Способ предотвращения воспламенения метана в угольных шахтах

Изобретение относится к области техники обеспечения пожаро- и взрывобезопасности преимущественно к области предотвращения воспламенения и взрывов метана в угольных шахтах. Техническим результатом является повышение безопасности работы людей в шахте и уменьшение выброса вредных веществ из шахты в окружающую среду. Способ включает разбавление воздуха в шахте азотом для уменьшения концентрации кислорода в воздухе в шахте. При этом выделяющийся в шахте метан сжигают в смеси с воздухом из шахты и получают газовую смесь, обогащенную азотом, которую используют для разбавления азотом воздуха в шахте. 11 з.п. ф-лы.

 

Способ относится к области техники обеспечения пожаро- и взрывобезопасности, преимущественно к области предотвращения воспламенения и взрывов метана в угольных шахтах.

Известен способ предотвращения взрыва скопления газа, раскрытый в описании патента РФ №2155268 C1 E21F 5/00, 2000 г. В этом способе газовоздушную смесь из шахты через взрывозащищенное устройство подают в проточную камеру, где ее поджигают при достижении взрывоопасной концентрации горючего газа в смеси, а продукты сгорания подают в шахту для снижения взрывоопасной концентрации горючего газа.

К недостаткам этого способа относится то, что с его помощью можно уменьшить опасность воспламенения и взрыва газа только вблизи от места расположения проточной камеры, но нельзя предотвратить воспламенение газа в тех местах шахты, в которых могут происходить локальные выбросы метана и куда не попадают продукты сгорания из проточной камеры. Кроме того, способ можно использовать только в отсутствии людей, так как выбрасываемые из проточной камеры горячие продукты сгорания непригодны для дыхания людей.

Наиболее близким является способ предупреждения пожара в герметичных обитаемых отсеках, согласно которому в отсек подают азот для уменьшения относительной концентрации кислорода (Авт. св. СССР №955946 А62С 21/00, 1982 г.). Этим способом можно предотвратить воспламенение горючего газа, если он по каким-то причинам в ограниченных количествах попадает в герметичный обитаемый отсек. В работающей угольной шахте этим способом нельзя полностью предотвратить воспламенение метана, который постоянно выделяется из угольных пластов. Если шахту сделать герметичной, то концентрация метана в газовой смеси, заполняющей шахту, будет увеличиваться и через некоторое время газовая смесь станет непригодной для дыхания людей, а работу в шахте надо будет остановить.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение безопасности работы людей в шахте путем предотвращения воспламенения метана в работающей угольной шахте. Кроме того, уменьшается выброс вредных веществ из шахты в окружающую среду и улучшаются условия работы людей в шахте.

Сущность изобретения достигается тем, что выделяющийся в шахте метан сжигают в смеси с воздухом из шахты и получают газовую смесь, обогащенную азотом, которую используют для разбавления азотом воздуха в шахте.

Технический результат достигается тем, что в газовой смеси, обогащенной азотом и полученной путем сжигания метана, уменьшают концентрации продуктов сгорания метана до значений, при которых после разбавления азотом воздуха в шахте содержание в нем продуктов сгорания метана не будет превышать предельно допустимых концентраций; что метан сжигают полностью до образования диоксида углерода и воды; что в газовой смеси, обогащенной азотом и полученной путем сжигания метана, уменьшают концентрацию диоксида углерода; что метан сжигают при контакте воздуха из шахты с поверхностью твердого катализатора; что при сжигании метана с использованием твердого катализатора температуру его поверхности поддерживают большей значения, при котором на этом катализаторе происходит полное окисление метана; что твердый катализатор содержит цемент и оксиды переходных металлов; что разбавляя азотом воздух в шахте объемное содержание кислорода в нем уменьшают до значения менее 13,5%; что после разбавления азотом воздуха в шахте его давление повышают с одновременным увеличением парциального давления кислорода в нем; что давление воздуха в шахте повышают до значения, при котором парциальное давление кислорода в нем при объемном содержании кислорода менее 13,5% не превышало парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе; что газовую смесь, обогащенную азотом, охлаждают перед разбавлением ею воздуха в шахте; что при охлаждении газовой смеси, обогащенной азотом, теплоту сгорания метана передают катализатору и воздуху из шахты перед сжиганием в нем метана.

Способ осуществляют следующим способом. Для обеспечения возможности работы людей в угольной шахте ее проветривают, преимущественно с помощью вентиляторов, подающих воздух в подземные полости шахты. Метан, выделяющийся в шахте из стенок подземных полостей или добытого угля, удаляется из шахты вместе с воздухом в процессе ее проветривания.

