излишка воды. Образующийся газогидрат собирается в нижней части реактора и далее с помо- щью шнека подается в хранилище с под- держиваемой температурой – 20 ºС. Излишек газа, не прореагировавший с водой, возвращается к компрессору для по- вторного ввода в реактор. При этом реактор помещается в термокамеру, поддерживаю- щую температуру +1…+3 ºС. Данное технологическое решение по по- лучению искусственных газовых гидратов из газовых смесей различного состава воз- можно применять на дегазационных сква- жинах угольных шахт. ВЫВОДЫ 1. Выяснено, что Украина имеет сущест- венные ресурсы метана (8 трлн м3), нахо- дящегося в угольных пластах, который мо- жет быть использован в качестве альтерна- тивного энергоресурса. Раскрыта значи- мость шахтного метана в качестве дополни- тельного источника минерально-сырьевой базы углеводородов. Приведена количест- венная оценка запасов метана угольных пластов в ведущих угледобывающих стра- нах мира. 2. Установлены положительные аспекты утилизации шахтного метана, которая по- зволит снизить экологическую опасность за счет снижения выбросов парникового газа в атмосферу, который, несомненно, является основным источником увеличения глобаль- ного потепления; повысить безопасность ведения горных работ; даст возможность использовать шахтный газ в качестве энер- гетического ресурса. 3. Предложен способ перевода газовых смесей дегазационных скважин в газогид- ратное состояние. Обоснованы преимуще- ства получения газовых гидратов в услови- ях украинских шахт. Проведены аналитиче- ские исследования процесса гидратообразо- вания, выяснен механизм роста кристалло- гидратов в условиях их формирования из газа дегазационных скважин. 4. Обоснован способ перевозки и хране- ния газа в газогидратном состоянии, приве- дена сравнительная характеристика пара- метров способов транспортирования газа в виде газовых гидратов и сжиженного газа. Рассмотрен эффект самоконсервации газо- гидратов, который позволяет производить транспортирование газовых гидратов при атмосферном давлении в условиях отрица- тельных температур (–5…–20 ºС). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Parry M.L. Contribution of working group II to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change: impacts, adaptation and vulnerability / M.L. Parry, O.F. Canziani, J.P. Palutikof, P.J. van der Lin- den, C.E. Hanson. – Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2007. 2. Литвиненко А.С. Метан угольных месторождений как альтернативный источник топлива / А.С. Литвинен- ко, Л.Н. Таранюк // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». – 2006. – № 1. 3. Конарев В.В. Метан угольных месторождений – пора заняться им всерьез / В.В. Конарев // Уголь Украи- ны. – 2000. – № 2. – С. 3 – 7. 307 4. Булат А.Ф. Направления энерготехнологической переработки метана угольных месторождений / А.Ф. Булат, И.Ф. Чемерис // Геотехническая механика: межвед. сб. научн. тр. // ИГТМ НАН Украины. – Д., 2005. – Вып. 32. – С. 67 – 74. 5. Извлечение шахтного метана и защита окру- жающей среды / С.В. Кузаря, И.Д. Дрозник, Ю.С. Кафтан [и др.] // Уголь Украины. – 2005. – № 6. – С. 13 – 15. 6. BP Statistical review of world energy, June 2013. – The Editor BP Statistical Review of World Energy BP p.l.c., 1 St James’s Square. – London SW1Y 4PD, UK. 7. Энергетика: история, настоящее и будущее. От огня и воды к электричеству / [В.И. Бондаренко, Г.Б. Варламов, И.А. Вольчин и др.] // Энергетика: исто- рия, настоящее и будущее. От огня и воды к электриче- ству. – К.: ООО «Редакция «Энергетика: история, на- стоящее и будущее», 2011. – 264 с. 8. Ovchynnikov M. Methodology of gas hydrates forma- tion from gaseous mixtures of various compositions / M. Ovchynnikov, K. Ganushevych, K. Sai // Balkema, CRC Press. – 2013. – Vol. 4. – P. 203 – 205. 9. Ярунин С.А. Технология извлечения метана из вентиляционных струй шахт / С.А. Ярунин, В.Н. Короле- ва, Ю.Г. Анпилогов // ШАБ. – М.: Изд-во МГГУ, 1997. – № 6. – С. 88 – 89. 10. Макогон, Ю.Ф. Газовые гидраты, предупрежде- ние их образования и использование / Ю.Ф. Макогон. – М.: Недра, 1985. – 232 с. 11. Бондаренко В.И. К вопросу скважинной подзем- ной разработки газовых гидратов / В.И. Бондаренко, К.А. Ганушевич, Е.С. Сай // Науковий вісник НГУ. – 2011. – № 1 (121). – С. 60 – 66. 12. Makogon Y.F. Additional source of energy of Ukraine / Y.F. Makogon // Oil and gas industry. – 2010. – № 3. – P. 47 – 51. 13. Zhong D.L. Natural gas hydrate and growth on sus- pended water droplet / [D.L. Zhong, D.P. Liu, Z.M. Wu [and others] // Proceeding of the 6th International conference on gas hydrates (ICGH 2008). – Vancouver, British Columbia, Canada. – July 6-10. – 2008. – 11 р. 14 Welander P. Designing and optimizing gas/liquid re- actions for: Environmental processes/chemical reac- tions/heat transfer / P. Welander, T.L. Vincent // Brochure from exhibition at the chem show. – New York. – NY, USA, 1999. 15 Brown T.D. Rapid gas hydrate formation processes: Will they work? / T.D. Brown, C.E. Taylor, M.P. Bernardo // Energies. – 2010. – Vol. 3. – Р. 1154 – 1175. ОБ АВТОРАХ Сай Екатерина Сергеевна – ассистент кафедры подземной разработки месторождений Национального горного университета. Ганушевич Константин Анатольевич – аспирант кафедры подземной разработки месторождений Нацио- нального горного университета.

Утилизация шахтного метана и его транспортирование в газогидратном состоянии

Institution

Similar Items