Введение. ДВС по принципу Стирлинга для использования шахтного метана Караганды

РЕФЕРАТ

На тему:

ДВС по принципу Стирлинга для использования шахтного метана Караганды

Проверил: Альмусин Г.Т.

Выполнили: Советов А.Б.

Тлеубергенова С.

Содержание

Введение. 2

Шахтный метан (ШМ) 2

Шахтный метан Караганды.. 2

Области использования шахтного метана. 2

Двигатель Стирлинга. 2

Преимущество Стирлингов. 2

Проблемы создания высокоэффективных машин Стирлинга. 2

Модернизация котельных агрегатов в мини – ТЭЦ на основе применения двигателя Стирлинга. 2

Использование биомассы при применении двигателя Стирлинга. 2

Использование двигателя Стирлинга. 2

Введение

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

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

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

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

СН₄ + О₂ = СО + Н₂ + Н₂О.

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

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

Метаноносность - количество метана, содержащееся в природных усло­виях в единице массы (м³/т) или объёма (м³/м³) угля или породы.

Современное состояние подземной разработки угольных ме­сторождений характеризуется увеличением глубины разработки и ухудшением природных и горно-технических условий горных ра­бот, в частности, увеличением газообильности выработок вследст­вие роста природной газоносности пластов и вмещающих пород, которая на глубинах порядка 1000 м достигает 20—30 м-7т. Метан, выделяющийся в горные выработки, сдерживает добычу угля, по­вышает его себестоимость, ухудшает комфортность и безопас­ность труда шахтеров, а вынос метана на поверхность приводит к ухудшению экологии атмосферы. Этот метан при разработке ме­сторождений извлекается на поверхность как с вентиляционной струей, так и различными способами дегазации, утилизируется же лишь незначительная его часть. В зависимости от применяемого способа дегазации (подземная, скважинами, пробуренными с по­верхности в неразгруженный массив, в выработанное пространство и др.), а также времени ее осуществления (до начала горных работ или в процессе их проведения) концентрация метана в извлекаемой газовоздушной смеси изменяется в широком диапазоне—от единиц до десятков процентов при резком колебании дебитов.

Большинство из этих способов направлено на извлечение ме­тана из подработанного горными работами массива. Извлечь газ из неразгруженного массива можно только после изменения его свойств и состояния путем активных (силовых) воздействий, вы­бор которых определяется природными свойствами массива, а также горно-геологическими и горно-техническими условиями.

При гидрорасчленении угольных пластов и вмещающих пород ставятся задачи интенсификации извлечения метана из пласта, уп­равления его напряженным состоянием за счет изменения физико-механических свойств, а также повышения глубины дегазации. Про­веденные исследования показали, что обобщенной характеристикой газодинамического и напряженного состояния угольных пластов может служить их проницаемость. На величину проницаемости оп­ределяющее влияние оказывают как природные, так и горно­технические факторы. Проницаемость угленосной толщи можно повысить путем нагнетания в нее под давлением воды, которая рас­крывает естественные трещины пласта. Дополнительно повысить проницаемость угленосного массива можно путем растворения минеральной составляющей угля, а вмещающих пород — путем рас­творения связующего породного цемента. Для этого в угольный пласт закачивают растворы химически- и поверхностно- активных веществ. При выборе класса химических реагентов с це­лью активного воздействия на минеральную составляющую угля и связующего цемента пород был исследован класс веществ, назван­ных комплексонами. Для исследований были выбраны фосфорорганические комплексоны. Разработка угольных месторождений в современных условиях выдвигает необходимость новых решений ряда проблем по обеспечению безопасности эксплуатации шахт, комплексного освоения минеральных ресурсов и защиты окру­жающей среды. К таким проблемам относится и проблема утилиза­ции шахтного метана, извлекаемого на поверхность различными способами дегазации, а также выносимого вентиляционной воз­душной струей.