Согласно изобретению метан, содержащийся в воздухе, выбрасываемом из шахты, сжигают. При сжигании метана в воздухе из шахты расходуется кислород и образуется газовая смесь, обогащенная азотом, который не участвует в процессе горения метана. Кроме того, в этой смеси будут содержаться продукты полного сгорания метана: диоксид углерода и несконденсированный водяной пар и, возможно, продукты неполного сгорания метана - оксид углерода и формальдегид.

Образовавшуюся после сжигания метана газовую смесь, обогащенную азотом, используют для разбавления азотом воздуха в шахте путем подачи этой смеси в подземные полости шахты при ее проветривании. Разбавление воздуха в шахте азотом уменьшает опасность воспламенения и взрыва метана в шахте, так как увеличение содержания азота в воздухе в шахте приводит к сужению диапазона концентраций метана, при которых возможно его воспламенение (Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Редакторы Григорьев В.А., Зорин В.М. - М.: Энергоатомиздат, 1988, кн.2, с.378-379). Продукты сгорания метана: диоксид углерода и водяной пар, содержащиеся в газовой смеси, обогащенной азотом, также сужают концентрационные пределы воспламенения метана в шахте. Однако продукты сгорания метана, особенно продукты неполного сгорания - диоксид углерода и формальдегид - опасны для людей. Поэтому их удаляют из газовой смеси, обогащенной азотом, путем их сорбции жидкими и твердыми сорбентами или путем криогенного разделения газовых смесей, и тем самым, уменьшается выброс вредных веществ.

Оксид углерода, образующийся при неполном сгорании метана, опасен для людей, и его трудней всего удалить из газовой смеси, обогащенной азотом. Поэтому метан сжигают полностью, а затем удаляют из газовой смеси диоксид углерода, например, путем его адсорбции водой или растворами поташа.

Метан, как и другие горючие газы, обычно сжигают с помощью горелочных устройств различной конструкции, в которых реакция горения протекает в газовом объеме. Устойчивое горение метана в таких устройствах происходит при температурах 1100-1500°С, поэтому полное сгорание метана можно совершить путем подогрева воздуха из шахты так, чтобы процесс сгорания протекал при температуре, большей 1100°С. Однако для осуществления такого способа полного сжигания метана надо использовать дополнительное топливо кроме метана, содержащегося в воздухе из шахты. Кроме того, из-за большого избытка кислорода в шахтном воздухе при таком сжигании метана будут образовываться опасные для людей оксиды азота.

Поэтому метан сжигают при контакте воздуха из шахты с поверхностью катализатора. Катализатор ускоряет процесс окисления, и полное сгорание метана с его использованием можно осуществить при температуре, существенно меньшей, чем 1100°С, при которой происходит полное сгорание метана без использования твердых катализаторов. При этом практически не будет происходить образование опасных оксидов азота, и этим увеличивается технический результат, связанный с уменьшением выбросов опасных веществ.

Скорость сгорания метана увеличивается при увеличении его концентрации в воздухе из шахты, площади поверхности твердого катализатора и температуры поверхности твердого катализатора. При неизменной величине площади поверхности твердого катализатора для каждого значения концентрации метана в воздухе из шахты существует значение температуры поверхности катализатора, при котором достигается полное окисление метана. Это значение температуры может быть определено путем повышения температуры поверхности катализатора до тех пор, пока в газовой смеси, обогащенной азотом, концентрация продуктов неполного сгорания метана, например оксида углерода, не достигнет предельно допустимой концентрации.

При известном значении температуры поверхности катализатора, при котором на этом катализаторе происходит полное окисление метана, температуру поверхности катализатора поддерживают выше этого значения. Для этого при необходимости подогревают твердый катализатор и воздух из шахты путем охлаждения газовой смеси, обогащенной азотом и передачи теплоты сгорания метана катализатору и воздуху из шахты. Передача упомянутой теплоты сгорания метана может быть осуществлена с помощью регенеративных или рекуперативных теплообменников.

Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в том, что воздух в шахте после его разбавления азотом с использованием для этого газовой смеси, обогащенной азотом, не будет содержать опасных для людей продуктов сгорания метана в концентрациях выше предельно допустимых. Это обеспечивает возможность использования способа в работающей шахте, в которой присутствуют люди.

Поэтому при полном сгорании метана на поверхности твердого катализатора практически не образуются оксиды азота, а продукты полного сгорания метана: диоксид углерода и водяной пар, удаляются из газовой смеси путем их абсорбции, например водой, достигается дополнительный технический результат, связанный с уменьшением выбросов в окружающую среду из шахты вредных веществ: метана и оксидов углерода.