В составе газа, извлекаемого из дегазационных скважин (под­земных или скважин, пробуренных с поверхности), содержание ме­тана колеблется от 2—3 до 70—80 %. Дебиты газа также изменя­ются в широком диапазоне. Вследствие таких больших колебаний затруднено его широкое использование. В связи с этим встает за­дача найти такой способ утилизации шахтного газа, для кото­рого компонентный состав газа не был бы жестким условием. Таким способом является перевод шахтного газа в гидратное состояние, с его помощью можно переводить в гидрат различ­ные газы, в том числе и их смеси, при этом будут меняться только равновесные условия гидратообразования. При использовании в качестве газа-гидратообразователя шахтной метановоздушной сме­си можно в едином технологическом процессе осуществить опрес­нение шахтной воды и утилизацию шахтного газа с получением в качестве готовых продуктов пресной воды, сухих солей и чистого метана. Это позволит получить новые полезные продукты и суще­ственно снизить вредное воздействие, оказываемое горным пред­приятием на окружающую среду.

Трудности утилизации метана из вентиляционных струй шахт заключаются в очень низкой его концентрации (до 0,75 %) и боль­ших расходах воздуха, что требует больших энергетических затрат. Извлечение метана из вентиляционной струи будет экономически и технологически целесообразным лишь в комбинированной системе, в которой одновременно с извлечением метана можно осуществлять и другие необходимые для шахты процессы. Предлагается для раз­работки технологии утилизации метана из вентиляционных струй шахт использовать сорбционные и кристаллизационные процессы.

Разработка угольных месторождений в современных усло­виях выдвигает необходимость новых решений ряда проблем по обеспечению безопасности эксплуатации шахт, комплексно­го освоения минеральных ресурсов и защиты окружающей сре­ды. К таким проблемам относится и проблема утилизации шахт­ного метана, извлекаемого на поверхность различными спосо­бами дегазации, а также выносимого в атмосферу с вентиляци­онной воздушной струей.

Вопросами утилизации шахтного газа при его дегазации занимаются многие исследователи, ими предложены инте­ресные разработки. Утилизация же метана, выносимого с вен­тиляционной шахтной струей практически не решается, в то время как наибольшее количество метана выносится именно с вентиляционной струей, средний расход которой составляет 12— 17 тыс. т/сут или примерно 10 тыс. м³/мин на один вен­тиляционный ствол.

Трудность утилизации метана из вентиляционных струй шахт заключается в очень низкой его концентрации (до 0,75 %) и боль­ших расходах воздуха, что требует больших энергетических за­трат.

Извлечение метана из вентиляционной струи будет эконо­мически и технологически целесообразным только лишь в ком­бинированной системе, в которой одновременно с извлечением метана можно осуществлять и другие необходимые для шахты процессы, например, охлаждение шахтного воздуха и опресне­ние шахтной воды, компенсируя энергетические затраты одних процессов за счет избытка их в других.

Шахтный метан (ШМ)

Основными компонентами шахтного метана (ШМ) являются метан (СН₄), углекислый газ (СО₂) и азот (N₂). В закрытых шахтах ШМ продолжает выделяться из угля и выходить в атмосферу. Обладая потенциалом глобального потепления (ПГП) равным 21, метан значительно способствует усилению парникового эффекта, а возможность образования взрывоопасных смесей с кислородом воздуха представляет серьезную опасность.

Кроме того, метан является важным компонентом атмосферы таких планет как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В атмосфере Земли он, по-видимому, играет определенную роль в образовании серебристых облаков. Получить метан можно, например, с помощью гидрирования углерода или гидролиза карбида алюминия. Газ используется не только как топливо. В химической промышленности метан является важным компонентом синтеза. Так, например, его используют для производства синтез-газа, необходимого во многих технологических процессах (в т.ч. синтез аммиака). Кроме прочего метан применяется при производстве цианистоводородной (синильной) кислоты, галоидированных углеводородов, ацетилена (этина) и технического углерода (например, в полиграфической и шинной промышленности).

Точка плавления метана-182,5 °C, точка кипения-161,5 °C.\

Метан - прекрасное энергетическое топлива и сырье для химической промышленности, запасы которого не меньше запасов природного газа, а возможно, даже больше. Теплота сгорания метана составляет 8400 ккал/м3, что соответствует 1,2 кг условного топлива на 1 м3.

Дата добавления: 2015-08-10