Достижение такого результата облегчается при использовании твердого катализатора, содержащего цемент и оксиды переходных металлов. Для таких катализаторов меньше, чем для других известных катализаторов, значение температуры поверхности катализатора, при которой начинается устойчивый процесс горения метана без внешнего подвода теплоты. Например, на катализаторах, содержащих благородные металлы - платину, родий, палладий - устойчивое горение метана без внешнего подвода теплоты начинается при температуре 450-500°С. На катализаторах, содержащих цемент и оксиды переходных металлов - марганца, никеля, хрома, меди - устойчивый процесс горения метана может начатся при температуре 250-300°С.

Эта особенность твердых катализаторов, содержащих цемент и оксиды переходных металлов, пока не имеет объяснения, но ее целесообразно использовать для достижения технического результата от использования изобретения. При уменьшении температуры начала устойчивого горения метана при его контакте с поверхностью твердого катализатора можно уменьшить количество теплоты сгорания метана, передаваемой от газовой смеси, обогащенной азотом, к воздуху из шахты перед сжиганием в нем метана. Поэтому при использовании катализаторов, содержащих цемент и оксиды переходных металлов, облегчается выбор упомянутых регенеративных и рекуперативных теплообменников.

Технический результат, заключающийся в том, что уменьшается опасность воспламенения метана, достигается при разбавлении воздуха в шахте азотом и, соответственно, уменьшении в нем концентрации кислорода. Достижение этого результата определяется тем, что при разбавлении воздуха в шахте азотом уменьшается диапазон концентраций метана в воздухе, при которых возможно его воспламенение без использования катализаторов.

В работающей шахте подземные полости проветривают так, чтобы средняя концентрация метана в шахтном воздухе была меньше, чем нижняя граница диапазона концентраций, при котором возможно воспламенение метана. Воспламенение и взрывы метана в шахтах происходят при неконтролируемых выбросах метана из стенок подземных полостей или добытого угля.

При таких выбросах локальная концентрация метана в части подземных полостей может превысить нижнюю границу диапазона концентраций метана, при которых возможно его воспламенение. Уменьшение этого диапазона при разбавлении воздуха в шахте азотом уменьшает вероятность воспламенения метана при его неконтролируемых выбросах.

Поэтому технический результат, заключающийся в повышении безопасности работы людей в шахте путем предотвращения воспламенения и взрывов метана в работающей шахте, достигается при добавлении к шахтному воздуху любого количества газовой смеси, обогащенной азотом, так как это действие над материальными объектами уменьшает опасность воспламенения метана пусть не во всех, но хотя бы в некоторых случаях неконтролируемых выбросов метана в подземные полости шахты.

Для увеличения технического результата, заключающегося в предотвращении воспламенения и взрывов метана, в работающей шахте разбавляют воздух азотом с использованием газовой смеси, обогащенной азотом, так, чтобы объемное содержание кислорода в воздухе в шахте стало меньше 13,5%. В газовых смесях, содержащих более 86,5% и менее 13,5% кислорода, невозможно объемное воспламенения метана при любом отношении количеств метана и таких газовых смесей.

Поэтому при объемном содержании кислорода в воздухе в шахте менее 13,5% невозможно объемное воспламенение метана при любых неконтролируемых выбросах метана в подземные полости шахты. В этих условиях возможно горение метана только при его контакте с поверхностью катализатора или при непрерывном поступлении теплоты, или другой энергии, например от горячей стенки, электрической искры или открытого пламени, поддерживаемого экзотермической реакцией химических веществ, способных гореть в газовой смеси, содержащей менее 13,5% кислорода. Например, при разрушении угольных пластов с использованием взрывчатых веществ некоторое количество метана может сгореть в области промышленного взрыва, но объемное воспламенение и взрыв метана в подземной полости не произойдет.

Таким образом, при использовании газовой смеси, обогащенной азотом для разбавления воздуха в шахте до объемного содержания кислорода менее 13,5%, практически полностью исключается возможность объемного воспламенения метана в работающей шахте.

Возможность достижения объемного содержания кислорода менее 13,5% определяется поступлением метана в подземные полости шахты. При полном сжигании метана в воздухе из шахты и удалении его продуктов сгорания из газовой смеси, обогащенной азотом, удаляется объем кислорода, равный двум объемам сожженного метана.

Если метан поступает в подземные полости шахты, то при проветривании этих полостей газовой смесью, обогащенной азотом, и сжигании поступающего в нее метана можно удалить из смеси весь кислород. Поэтому через некоторое время после начала использования способа объемное содержание кислорода в воздухе в шахте станет менее 13,5%. При дальнейшем использовании способа в процессе проветривания подземных полостей газовую смесь, обогащенную азотом, можно будет смешивать со свежим воздухом из атмосферы и поддерживать при этом объемное содержание кислорода в воздухе в шахте менее 13,5%.

При таком объемном содержании кислорода и общем давлении газовой смеси, равном атмосферному, парциальное давление кислорода будет примерно таким же, как в атмосфере на высоте более 2000 м над уровнем моря. Поэтому при объемном содержании кислорода в воздухе в подземных полостях в шахте менее 13,5% его парциальное давление может быть достаточным для дыхания работающих там людей.

Для улучшения условий труда людей при одновременном обеспечении невозможности воспламенения метана общее давление воздуха в шахте повышают с одновременным повышением парциального давления кислорода в воздухе, разбавленного азотом с использованием газовой смеси, обогащенной азотом. При этом давление воздуха в шахте повышают до значений, для которых при объемном содержании кислорода менее 13,5% парциальное давление кислорода в нем не превышало парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе.

Такие действия над материальными объектами увеличивают технический результат, заключающийся в том, что воздух в шахте после разбавления его азотом не будет содержать опасных для людей продуктов сгорания метана, но дополнительно будет иметь парциальное давление кислорода такое же, как в атмосфере.

Пример конкретного использования способа в угольной шахте, в вентиляционных выбросах которой объемное содержание метана составляет 1%, можно описать следующим образом.

В подземные полости шахты закачивают с избыточным давлением 60 кПа газовую смесь, имеющую температуру, например, 20°С и объемное содержание кислорода 13% и азота 87%. В этой смеси парциальное давление кислорода будет примерно таким же, как в атмосфере на уровне моря, поэтому смесь будет пригодной для дыхания людей.

В шахте к этой смеси добавится метан, и выходящую из шахты газовую смесь с объемным содержанием метана около 1% подогревают до температуры примерно 300°С и приводят в контакт с катализатором, содержащим цемент и переходные металлы. На поверхности катализатора метан сгорает с выделением теплоты, и при полном сгорании метана газовая смесь разогревается до температуры примерно 570°С.

После этого газовую смесь охлаждают до температуры примерно 290°С с передачей теплоты к газовой смеси, выходящей из шахты, например, с использованием противоточного поверхностного теплообменника. Затем газовую смесь приводят в контакт с водой, например, в насадочной коллоне. При контакте с водой газовая смесь охлаждается до температуры примерно 10-20°С, и из нее удаляются диоксид углерода и водяной пар, образующийся при сгорании метана.

Процесс абсорбции диоксида углерода водой ведут до остаточного его содержания менее предельно допустимой концентарации, например, до 0,1%. После абсорбции диоксида углерода и водяного пара в газовой смеси будет содержаться примерно 11% кислорода и 89% азота. К этой смеси добавляют свежий воздух в таком количестве, чтобы объемное содержание кислорода в ней стало равным 13%, а содержание азота 87%. Эту смесь сжимают до избыточного давления 60 кПа (полное давление смеси примерно 160 кПа) и закачивают ее в шахту.

Таким образом, реализуется замкнутый цикл. В этом цикле метан удаляется из шахты газовой смесью, а в шахте постоянно поддерживается содержание кислорода менее 13,5%, при котором невозможно воспламенение метана.

1. Способ предотвращения воспламенения метана в угольных шахтах, включающий разбавление воздуха в шахте азотом для уменьшения концентрации кислорода в воздухе в шахте, отличающийся тем, что выделяющийся в шахте метан сжигают в смеси с воздухом из шахты и получают газовую смесь, обогащенную азотом, которую используют для разбавления азотом воздуха в шахте.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в газовой смеси, обогащенной азотом и полученной путем сжигания метана, уменьшают концентрации продуктов сгорания метана до значений, при которых после разбавления азотом воздуха в шахте содержание в нем продуктов сгорания метана не будет превышать предельно допустимых концентраций.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что метан сжигают полностью до образования диоксида углерода и воды.

4. Способ по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что в газовой смеси, обогащенной азотом и полученной путем сжигания метана, уменьшают концентрацию диоксида углерода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что метан сжигают при контакте воздуха из шахты с поверхностью твердого катализатора.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при сжигании метана с использованием твердого катализатора температуру его поверхности поддерживают большей значения, при котором на этом катализаторе происходит полное окисление метана.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердый катализатор содержит цемент и оксиды переходных металлов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что разбавляя азотом воздух в шахте объемное содержание кислорода в нем уменьшают до значения менее 13,5%.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что после разбавления азотом воздуха в шахте его давление повышают одновременным увеличением парциального давления кислорода в нем.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что давление воздуха в шахте повышают до значения, при котором парциальное давление кислорода в нем при объемном содержании кислорода менее 13,5% не превышало парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовую смесь, обогащенную азотом, охлаждают перед разбавлением ею воздуха в шахте.

12. Способ по п.6 или 11, отличающийся тем, что при охлаждении газовой смеси, обогащенной азотом, теплоту сгорания метана передают катализатору и воздуху из шахты перед сжиганием в нем метана.